植物修复土壤重金属污染的研究进展
赵岩 黄运新 秦云
摘要：植物修复技术被认为是治理重金属污染最为绿色的方法，因为此技术成本低、实施方便、无污染。超富集植物的研究是重金属污染植物修复的重点，然而一种植物由具有富集重金属特性到应用于现实的重金属污染修复并非易事。研究表明，在现实条件下，植物修复技术应用于治理土壤重金属污染中存在一些约束。本文系统地总结了目前超富集植物的研究方法和研究现状，通过分析超富集植物在现实条件下修复土壤重金属污染的不足，提出土壤重金属污染植物修复的方向。
关键词：重金属；植物修复；土壤
中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1004-3020（2016）01-0040-05
Abstract： Phytoremediation is considered to be the most green way to control heavymetal pollution， because the technology is low cost， easy to implement， and nonpolluting. Hyperaccumulator applied in phytoremediation is the focus of remediation of heavymetal pollution， but applyinging the heavymetal enrichment plant in the reality is not easy. A lot of research found that， under realistic conditions， there are some constraints on phytoremediation of soils polluted by heavy.We summarizes the studying methods and current status in hyperaccumulator. By analyzing the shortcomings on remediation on soils polluted by heavy metal by under realistic conditions， we provided the studying direction on phytoremediation of soils contaminated by heavy metal.
Key words：heavy metals；phytoremediation；soil
随着我国经济社会的发展，尤其是工业的不合理发展，给环境造成了巨大的压力，重金属污染变得严重。如果农作物生长在被污染的土壤中，会通过食物链直接影响人类的健康。因此，面对比任何一个国家都严峻的污染现状，需要找到治理污染方法和解决污染的思路。
1土壤重金属污染的严重性及常用治理方法
土壤重金属污染途径包括自然方式和人类活动。自然方式主要是岩石的分化，人类活动主要是矿山开发、金属冶炼、农药等使用。
目前，重金属造成的环境污染已成为世界范围内的严重问题。工业化的发展， 干扰了自然平衡的生物地球化学循环，使得这一问题愈发的严重。对于生物来说，超过阈值的重金属浓度会产生不利影响，并干扰正常运转的生物系统。植物在重金属胁迫下，其根系生长受到影响，细胞膜透性增大，植物抗氧化酶系统和光合系统遭到破坏，并对基因产生毒害。与有机物质不同，土壤重金属基本上不可降解，会在环境中不断累积，导致土壤质量下降，农作物减产和农作物品质下降。另外，由于生物的富集作用，土壤重金属最终还可能通过食物链进入人体，其潜在危害极大。因此，重金属污染具有隐蔽性，毒性大，长期性和不可逆性的特点。仅在中国就有2.88×106 hm2土地由于矿山开采而遭到污染破坏，并以平均每年46 700 hm2的速度在不断增加，最终导致水土流失、异地污染等环境问题，这些遭到污染破坏的土地几乎完全没有植被的覆盖[1]。
