植物联合修复土壤重金属污染的研究进展.pdf
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1、第42 卷第4期2023年8 月综述四川环境SICHUAN ENVIRONMENTVol.42,No.4August 2023D0I:10.14034/ki.schj.2023.04.044植物联合修复土壤重金属污染的研究进展秋源,樊丽,姚芸,熊骏,关杰(上海第二工业大学资源与环境工程学院,上海2 0 12 0 9)摘要:在工农业高速发展的现代,土壤重金属污染问题已成为全世界强烈关切的环保问题,寻找一种具有对环境友好,可以就地修复,成本低等优点的新型土壤修复技术尤为重要。由于植物联合修复技术具有低污染、价格低廉、操作简便等优势,已成为重金属环境污染土壤修复领域的研发热点。相较于单一植物修复技术
2、,植物联合修复重金属技术是一条较为合理的生态恢复路线。从植物一微生物、植物一电动、植物纳米材料、植物一化学药剂等方面介绍了植物联合修复技术的研究进展;总结了植物联合修复技术中各修复技术的优缺点及实际应用,并对该技术的研究方向提出了展望。关键词:重金属;植物修复;联合修复;土壤污染中图分类号:X53Research Progress on Phytoremediation of Heavy Metal Contaminated SoilsLU Qiu-yuan,FAN Li,YAO Yun,XIONG Jun,GUAN Jie(College of Natural Resources&Engin
3、eering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China)Abstract:In the modern era of rapid development of industry and agriculture,the problem of soil heavy metal pollution hasbecome an environmental protection problem of strong concern all over the world.It is particularly important to find a
4、 new soilremediation technology that has the advantages of environmentally friendly,can be repaired in situ,and has low cost.Due to theadvantages of low pollution,low price and simple operation,phytoremediation technology has become a research and developmenthotspot in the field of heavy metal conta
5、minated soil remediation.Compared with the single phytoremediation technology,thecombined phytoremediation technology is a more reasonable ecological restoration route.This paper introduced the researchprogressof combined phytoremediation technology from the aspects of plant microorganism,plant elec
6、tromotion,plant nanomaterials and plant chemical agents.The advantages,disadvantages and practical applications of various phytoremediationtechnologies were summarized,and the research direction of this technology was prospected.Keywords:Heavy metals;phytoremediation;remediation technology;soil poll
7、ution文献标识码:A文章编号:10 0 1-3 6 44(2 0 2 3)0 4-0 3 19-0 9引言随着制造业的蓬勃发展,由此带来的环境污染问题日益显现。其中,重金属会经由矿山、废物排放、污染灌溉等渠道直接流入自然界中,它在自然条件下很难被生物分解,重金属会在植物体内富集,再经食物链、食物网直接流人动物体内,最终影响人类正常生长发育。收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 7基金项目:国家自然科学基金项目(52 0 7 0 12 7)。作者简介:逐秋源(19 9 8),女,山东淄博人,上海第二工业大学资源与环境专业2 0 2 0 级在读硕士研究生,研究方向为土壤修复。通讯作者:樊丽,。
