鎘污染土壤植物修復技術研究進展

熊梓燁，廉晶晶,2,皮 文，張宗磊，何征飛，馮佳冉

(1.長江大學 資源與環境學院，湖北 武漢 430100；2.濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434000)

1 引言

土壤中污染物來源主要包括自然成因和人類活動[1]。目前我國土壤污染主要可分為土壤病原微生物污染、土壤有機物污染、土壤重金屬污染和土壤放射性污染四類[2]。

2014年公布的首次全國土壤污染狀況調查情況中，重金屬污染的總超標率達到了16.1%[2]，多分布在工業區、重污染企業用地、采礦區等。據估計，我國約有1/5的耕地土壤受到重金屬污染，近2000萬hm2。土壤重金屬污染主要來自農藥與化肥的使用、城市生活垃圾的排放、“三廢”(工業生產中廢氣、廢渣、廢水的排放)、礦山的開采冶煉等[3]。對于土壤而言，重金屬污染具有停滯性、積蓄性、隱蔽性和不可逆性，且能夠通過食物鏈富集，危害人體健康，因此世界各國均高度重視土壤污染問題并積極展開防治[4，5]。

土壤重金屬污染的主要元素包括Hg、Cd、As、Co、Cr、Zn、Cu、Mn、Ni、Pb等，通常情況下為幾種重金屬的復合污染。其中，鎘污染最為嚴重[6，7]

1.1 土壤中鎘污染現狀

首次全國土壤污染狀況調查表明,全國土壤環境總體情況不佳,鎘的點位超標率最高，超過11個省、25個區的土壤都存在鎘富集的問題，40%以上的重金屬復合污染的土壤被鎘污染，且北方地區鎘濃度低于南方地區[8，9]。從數據分析來看，我國土壤中的鎘污染情況已經十分緊迫，嚴重影響了我國農業發展的可持續性。

1.2 不同形態鎘的毒性

鎘元素作為典型的重金屬污染元素之一，毒性的強弱與總量和賦存形態密切相關[10]。隨著土壤環境條件的變化，鎘通過溶解、沉淀、絡合、凝聚、吸附等一系列化學反應，在不同形態之間相互轉化，在一定條件下處于相對平衡[11]。根據Tessier分類法，鎘的形態可分為碳酸鹽結合態、可交換態、有機結合態、殘渣態和鐵錳氧化態5種形態。在土壤中可交換態鎘的生物利用度高，易于被生物吸收利用且移動性強，具有較強的毒性[12]。

碳酸鹽與重金屬發生沉淀反應后形成碳酸鹽結合態。在大部分石灰性土壤中，碳酸鹽結合態的鎘占主導地位。由于其對pH值變化敏感，遇酸釋放后，對生物產生毒害作用[13]。

當重金屬以離子鍵的方式結合在土壤中或包裹于沉積物的外表面時形成鐵錳氧化態。該形態性質穩定，不易被釋放到土壤中[14]。

重金屬與礦物成分結合后形成殘渣態。該形態不易遷移和轉化，同時難以被植物利用,是5種形態中最穩定的形態。因此殘渣態的鎘是不具有生物有效性的鎘[15]。

1.3 鎘對環境的危害

鎘雖然是常見的重金屬，但并不是植物生長過程中必需的元素。當鎘達到一定濃度時，會對植物的生長發育與生理活動產生影響。研究表明:土壤中過量的鎘會使植物葉綠素含量降低，減弱光合作用，進而影響根系的發育，造成植物的生理功能障礙。與此同時，重金屬離子能夠通過食物鏈富集進入人體內，損害人的正常生理功能，最終致畸致癌[16，17]。

研究表明:鎘的臨界濃度隨著土壤類型和植物類型的變化而變化。當鎘濃度超過一定范圍，出現種子萌發和幼苗的生長受到抑制、根系活力降低、葉片縮卷發黃等現象[18]。同時，植物的光合作用和蒸騰作用等生理活動會受到不同程度的抑制，細胞膜通透性也會受到影響。由于鎘離子會減少植物體中葉綠體的含量，損傷植物體內的光合系統，使得幼苗生長量、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和氣孔限制值(Ls)均受到一定程度的抑制，且這種抑制會隨著鎘離子濃度的升高而加強[17]。隨鎘濃度的增加，過氧化物酶、丙二醛、超氧化物歧化酶的含量以及細胞膜的通透性也會相應提高[19]。