为了减少重金属污染对生态系统的影响，必须对已经污染的土壤进行治理。治理方法要综合考虑成本以及技术，因此非常具有挑战性。目前不同的物理、化学和生物方法已被用于此。传统的治理方法包括土壤焚烧、挖掘和填埋、土壤清洗、土壤冲洗、凝固和电固定[2-3]。由于物理和化学方法受到成本高、劳动力大、土壤改变的不可逆性、本地菌群等因素的制约，以及可能产生的二次污染，因此有必要研究成本低、效益高、环境友好的治理土壤重金属污染的方法。植物修复被认为是一个可供选择的治理重金属污染问题的新型的绿色方法。
2土壤重金属污染的植物修复技术
2.1土壤重金属植物修复的概念
植物修复是指利用植物和相关的土壤微生物来减少土壤中污染物浓度或毒性的方法，它是一种新型、高效、低成本的土壤重金属污染修复技术，具有就地适用的特点，是一种以太阳能驱动来整治的策略。植物修复不会影响表土，因此可以提高土壤肥力。
绿色植物必须具有摄取环境污染物和通过各种机制实现其解毒的巨大能力。相对于其它修复措施，植物修复具有较低的实施和维护成本。植物修复的成本比其它治理方法少5%[4]。同时，植被修复作用于土壤污染的方法，也有助于防止金属进一步侵蚀和浸出。
2.2土壤重金属植物修复的实验指标
植物修复的核心技术在于超富集植物的选取，主要要用野外调查采样和温室栽培的方法，并对植物进行测量和分析。野外调查采样主要目的是选择植物和采集备用土壤。通过配置不同梯度的重金属土壤浓度，进行栽培，测量植物的生长情况，测定是否为超富集物种。
技术指标包括以下几个方面的内容：①萌发率和存活率：在植物生长初期重金属对植物的影响作用。②生理指标的测定：株高、茎粗和叶绿素含量，酶活性、丙二醛、脯氨酸等生理指标，可以了解重金属对植物生理活动的影响。③重金属耐性范围：超富集植物对重金属浓度的耐性不是无限的，而是在超过一定限度后，如同其他植物一样会表现出重金属的毒性。确定重金属的耐性范围，有利于植物更好地应用于现实的污染土壤中。④植物体中的金属含量：包括植物根茎叶中的重金属含量，确定了富集重金属的有效植物组织，便于进一步优化选择超富集植物。⑤生物重金属富集系数：反映植物对重金属富集程度的高低或富集能力的强弱。BCF=Cp/Cs，其中，Cp为植物地上部分重金属含量，Cs为沉积物中重金属含量。重金属富集系数是指植物某一部位的元素含量与土壤中相应元素含量之比，它在一定程度上反映着沉积物与植物系统中元素迁移的难易程度，说明重金属在植物体内的富集情况。
2.3土壤重金属植物修复的选取原则
在重金属污染土壤中，植物提取重金属是主要和最有用的植物修复技术。植物修复的效率取决于许多因素，如土壤性质、重金属的形态和植物物种等。适合植物提取植物最好应具备以下特点：①较高的生长速度；②具有良好的地上生物量；③广泛分布和高度支化的根系统；④对土壤中的多种目标重金属积累；⑤累计重金属向地上的易位；⑥对目标重金属毒害作用的抗性；⑦良好适应环境适应能力；⑧抗病原体和害虫；⑨易栽培和收获方便；⑩排斥食草动物，以避免食物链的污染。
一种植物的修复潜力，主要受两个关键因素决定，富集的金属浓度和产生的生物量。两种不同的方法已经测试植物修复重金属：①使用超富集的，即产生相对较少的地上生物量但积累目标重金属到更大的程度。②其它植物，其积聚重金属程度低，但产生更多的生物量，整体的重金属积累量与超富集植物的累积量相当。Chaney等人研究发现，在植物修复中超积累和超抗性比高生物量更重要[5]。因为利用超富集植物会产生丰富的金属和低体积的生物量，在金属回收和无害化处理时，是经济的和易于处理的，相反，使用非富集植物将产生一个低浓度金属富集体，比较大的生物量在回收处理时不经济。如果植物提供了一个增长期多次收获，如三叶草属，可能在植物修复重金属方面具有巨大潜力[6]。与灌木和乔木相比，草具有较高的生长率，较强的环境适应能力，较高的生物生长量等[7]。一些研究人员利用作物（如玉米，大麦）进行植物修复重金属[8-9]，当然重金属污染程度都需要降低到污染可接受的水平，作物修复的缺点是可能使食物链受到影响。目前，探索新的超富集植物依然是热点。
3超富集植物的研究
3.1超富集植物的概念
超富集植物成为植物修复技术比较重要的研究内容，指可以在重金属土壤上生长并在组织器官中积累大量重金属，其富集水平远超过大多数物种的平均水平，并且没有表现出重金属毒害症状的植物。超富集植物的三个基本特征：对重金属吸收能力强，吸收速率快和更大的叶中重金属解毒和隔离能力[10]。超富集植物一般对重金属元素的吸收具有专一性，但也有少数超富集植物可同时超富集两种或多种元素[11]。