8、土壤重金属污染,是指重金属通过水解、沉降和各种生化反应进人周边土壤环境,从而使农田中的重金属化学物质浓度值超标,土壤理化特性出现变化,进而影响土壤生态功能和使用价值的过程。土地资源是人类生存与发展的基础,而土壤重金属污染则会带来重大的安全隐患,耕地中的重金属浓度超标会对粮油经济作物的新陈代谢系统产生恶性320危害,从而损害了农作物的品质。据统计,目前我国大约有2 0 万km的农田遭受不同程度的重金属污染破坏,每年因粮食污染造成的农业损失高达200亿元 。为了保障人们的健康安全以及农产品的达标生产 2 ,对土壤重金属污染治理已势在必行。问题在于土壤中的重金属类型多样且结构复杂,具有持久性、累积性
9、、隐蔽化、不可逆等不易攻克的特性,所以寻找一种经济环保的修复技术尤为重要。由于土壤颗粒及其组分可以对污染物产生吸附、分配、离子交换、络合等作用,所以土壤修复的难度和成本均较高。现存的修复技术包括物理、化学和生物方法。虽然这些技术被视为适合从环境中去除重金属,但它们很难大规模应用且价格昂贵,并且还会改变土壤性质 3 5。植物联合修复技术对于解决土壤重金属污染问题是一种绿色环保安全的修复方式。把植物修复技术和其他土壤修复技术结合,能够更好地溶解、吸附、转化在土壤中的各种重金属环境污染物 6 ,从而显著提高植物的修复能力,极大减少了土壤环境中的重金属含量。所以,运用强化植物修复技术进行恢复重金属污染
10、土地的应用前景很大。本文章系统地介绍了强化植物修复技术的基本技术原理,从植物微生物、植物电动、植物一化学药剂等方面系统综述了植物联合修复重金属污染土壤的研究现状,并力求为重金属污染土壤的生态恢复提出科学依据和理论支撑。1植物修复重金属污染土壤植物修复是2 0 世纪9 0 年代提出的概念,植物修复被认为是一种新兴的环境友好技术,可以从环境中去除重金属,其基础是植物能够从土壤中提取重金属,并将其生物累积到各个部位(根、茎、叶、花、果),使土壤重金属污染物减量化,而不会对土壤结构、肥力和生物活性产生不利影响 7 。生长在受污染土壤上的植物必须对各种重金属(一种或多种)具有一定程度的耐受性,并能产生大
11、量生物量,从而确保良好的植物修复效率。此外,当生长在聚集大量重金属的土壤上时,能够在其部分尤其是根和芽中积累大量重金属的植物被归类为超积累植物。这种生物修复方式既经济又环境友好,已经成为现代土壤修复研究热点。1.1植物修复土壤重金属污染的机理长时间暴露在重金属污染的环境中,绿色植物四川环境开始进化出一系列对重金属反应的抑制与解毒机制,使其能继续进行正常的生长、生理、新陈代谢等活动。植被对重金属反应的缓解与解毒机理,可分成如下几方面:植物挥发、植物提取、植物降解、植物固定 8 和根际圈生物降解(下图)。植物挥发是指植物从泥土中吸取污染物,并利用木质部运输污染物,使之转变为危害性相对较小、易挥发的
12、物质形式 9 ,这些挥发性物质随后被运输到叶子上并被蒸腾,随即排放到大气环境中的过程。Songl10等人研究了狗牙根对多环芳烃和镉共污染的土壤中多环芳烃的降解和镉的植物萃取能力,研究证明,狗牙根对重金属镉污染的土壤具有很大的植物修复潜力。植物提取或植物积累是指植株的根系通过从泥土中吸取污染物,把污染物带到地上部的根茎和叶中,并将污染物积累到地上部生物量中 1 的过程。巴里大学 12 根据植物提取的机理,研究了汞和铬污染土壤的植物提取技术。植物提取是最有效和公认的减轻土壤污染的植物修复策略。Ugya13等人研究了某些蔬菜的植物提取能力,结果表明,Cd 和Hg在蔬菜中的积累量很大。植物降解技术是指
13、利用植物组织中的新陈代谢过程分解有机污染物。有机污染物也可被植株根部所吸收,通过内部代谢过程,污染物被分解成简单的分子,可以并入植物组织中。植物可以通过生成具有特定功能的各种酶来催化有机污染物的降解,如硝基还原酶、过氧化物酶和脱卤酶 141。不同植物物种的具体降解途径不同,尚未完全了解。植物对重金属的吸收是通过根系进行的,根系具有非常大的比表面积,在那里也形成了耐受和对抗重金属毒性引起的胁迫的机制。根系通过对土壤中重金属的吸附及重金属在根际的沉积,限制了污染物在土壤中的流动的过程称为植物固定 15。在植被固定的过程中,植被也会改善土壤理化特性,从而促进了土壤中重植物挥发主要用于修复有机污染物(
14、直接植物挥发是植物通过类似蒸腾作用的机制吸收和转移污染物:间接植物挥发是指植物根系活动增加污染物的挥发性)植物提取污染物转移到植物可收获的部位植物降解利用植物的代谢作用及与其共生的微生物活动来降解有机污染物(污染物被分解或转化为毒性较小的形式)植物固定植物根系分泌物与污染物相互作用,使土壤污染物固定,吸附在根上,或在根际沉淀根系降解通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态,挥发出土壤和植物表面图植物修复机理Fig.Phytoremediation mechanism42卷4期金属的吸附与沉积。根际降解是根际微生物对根际有机污染物的分解。微生物通过其代谢过程在降解污染物方面起着主导作用。植物根