重金屬鎘通過空氣和食物鏈的富集進入人體并在人體內積累。當體內的鎘積累到一定水平后，多個器官會受到不同程度的損害。腎臟、骨骼都是鎘毒害的主要靶器官。鎘中毒后會損傷腎小球、腎小管的正常功能，影響骨骼的正常代謝。代表性病例表現為日本的“痛痛病”。同時，鎘也影響人類的生長發育和生殖。研究表明:當嬰兒暴露在鎘環境時，嬰兒的身長、頭圍、體重與比正常胎兒更低，視覺聽覺、動作、語言均受到影響[20，21]。

2 鎘污染土壤的修復技術

重金屬污染的3種治理方法包括化學修復、生物修復、物理修復。目前主要利用兩種方法進行土壤的重金屬修復：一種是利用超累積植物的富集作用將土壤中重金屬元素轉移到植物體內，然后將所富集的重金屬重新利用，達到降低土壤中重金屬濃度的目的。另一種方法是將土壤中活躍形態的重金屬轉化為較穩定形態的重金屬，達到降低其生物利用度，減弱毒性的目的[16]。

2.1 物理修復

常見的物理修復方法有換土法、土壤蒸汽浸提修復、電動修復、客土法等。缺點是成本高，耗費人力[22]。

2.2 化學修復

化學修復主要包括光催化降解技術、土壤固定技術、氧化—還原技術、淋洗技術等[23]。雖然該方法修復效率高，但修復過程中容易造成二次污染，一直是較難解決的問題。

2.3 生物修復

生物修復具有成本低，對環境影響小的優點。其包括植物修復技術、動物修復技術、微生物修復技術等。但修復周期比較長，適用于增強自然衰減過程[24]。

3 鎘的植物修復技術

植物修復是指利用超累積植物的富集作用將土壤中的重金屬污染物進行轉移、轉化、容納到植物體內，使污染物減量化、穩定化，降低毒物質濃度，進而達到修復污染土壤的目的[25]。

相較而言，植物修復利用植物根系和莖葉固定、吸收、轉移、轉化并降解大氣、土壤、水中的污染物[26，27]，修復方法更簡單，成本更低。在有效減少二次污染的同時，還能美化環境，帶來一定經濟效益[28，29]。

3.1 超累積植物

目前已經發現的能修復鎘污染土壤的植物有龍葵[30]、遏藍菜[31]、青葙[32]、印度芥菜[33]等(表1)。

表1 常見鎘的超累積植物

3.2 植物修復輔助技術

由于重金屬形態復雜多變，植物難以吸收等方面的制約，植物修復的效率略顯低下，因此，利用聯合修復來提高植物修復的效率是目前植物修復的重點，常見處理方法如下。

(1)通過改良農藝科學技術提升植物的生物量和富集能力。

(2)植物微生物聯合修復：近年來，內生菌聯合植物修復案例曾被多次報道[38～40]。在植物修復時，通過接種耐受性強的微生物菌株，能很大幅度地降低重金屬鎘的毒性[41]。Repetto等研究表明叢枝菌根可以增加豌豆對鎘的耐受性和富集量[42]。

(3)基因工程強化修復技術。主要是將可強化修復的基因片段導入植物DNA內，進而強化該表達的修復技術。如Gisbert[43]等通過在煙草植株體內導入小麥 TaPCSI 基因來提升其生物量。

(4)化學改良劑聯合植物修復。利用螯合劑可以與土壤重金屬發生鍵合/螯合作用的原理，使重金屬從不溶態轉變成可溶態，形成水溶性的金屬-螯合劑絡合物，進而提高植物修復重金屬的效率[37]。

4 討論與展望

雖然植物修復技術有著諸多優點，但依然面臨著許多難題，如大部分植物修復還存在于實驗階段、植物對金屬的耐受性單一、修復周期較長、可用于修復植物種類有限、超積累植物生物量低、植物聯合修復技術成熟度不夠等。除此之外，對于復合型重金屬污染土壤，植物修復有可能會活化其它重金屬元素，提升土壤的潛在風險[44,45]。

從長遠來看，植物修復技術有著很好的前景，對環境的可持續發展及土壤功能的正常發揮起著重要作用。未來展望主要包括以下幾個方面[40]：①加強對新超富集植物的發現與篩選力度；②利用現代生物學手段和基因工程技術提升超富集植物對重金屬的耐性和富集能力；③與其它修復技術聯用；④深入研究植物富集重金屬的分子機制；⑤合理利用富集重金屬后的植物材料[44,46]。

植物修復技術在我國仍處于發展階段，合理應用植物修復來推動經濟發展是一條雙贏的道路。修復環境的同時，如何兼顧經濟的發展是值得我們思考的問題。