1583年意大利植物学家Cesalpino第一次发现黑色岩石上生长的特殊植物，这是对超富集植物最早的认识和报道，此后陆续发现一些具有富集重金属特性的植物[12]。1977年Brooks首次提出超富集植物的概念[13]，1983年Chaney提出利用超富集植物消除土壤重金属的思想[14]。随后超富集植物研究增多，约450种被子植物已经确定为超富集重金属的植物（砷，镉，钴，铜，锰，镍，铅，锑，硒，铊，锌），占所有已知物种的比例小于02%[15]。不过，随着研究的进展，已有越来越多的超富集植物被科学家发现。因此可以推测，许多尚未确定的超富集植物可能依然存在于自然界。
3.2超富集植物试验成功的案例
超富集植物试验成功的例子比较多，本文着重对砷元素富集的植物进行研究总结。较早发现可以富集As的植物是陈同斌，1999年他发现超富集植物蜈蚣草的叶片含有高达5 000 mg·kg-1[16]。研究发现，蜈蚣草的羽片中最高可含有5 070 mg·kg-1。实验说明，蜈蚣草对As有很高的富集能力。Ma等人也有类似的研究发现，欧洲蕨对As具有很强的超富集能力。韦朝阳等发现了另一种可以富集As的植物大叶井口边草，其地上部分平均含As量为418 mg·kg-1 ，量高可含有694 mg·kg-1，其生物富集系数为13～48[17]。对于As富集的机制，Singh等研究蜈蚣草发现，As被吸收后主要富集在羽叶中，茎部在此过程中起着重要流通作用，当As浓度低时， As主要转移到幼叶中，当As浓度较高时，会将As转移到老叶中，这样就有效的降低As对植物本身的毒害程度[18]。因此，可以把As的这种重金属防御机制，叫做物理区域化防御机制，是一种很有效的解毒途径。富集As植物名录见表1。
3.3土壤重金属植物修复的不足
虽然超富集植物可以用于重金属污染的修复，但超富集植物的发现到真正的植物修复还有很长的路要走，因为重金属污染的植物修复存在一些固有的局限：①超富集植物更多时候只能在一种重金属污染中成长，两种重金属以上的复合污染无法生长；②大多数金属超富集植物生长缓慢，周期长，生物量小；③土壤中的金属离子难于和植物结合，限制了植物吸收重金属的效率；④修复的重金属浓度在低到中等水平，污染植物生长无法在重度污染的土壤；⑤本地超富集植物的选择会使食物链污染，存在潜在危险，而最初提出的植物修复必须使用本地物种；⑥超富集植物吸收重金属后，收获后无法及时处理；⑦超富集植物本身需要的光照、水分、土壤等，在现实条件中受到约束后甚至无法生长。
植物修复的研究和应用是一个相对较新领域，大多数的研究是在实验室和温室，仅有少数植物修复的效率研究测试在实际的条件下，实际条件下的结果与实验室或温室条件是不同的。因为现场条件是一个真实的世界，不同的因素同时发挥自己的作用，可能影响植物修复效率包括温度、营养、和水分，植物病原体，分布不均的污染物，土壤类型，土壤pH值，和土壤结构等。
4展望
针对已经做得实验，我们要注意重金属的植物修复效率，必须在现场条件下。实验研究要识别的所富集区域的性状，通过常规育种技术或通过使用杂交的新方法来增加富集重金属的含量。把不同富集植物的理想特性组合成一个单一的植物品种，最终实现植物修复的目的，或许可以通过基因工程，但是外源基因的表达前提必须是避免伤害生物圈。
尽管有许多挑战，植物修复仍然被认为是一个绿色的修复技术，并具有的巨大潜力。未来植物修复的方向为以下几个方面：①植物修复研究本质上是跨学科的，因此需要研究人员来自不同的背景，拥有土壤化学，植物生物学，生态学和土壤微生物学背景知识，以及环境工程的相关知识[37]；②植物的多样性，要求我们继续寻找新的有效的超富集植物；③转基因植物应用于植物修复中，需要同时建立转基因风险评估防止体系；④更多植物修复研究应选择在现实条件下。⑤更多的研究应该深入理解重金属、土壤、微生物和植物根系之间的相互作用；⑥重点分析植物组织中金属离子的积累和耐受性。
参考文献
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（责任编辑：郑京津）