15、系使土壤疏松,为微生物生长提供附着面,并分泌酶、氨基酸、糖和其他可以刺激微生物代谢活动的化合物。由于根和根际微生物的相互作用对根降解的成功至关重要,因此通常使用一些根系生长茂盛的植物,如黑麦草和高羊茅等。Butar16等人研究了香根草对重金属污染土壤的修复情况,结果表明,经过2 8 d的修复,土壤中的铜浓度降低。1.2植物修复的影响因素植物修复技术受很多外界环境因素影响,如植物种类、土壤中重金属种类与浓度、营养物质的供给、pH值、温度及其他环境条件等。修复重金属污染土地的植物种类也相当繁多,不同植物种类对同一块土壤的修复效果都可能存在着较大差异(下表),但已有的植物修复实例表明,绿色植物对重金
16、属具有一定的吸收功能,转运系数超过1。科属禾本科黑麦草属黑麦草(Lolium perenne L.)高羊茅羊茅属(Festuca elata Keng ex E.Alexeev)狼尾草属(Pennisetum alopecuroides(L.)Spreng.)狗牙根狗牙根属(Cynodon dactylon(L.)Pers.)香根草属(Vetiveria zizanioides(L.)Nash)十字花科芸墓属印度芥菜(Brassica juncea)薪莫属遇蓝菜(ThlaspiarvenseL)凤尾蕨科凤尾蕨属蜈蚣草(Pteris.VittataL)秋源等:植物联合修复土壤重金属污染的研究进展
17、表常见的植物修复种类Tab.(Common types of phytoremediation植物种类重金属Pb分布于中国华中、华东及西南地区CuCdZnCd狼尾草CdCrCuPbCd香根草MnCuPbCdHgCdCrPbCdAsPb321冯敬云 17 等人以生物质高梁、甜高梁和麻为材料,研究了这3 种植物对Cd的富集特征,研究证明,生物质高梁和甜高梁地上部Cd的平均富集系数为2.8 6 和2.51,是有效治理重金属Cd污染土壤的理想选择。因此在植物修复过程中,植物筛选是十分关键的一步,有的植物根系对重金属的吸收率很高,但自身并不能适应高浓度的重金属,在重金属环境下不易成活;有的植物对重金属耐
18、受性很强,但对土壤重金属的修复效果不佳 18 植物种类的选择取决于几个因素,例如它们处理相关污染物的能力、对特定场地因素的适应性等。最常用的筛选因素还有对本地气候环境的适应性、植株根系生长程度、植株在现有土地类型中对重金属转化潜力、植物生长速度以及后续维护情况。研究证实,超积累植物对重金属的总吸收量比一般植物高出十倍以上 19 ,并且不会对植物本身的正常生长过程造成严重危害。因此,在植物修复过程中要既要考虑修复效果又要兼顾耐受性能。分布地区Shi Guang-Yu et al.(2020)20Ke Tan et al.(2021)21 Benyas Ebrahim et al.(2018)22
19、分布于中国广西、四川、贵州Mehdi Zarei et al.(2020)23Qin Dong et al.(2019)24)分布于中国东北、华北、华东、中南及西南各省区分布于中国黄河以南各省分布于中国江苏、浙江、福建、台湾、广东、海南及四川分布于印度、巴基斯坦等亚洲地区分布于中国全国各地分布于中国热带和亚热带文献来源He Lin et al.(2021)25Xiaofei Chen et al.(2020)26Lei Xu et al,.(2019 27 Chengcheng Xie et al.(2021)28XieYan et al.(2021 29 Hongsheng Liu et a
20、l.(2015 30Hongmei Cao et al.(2014 31Xueyan Yang et al.(2016)32Chengtao Huang et al.(2018 3Raj Deep et al.(2020)34Goswami Sunayana et al.(2015 35)Divan Hema et al.(2008)36 Jae-Min Lim et al.(2003 37)Monteiro Marta S et al.(2021)38Ruilun Zheng et al.(2021)39Wang Dong et al.(2021 40)Patarika Soongsomba
21、t et al.(2009)41)322续表科景天科景天属东南景天(Sedumalfredi)茄科茄属香蒲科香蒲属香蒲(Typha orientalis Presl)四川环境属植物种类龙葵(Solanum nigrum L.)42卷重金属分布地区分布于中国广西、广东、台湾、Cd福建、贵州、浙江至江苏宜兴ZnCdCrCuCd文献来源Xiao Wendan et al.(2017)42Shen Li-bo et al.(2010)43分布于中国全国各地Jiying Zou et al.(2021)44Siqi Wang et al.(2015)45分布于中国全国各地Jiang Wei et al.
