植物修復(fù)重金屬銅污染的研究進(jìn)展

＊畢玲麗 陳瑩 米瑪 施隆敏 崔小梅

（西藏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院 西藏 850000）

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，重金屬污染成為了我國當(dāng)今面臨的重要環(huán)境問題之一。其具有長期性、累積性、難降解和生物富集等特點，會對土壤、水體和空氣等環(huán)境要素造成嚴(yán)重的危害，引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境和人類健康問題，因此，尋找一種有效的污染治理方法顯得尤為重要。

植物修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)有效、操作簡單的特點，其中濕地植物由于其獨特的生態(tài)適應(yīng)性和富集能力，成為了近年來備受關(guān)注的治理方法之一。現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)大約721種超富集植物[1]，其中富集銅的植物包括蘆葦、菖蒲、苔草、蒿草類等54種[2]。研究表明蘆葦、香蒲、苣荬菜、播娘蒿、垂柳等植物對銅的富集能力較好，且蘆葦是其中富集能力最好的[3]。柳葉繡線菊對土壤中銅有較強的富集效應(yīng)，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1[4]；其他濕地植物如香蒲和美人蕉等，也表現(xiàn)出一定的富集能力，對銅轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為2.251和0.097[5]。

目前植物對吸收機(jī)制和過程的研究還待進(jìn)一步闡明，本論文結(jié)合銅的來源、危害，對植物富集銅的機(jī)制進(jìn)行闡述，表明了選擇合適的植物對修復(fù)Cu污染的必要性，為今后探索和研究不同類型植物的吸附提供理論支撐。

1.銅的來源與危害

（1）來源。銅的來源分為自然源和人為源。自然源即土壤母質(zhì)中含銅，人為源主要是由人類的生產(chǎn)活動所引起，包括礦物資源的開采、農(nóng)業(yè)活動、養(yǎng)殖業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)。

①礦物資源的開采。礦藏的開采是銅污染的重要來源。銅在自然界中以化合態(tài)存在，殘渣態(tài)是最穩(wěn)定的，不易被植物吸收，對環(huán)境的毒害小；有機(jī)態(tài)對土壤最重要，易被植物利用[6]。在多種環(huán)境因素的作用下，銅在采礦、運輸及冶煉的過程中，經(jīng)長期的自然氧化、酸化、雨水淋溶等被釋放進(jìn)入到周邊環(huán)境，造成危害。同時，開采過程中產(chǎn)生的金屬粉塵也是造成污染的來源之一。

②農(nóng)業(yè)活動。農(nóng)業(yè)活動中銅的來源與農(nóng)藥、肥料、除草劑使用以及廢水灌溉有關(guān)[7]。不合理使用農(nóng)藥導(dǎo)致銅在降雨和灌溉中隨著地表徑流或者地表水和地下水循環(huán)交換，對水資源造成污染，進(jìn)而導(dǎo)致更多的環(huán)境問題[8]。圖1為銅在環(huán)境因子與生物圈中的相互作用。

圖1 農(nóng)業(yè)活動中銅的遷移

③養(yǎng)殖業(yè)。養(yǎng)殖業(yè)為防病促生長會向飼料中添加大量銅鋅，高銅情況下除了能導(dǎo)致豬的代謝紊亂、增強胃潰瘍等[9]，還會隨著牲畜的糞便排出，作為有機(jī)肥料添加到土壤中進(jìn)而造成污染。牧業(yè)消毒殺菌所使用的波爾的主要成分是硫酸銅，當(dāng)硫酸銅劑量超過125mg/kg，波爾多液將會產(chǎn)生亞慢性毒性[10]。

④工業(yè)生產(chǎn)。作為一種豐富的自然資源，Cu具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等，被廣泛應(yīng)用于電、能源石化、輕工、新興工業(yè)等領(lǐng)域。在應(yīng)用過程中，產(chǎn)生“三廢”，“三廢”通過大氣沉降、廢液滲透、固廢接觸等途徑污染環(huán)境。

總之，不同來源產(chǎn)生的銅經(jīng)母巖變質(zhì)、大氣沉降、污水灌溉、固廢填埋等途徑進(jìn)入大氣、水、土壤，發(fā)生遷移變化。

（2）危害。銅是生物體必需的微量元素，能合成生物體生長發(fā)育所需的各種酶。人體中的銅主要作銅蛋白的原料，超過攝入量的銅會導(dǎo)致血紅蛋白變性，破壞細(xì)胞膜，抑制酶活性，影響正常的生理活動。早在19世紀(jì)末，就有研究表明銅有抗生育影響[11-12]，其原理分為兩部分：一是Cu2+抑制精子中的SH酶；二是Cu2+在宮腔內(nèi)溶蝕，增加宮頸粘液和宮內(nèi)膜Cu2+濃度，對受精造成抑制作用。銅(Ⅱ）還會增加患上阿爾茨海默病的風(fēng)險[13]。