摘要：植物修复技术被认为是治理重金属污染最为绿色的方法，因为此技术成本低、实施方便、无污染。超富集植物的研究是重金属污染植物修复的重点，然而一种植物由具有富集重金属特性到应用于现实的重金属污染修复并非易事。研究表明，在现实条件下，植物修复技术应用于治理土壤重金属污染中存在一些约束。本文系统地总结了目前超富集植物的研究方法和研究现状，通过分析超富集植物在现实条件下修复土壤重金属污染的不足，提出土壤重金属污染植物修复的方向。
关键词：重金属；植物修复；土壤
中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1004-3020（2016）01-0040-05
Abstract： Phytoremediation is considered to be the most green way to control heavymetal pollution， because the technology is low cost， easy to implement， and nonpolluting. Hyperaccumulator applied in phytoremediation is the focus of remediation of heavymetal pollution， but applyinging the heavymetal enrichment plant in the reality is not easy. A lot of research found that， under realistic conditions， there are some constraints on phytoremediation of soils polluted by heavy.We summarizes the studying methods and current status in hyperaccumulator. By analyzing the shortcomings on remediation on soils polluted by heavy metal by under realistic conditions， we provided the studying direction on phytoremediation of soils contaminated by heavy metal.
Key words：heavy metals；phytoremediation；soil
随着我国经济社会的发展，尤其是工业的不合理发展，给环境造成了巨大的压力，重金属污染变得严重。如果农作物生长在被污染的土壤中，会通过食物链直接影响人类的健康。因此，面对比任何一个国家都严峻的污染现状，需要找到治理污染方法和解决污染的思路。
1土壤重金属污染的严重性及常用治理方法
土壤重金属污染途径包括自然方式和人类活动。自然方式主要是岩石的分化，人类活动主要是矿山开发、金属冶炼、农药等使用。
目前，重金属造成的环境污染已成为世界范围内的严重问题。工业化的发展， 干扰了自然平衡的生物地球化学循环，使得这一问题愈发的严重。对于生物来说，超过阈值的重金属浓度会产生不利影响，并干扰正常运转的生物系统。植物在重金属胁迫下，其根系生长受到影响，细胞膜透性增大，植物抗氧化酶系统和光合系统遭到破坏，并对基因产生毒害。与有机物质不同，土壤重金属基本上不可降解，会在环境中不断累积，导致土壤质量下降，农作物减产和农作物品质下降。另外，由于生物的富集作用，土壤重金属最终还可能通过食物链进入人体，其潜在危害极大。因此，重金属污染具有隐蔽性，毒性大，长期性和不可逆性的特点。仅在中国就有2.88×106 hm2土地由于矿山开采而遭到污染破坏，并以平均每年46 700 hm2的速度在不断增加，最终导致水土流失、异地污染等环境问题，这些遭到污染破坏的土地几乎完全没有植被的覆盖[1]。