22、(2020)46)Fengyong Wang et al.(2011)47在利用植物修复重金属污染土壤的过程中,重金属的理化性质及浓度对修复效果也有影响。当重金属浓度超过一定的限值,植物生长会受到抑制,从而直接影响修复效果。例如,白哲 48 等人研究了黑麦草在Cd-Zn复合胁迫的修复效果。研究证明,土壤中Cd、Zn 浓度与黑麦草中的重金属含量呈正相关,在Cd浓度为10 0 mg/kg时,黑麦草地上部分及根系的重金属浓度较对照组分别增加96.06%、9 8.2 5%。在植物修复中,重金属种类及浓度都会对修复效果产生直接影响。不同植物种类对重金属的耐受限度也不同,所以在进行修复之前要对污染场地的重
23、金属种类及理化性质和浓度调查清楚,选择最合适的植物种类,达到理想的修复效果。对植物修复技术来说,土壤理化性质及外界环境也是影响修复效果的重要因素。重金属进人土壤后,通过吸附、络合等过程会产生不同形态的重金属,重金属形态分布受土壤pH影响,而植物修复过程中植物吸收的重金属大多为可交换态重金属,因此土壤pH是影响修复效果的一个重要因素。对植物生长来说,土壤含水率十分重要,土壤水分含量过低时,植物生长受到抑制,并且根际土壤酶活性受到影响,会使得植物对重金属的富集含量减少,进而影响修复效率。除此之外,温度等外界条件超过一定的限度会对植物生长产生抑制作用,影响植物生物量,导致修复效率较低。因此,在植物修
24、复的实际应用中,要控制和调节修复过程的环境条件,使修复效果达到最佳。1.3植物修复技术的优缺点从上述植物修复技术的机理及应用可以看出,植物修复具有高效、廉价、环境友好的优点。植物修复不需要挖掘和重新安置土壤,因此不需要额外的处理地点,可以最大限度地减少对生态系统干扰。植物在不破坏表层土壤的情况下处理受污染的土地,从而保持或提高土壤的效用和肥力。植物修复的成本远低于其他修复方法,据估计其成本仅为其他策略的10%15%49 。此外,植物修复可提供额外的环境效益,如提供动物栖息地和净化空气。然而,植物修复技术也存在一定的局限性。首先,与其他修复方式相比,用植物修复重金属污染土壤需要较长的时间。因为植
25、物根长有限,植物只能清除土壤或地表附近的污染物,所以植株的提取能力有限。由于植株的生长受许多因素的影响,如天气条件、水温、盐分、土壤pH、有机质浓度、土壤微生物以及重金属含量,一般不能将污染物全部去除或是去除效果不稳定,在很多情况下重金属去除率不如其他修复方法。李春林 50 等人对矿山开采附近的土地进行了植物修复,重金属Pb、C r、Cu、Zn 的平均浓度都下降了2 0%以上,但植物修复周期为八个月。其次,如果管理人员没有病虫害防治及育种知识,以及在管理时有任何不良行为,吸收有毒物质的植物可能会污染食物链。上述不可避免的局限促使研发人员要对传统的植物修复方式加以改良,以最大限度地降低上述局限,
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