土壤重金屬污染及植物修復技術

姜婧

（河北省保定生態環境監測中心，河北 保定 071000）

近年來，環境污染和生態破壞形勢日趨嚴峻，嚴重影響到人類的健康和生存，其中重金屬元素對環境的污染和破壞作用尤為嚴重，重金屬是一類毒性很大，具有潛在危害的無機及污染物，可在土壤和生物體內富集，造成土壤和農作物污染，對作物生長、產量和品質均有較大危害，特別是它們還能被作物富集吸收進入食物鏈，具有損害人和動物健康的潛在危險。這種污染的特殊性在于它不能被土壤微生物降解而從環境中徹底消除，當其在土壤中積累到一定程度就會對土壤-植物系統產生毒害和破壞作用，更為嚴重的是這種污染具有隱蔽性、長期性和不可逆的特點，且難降解、易積累、毒性大，是影響生態系統安全的一類重要污染物質，如世界著名的日本水俁病、骨痛病就是典型的例證。因此說土壤重金屬污染已成為全球面臨的一個嚴重的環境問題[1]。

由于重金屬不能被微生物降解，進入土壤后很難消除，且多為過渡元素，有可變的價態，在不同條件下其存在的形態和價態不一樣，其活性和毒性也不同。重金屬在土壤中容易生成氟化物、氫氧化物、硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽等形式的沉淀物，在土壤中累積，他們不易遷移也不易被生物吸收。但它們易作為中心離子與水、羥基、氨、有機酸等配位體生成配合物，也可能與土壤有機質中的某些分子形成螯合物，這些配合物和螯合物在水中的溶解度較大，易于在土壤中遷移和被植物或微生物吸收利用，在通過食物鏈進入人體。重金屬進入人體后，不易排泄，逐漸積累，當超過人體的生理負荷時，就會引起生理功能改變，導致急慢性疾病或產生遠期危害：(1)慢性中毒(2)致癌作用(3)致畸作用(4)變態反應(5)對免疫功能會產生影響。

本文對土壤中的重金屬的重金屬形態、生物有效性、污染評價方法以及土壤修復方法進行了總結和評述。

1 土壤中重金屬的形態及影響植物從土壤吸收重金屬的因素

1.1 土壤中重金屬的形態

土壤中重金屬離子形態的劃分方法有很多，但目前比較通用的劃分方法為Tessier的五分法，即將土壤中的重金屬分為離子交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機硫化物結合態、殘留態等5種形態：（1）離子交換態。離子交換態的重金屬在土壤環境中活性大，毒性強，易被植物吸收，也易被植物吸附、淋失或發生反應轉為其他形態。（2）碳酸鹽結合態。碳酸鹽結合態受土壤條件影響，對敏感值升高會使游離態重金屬形成碳酸鹽共沉淀，當值下降時易重新釋放出來進入環境。(3)鐵錳氧化物結合態。土壤中的鐵錳氧化物占有效態比例較大，正常情況下可利用性不高[2]。(4)有機硫化物結合態。有機硫化物結合態以重金屬離子為中心離子，以有機質活性基團為配位體的結合或是硫離子與重金屬生成難溶于水的物質，在氧化條件下，部分有機物分子會發生降解作用，導致部分金屬元素溶出，對環境可能會造成一定的影響。(5)殘留態。殘留態的重金屬與土壤結合最牢固。它的活性最小，毒性最小，幾乎不能被植物吸收，一般存在于硅酸鹽、原生和次生礦物等土壤晶格中。

1.2 影響植物從土壤吸收重金屬的因素

土壤-植物系統中影響重金屬生物有效性的因素很多，主要有土壤性質、重金屬的復合污染、有機質和根際環境等。

1.2.1 土壤性質

土壤的pH值主要是通過影響金屬化合物在土壤中的溶解度來影響重金屬行為。當土壤上升時，大部分微量元素通常會發生吸附作用或形成絡合物，土壤對重金屬的吸附量增加，重金屬的生物活性下降。此外，土壤的pH值會影響土壤膠體的荷電。通常，在酸性條件下土壤膠體帶正電，在堿性條件下帶負電，在等電點時膠體不帶電，pH值的改變會影響土壤膠體的電荷密度，導致其對金屬離子的吸附能力的變化[3]。

1.2.2 復合污染

復合污染是指兩種或兩種以上不同種類、不同性質的污染物，或同種污染物的不同來源，或兩種及兩種以上不同類型污染在同一環境中同時存在所形成的環境污染現象。土壤生態系統中的重金屬，在它們對生命組分發生危害后，其相互之間還要發生交互作用，導致其對生態系統的毒性發生改變。多種重金屬之間可能存在著加和拮抗或協同作用。

1.2.3 有機質的活化作用

有機質可改變溶液重金屬的存在狀態，或改變吸附體的表面性質而影響重金屬的吸附，能增加或抑制重金屬的吸附，或對吸附不產生明顯作用。有機質中的腐殖酸、富里酸等具有空間球狀結構，內部空隙中可大量吸附重金屬離子。有機質具有很強的鰲合能力，具有與金屬離子牢固鰲合的配位體[3]。