为了减少重金属污染对生态系统的影响，必须对已经污染的土壤进行治理。治理方法要综合考虑成本以及技术，因此非常具有挑战性。目前不同的物理、化学和生物方法已被用于此。传统的治理方法包括土壤焚烧、挖掘和填埋、土壤清洗、土壤冲洗、凝固和电固定[2-3]。由于物理和化学方法受到成本高、劳动力大、土壤改变的不可逆性、本地菌群等因素的制约，以及可能产生的二次污染，因此有必要研究成本低、效益高、环境友好的治理土壤重金属污染的方法。植物修复被认为是一个可供选择的治理重金属污染问题的新型的绿色方法。
2土壤重金属污染的植物修复技术
2.1土壤重金属植物修复的概念
植物修复是指利用植物和相关的土壤微生物来减少土壤中污染物浓度或毒性的方法，它是一种新型、高效、低成本的土壤重金属污染修复技术，具有就地适用的特点，是一种以太阳能驱动来整治的策略。植物修复不会影响表土，因此可以提高土壤肥力。
绿色植物必须具有摄取环境污染物和通过各种机制实现其解毒的巨大能力。相对于其它修复措施，植物修复具有较低的实施和维护成本。植物修复的成本比其它治理方法少5%[4]。同时，植被修复作用于土壤污染的方法，也有助于防止金属进一步侵蚀和浸出。
2.2土壤重金属植物修复的实验指标
植物修复的核心技术在于超富集植物的选取，主要要用野外调查采样和温室栽培的方法，并对植物进行测量和分析。野外调查采样主要目的是选择植物和采集备用土壤。通过配置不同梯度的重金属土壤浓度，进行栽培，测量植物的生长情况，测定是否为超富集物种。
技术指标包括以下几个方面的内容：①萌发率和存活率：在植物生长初期重金属对植物的影响作用。②生理指标的测定：株高、茎粗和叶绿素含量，酶活性、丙二醛、脯氨酸等生理指标，可以了解重金属对植物生理活动的影响。③重金属耐性范围：超富集植物对重金属浓度的耐性不是无限的，而是在超过一定限度后，如同其他植物一样会表现出重金属的毒性。确定重金属的耐性范围，有利于植物更好地应用于现实的污染土壤中。④植物体中的金属含量：包括植物根茎叶中的重金属含量，确定了富集重金属的有效植物组织，便于进一步优化选择超富集植物。⑤生物重金属富集系数：反映植物对重金属富集程度的高低或富集能力的强弱。BCF=Cp/Cs，其中，Cp为植物地上部分重金属含量，Cs为沉积物中重金属含量。重金属富集系数是指植物某一部位的元素含量与土壤中相应元素含量之比，它在一定程度上反映着沉积物与植物系统中元素迁移的难易程度，说明重金属在植物体内的富集情况。
2.3土壤重金属植物修复的选取原则
在重金属污染土壤中，植物提取重金属是主要和最有用的植物修复技术。植物修复的效率取决于许多因素，如土壤性质、重金属的形态和植物物种等。适合植物提取植物最好应具备以下特点：①较高的生长速度；②具有良好的地上生物量；③广泛分布和高度支化的根系统；④对土壤中的多种目标重金属积累；⑤累计重金属向地上的易位；⑥对目标重金属毒害作用的抗性；⑦良好适应环境适应能力；⑧抗病原体和害虫；⑨易栽培和收获方便；⑩排斥食草动物，以避免食物链的污染。
一种植物的修复潜力，主要受两个关键因素决定，富集的金属浓度和产生的生物量。两种不同的方法已经测试植物修复重金属：①使用超富集的，即产生相对较少的地上生物量但积累目标重金属到更大的程度。②其它植物，其积聚重金属程度低，但产生更多的生物量，整体的重金属积累量与超富集植物的累积量相当。Chaney等人研究发现，在植物修复中超积累和超抗性比高生物量更重要[5]。因为利用超富集植物会产生丰富的金属和低体积的生物量，在金属回收和无害化处理时，是经济的和易于处理的，相反，使用非富集植物将产生一个低浓度金属富集体，比较大的生物量在回收处理时不经济。如果植物提供了一个增长期多次收获，如三叶草属，可能在植物修复重金属方面具有巨大潜力[6]。与灌木和乔木相比，草具有较高的生长率，较强的环境适应能力，较高的生物生长量等[7]。一些研究人员利用作物（如玉米，大麦）进行植物修复重金属[8-9]，当然重金属污染程度都需要降低到污染可接受的水平，作物修复的缺点是可能使食物链受到影响。目前，探索新的超富集植物依然是热点。
3超富集植物的研究
3.1超富集植物的概念
超富集植物成为植物修复技术比较重要的研究内容，指可以在重金属土壤上生长并在组织器官中积累大量重金属，其富集水平远超过大多数物种的平均水平，并且没有表现出重金属毒害症状的植物。超富集植物的三个基本特征：对重金属吸收能力强，吸收速率快和更大的叶中重金属解毒和隔离能力[10]。超富集植物一般对重金属元素的吸收具有专一性，但也有少数超富集植物可同时超富集两种或多种元素[11]。
1583年意大利植物学家Cesalpino第一次发现黑色岩石上生长的特殊植物，这是对超富集植物最早的认识和报道，此后陆续发现一些具有富集重金属特性的植物[12]。1977年Brooks首次提出超富集植物的概念[13]，1983年Chaney提出利用超富集植物消除土壤重金属的思想[14]。随后超富集植物研究增多，约450种被子植物已经确定为超富集重金属的植物（砷，镉，钴，铜，锰，镍，铅，锑，硒，铊，锌），占所有已知物种的比例小于02%[15]。不过，随着研究的进展，已有越来越多的超富集植物被科学家发现。因此可以推测，许多尚未确定的超富集植物可能依然存在于自然界。
3.2超富集植物试验成功的案例
超富集植物试验成功的例子比较多，本文着重对砷元素富集的植物进行研究总结。较早发现可以富集As的植物是陈同斌，1999年他发现超富集植物蜈蚣草的叶片含有高达5 000 mg·kg-1[16]。研究发现，蜈蚣草的羽片中最高可含有5 070 mg·kg-1。实验说明，蜈蚣草对As有很高的富集能力。Ma等人也有类似的研究发现，欧洲蕨对As具有很强的超富集能力。韦朝阳等发现了另一种可以富集As的植物大叶井口边草，其地上部分平均含As量为418 mg·kg-1 ，量高可含有694 mg·kg-1，其生物富集系数为13～48[17]。对于As富集的机制，Singh等研究蜈蚣草发现，As被吸收后主要富集在羽叶中，茎部在此过程中起着重要流通作用，当As浓度低时， As主要转移到幼叶中，当As浓度较高时，会将As转移到老叶中，这样就有效的降低As对植物本身的毒害程度[18]。因此，可以把As的这种重金属防御机制，叫做物理区域化防御机制，是一种很有效的解毒途径。富集As植物名录见表1。
3.3土壤重金属植物修复的不足
虽然超富集植物可以用于重金属污染的修复，但超富集植物的发现到真正的植物修复还有很长的路要走，因为重金属污染的植物修复存在一些固有的局限：①超富集植物更多时候只能在一种重金属污染中成长，两种重金属以上的复合污染无法生长；②大多数金属超富集植物生长缓慢，周期长，生物量小；③土壤中的金属离子难于和植物结合，限制了植物吸收重金属的效率；④修复的重金属浓度在低到中等水平，污染植物生长无法在重度污染的土壤；⑤本地超富集植物的选择会使食物链污染，存在潜在危险，而最初提出的植物修复必须使用本地物种；⑥超富集植物吸收重金属后，收获后无法及时处理；⑦超富集植物本身需要的光照、水分、土壤等，在现实条件中受到约束后甚至无法生长。
植物修复的研究和应用是一个相对较新领域，大多数的研究是在实验室和温室，仅有少数植物修复的效率研究测试在实际的条件下，实际条件下的结果与实验室或温室条件是不同的。因为现场条件是一个真实的世界，不同的因素同时发挥自己的作用，可能影响植物修复效率包括温度、营养、和水分，植物病原体，分布不均的污染物，土壤类型，土壤pH值，和土壤结构等。
4展望
针对已经做得实验，我们要注意重金属的植物修复效率，必须在现场条件下。实验研究要识别的所富集区域的性状，通过常规育种技术或通过使用杂交的新方法来增加富集重金属的含量。把不同富集植物的理想特性组合成一个单一的植物品种，最终实现植物修复的目的，或许可以通过基因工程，但是外源基因的表达前提必须是避免伤害生物圈。
尽管有许多挑战，植物修复仍然被认为是一个绿色的修复技术，并具有的巨大潜力。未来植物修复的方向为以下几个方面：①植物修复研究本质上是跨学科的，因此需要研究人员来自不同的背景，拥有土壤化学，植物生物学，生态学和土壤微生物学背景知识，以及环境工程的相关知识[37]；②植物的多样性，要求我们继续寻找新的有效的超富集植物；③转基因植物应用于植物修复中，需要同时建立转基因风险评估防止体系；④更多植物修复研究应选择在现实条件下。⑤更多的研究应该深入理解重金属、土壤、微生物和植物根系之间的相互作用；⑥重点分析植物组织中金属离子的积累和耐受性。
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（责任编辑：郑京津）