1.2.4 根際環境

根際是土壤或沉積物中受植物根系及其生長環境影響的微域環境。根際環境由于根分泌物作用的存在，致使其養分狀況、微生物等有異于土體，因而重金屬在根際環境中有其特殊的化學行為，重金屬在根際和非根際中的含量和分布也出現差異。一般認為，根際活動能活化根際中的重金屬，促進其生物有效性[4]。由于土壤-植物生態系統的復雜性，重金屬生物有效性的影響因素也很復雜。除了以上幾種因素外，由于重金屬的種類、濃度、元素組合、相對濃度比例等多種環境因素的影響，重金屬與養分元素交互作用，植物種類和生長特性，同種植物的不同部位吸收重金屬的能力，不同形態重金屬的生物有效性與植物吸收途徑等都有關系[5]。

2 植物修復方式和超積累植物的特性

2.1 植物修復方法

目前利用植物改良土壤環境的方法主要有根部過濾技術、植物萃取技術、植物揮發技術和植物穩定技術等4種。

2.1.1 根部過濾技術

通過耐性植物根系吸收重金屬并保持在根部。此法多用于水體污染修復。

2.1.2 植物萃取技術

又稱植物提取技術。重金屬經植物根系吸收后，繼而被轉移、貯存到植物莖葉，然后收割莖葉，從而達到去除土壤重金屬元素的目的[6]。植物萃取技術利用的是一些對重金屬具有較強富集能力的特殊超積累植物。

2.1.3 植物揮發技術

利用植物根系分泌的一些特殊物質或微生物使土壤中的污染物被植物吸收和轉化，以揮發狀態排出植物體外，從而去除土壤污染。植物揮發要求污染物被轉化后的毒性要小于轉化前的污染物質，以減輕環境危害。

2.1.4 植物穩定技術

植物穩定是利用耐重金屬植物降低土壤中有毒金屬的移動性，從而減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散，進一步污染環境的可能性[7]。植物在植物穩定中主要有兩種功能：一是保護污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來防止重金屬污染物的淋移。二是

通過金屬在根部積累和沉淀或根表吸附來加強土壤中污染物的固定。

2.2 超積累植物的特性

Vergnano首次測定植物葉片中含Ni量達7900g/kg；Brooks等在1977年首先提出重金屬超積累植物的概念。

超積累植物一般應具有以下特征：（1）即使在污染物濃度較低時也有較高的積累速率，尤其在接近土壤正常重金屬含量水平即非污染情況下，植株仍有較高的吸收速率，且須有較高的運輸能力（2）能在體內積累高濃度的污染物，對某種重金屬的累積量較普通作物多10～500倍以上（3）能同時積累幾種金屬（4）生長快，生物量大（5）具有抗蟲抗病能力。根據野外采集樣本的分析，全球大約發現了400種超積累植物，而最重要的超積累植物主要集中在十字花科。目前國外研究的最多的植物主要為蕓苔屬（Brassica）、庭芥屬(Alyssuns)及遏藍菜屬(Thlaspi)[8]。我國在這方面研究起步較晚，但也取得了一定的成果。

3 植物修復技術的發展趨勢

植物修復是一項處于迅速發展之中，具有廣闊應用前景的新技術“植物修復以太陽能為驅動能源，適用于中、低強度污染的治理，成本較低，具有良好的社會、生態、綜合效益。易被公眾所接受，特別適合在發展中國家使用。該技術的發展趨勢大致有以下幾方面：

（1）尋找、篩選和培育超積累植物，進行全國超富集植物資源調查，了解其分布并建立超富集植物的數據庫。（2）加強植物修復的實踐性環節，創建植物修復重金屬的示范基地，繼續對超富集植物的機理和作用進行研究。（3）基因工程的應用。目前，基因技術應用于植物修復才剛剛起步，但已有的成果表明基因技術將成為該領域研究的重要方向，有可能導致植物修復的革命性突破。其研究包括有價值基因的篩選、轉基因植物對環境的影響、轉基因植物遺傳性能等。(4)超富集植物體內重金屬的回收再利用。對于收獲物的處理上，研究的人較少，目前僅對灰分中重金屬含量為10%-40%的植物采用冶煉回收。對于不能回收利用的收獲物如何避免二次污染還需要進一步研究。（5）植物修復與傳統的物理、化學方法相結合的綜合技術的研究。電化學、土壤淋洗和植物提取法各有優缺點和適用范圍，若能將這些方法綜合應用于重金屬污染土壤的修復中，可能會獲得更好的處理效果[9]。

植物修復技術雖然還有很多方面需要深入研究，但其低耗費優點多的特點將使其在未來得到迅速發展并開拓出更為廣闊的應用前景。