銅還參與植物的新陳代謝，如光合作用的電子傳遞系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和細(xì)胞壁的合成[14]。不同含量的Cu會導(dǎo)致植物出現(xiàn)不同表現(xiàn)，高濃度銅會破壞DNA并使蛋白質(zhì)變性；含量低又無法達(dá)到穩(wěn)定葉綠體中葉綠素及其他色素的作用，從而使光合作用減弱。

銅對微生物的毒害作用是通過抑制細(xì)胞呼吸來影響其指示、自凈作用。胡蘭蘭的研究表明銅含量超過0.015mg/L時會抑制水體的微生物作用而導(dǎo)致水體的自凈作用下降[15]。此外，1mg/L和2mg/L的Cu2+會抑制SOUR和ttc-脫氫酶活性而降低污泥活性[16]。

2.修復(fù)機(jī)制

濕地植物達(dá)到修復(fù)銅污染的目的是通過植物的根部作用將土壤中的銅富集于地下部分并轉(zhuǎn)移到地上部分累積，通過收割植物地上部分，達(dá)到修復(fù)目的，如圖2所示。植物對銅污染的修復(fù)效應(yīng)是通過多種機(jī)制實現(xiàn)的，主要包括以下三方面：

圖2 植物修復(fù)銅污染技術(shù)原理圖

（1）植物穩(wěn)定技術(shù)。植物穩(wěn)定技術(shù)是一種原位降低金屬活動性、生物有效性的技術(shù)，通過植物的吸收或者根系分泌的特殊物質(zhì)，使銅鈍化，固定在根系周圍，防止其向水中土壤深層、地下水?dāng)U散。然而該技術(shù)處理的銅不會被植物所利用，隨著土壤條件的改變，仍有可能被復(fù)原[17]，重新危害環(huán)境。因此，植物穩(wěn)定技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

（2）植物提取技術(shù)。植物提取則是利用超富集植物的超量積累機(jī)制[18]。超富集植物對銅的積累量是在1000mg/kg以上，通過根部作用將銅轉(zhuǎn)移、貯存到植物地上部分，然后收割植物地上部分并集中處理。目前植物提取分為兩種，連續(xù)植物提取和螯合劑輔助的植物提取。連續(xù)植物提取主要依靠植物本身的吸收積累量，降低土壤中的銅含量；螯合劑輔助提取是通過螯合劑增加環(huán)境中銅濃度，促進(jìn)銅在植物體內(nèi)的運輸，增強植物地上部分的富集能力。但是需考慮螯合劑是否會帶來新的環(huán)境污染問題。

（3）植物根際微生物修復(fù)技術(shù)。微生物—植物—土壤形成的根際圈，能夠幫助增強植物的富集能力。翟海波[19]闡述了菌根真菌強化修復(fù)能力的機(jī)理：一是其菌絲的強吸附力能將銅固定在根內(nèi)或根外菌絲的細(xì)胞壁和原生質(zhì)層中，減輕危害；二是它的分泌物會改變土壤的pH、Eh、微生物的群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變銅的植物有效性，促進(jìn)根對銅的吸收。例如，球囊霉屬菌根真菌能促進(jìn)銀白楊的螯合蛋白和網(wǎng)格蛋白基因上調(diào)表達(dá)增強對銅的抗性[20]。

3.植物的選擇

在應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)時，關(guān)鍵在于選擇合適的植物。銅是植物所必需的微量元素，對植物的生長發(fā)育有“低促高抑”的效果。因此需考慮多種因素，如對環(huán)境的適應(yīng)能力、富集系數(shù)、生長周期及耐受力[21]；季節(jié)也是重要因素之一[22]。另有研究表明根系表面積和葉片生物量決定了蒸騰作用和總生物量，從而影響植物的修復(fù)效率[23]。此外，還要從美學(xué)上考慮是否具有觀賞性。植物修復(fù)銅污染具有經(jīng)濟(jì)、生態(tài)友好的優(yōu)點，但相對物理、化學(xué)修復(fù)方法而言效率較低，李春林[24]對礦山開采附近的土地進(jìn)行了植物修復(fù)，雖然銅等元素的平均濃度下降了20%以上，但植物修復(fù)周期長達(dá)八個月。總之，在選擇植物用于銅污染修復(fù)時，需要綜合考慮，以達(dá)到最佳效果。

4.結(jié)語

植物修復(fù)重金屬污染是一種綠色經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的治理方法，與物理化學(xué)方法相比，在處理重金屬污染方面具有許多競爭優(yōu)勢，僅依靠單一的植物修復(fù)，存在很多缺點。在未來的研究上，應(yīng)在其他技術(shù)和植物聯(lián)合修復(fù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展，深入研究聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點，可以從以下幾個方面加強植物修復(fù)的研究工作：

（1）選擇理想的植物。理想的修復(fù)植物包括兩類：一類選擇具有生物量大、品質(zhì)好、根系旺盛、目標(biāo)污染物積累多、抗逆性強等特點的植物；另一類篩選更高效的Cu超積累植物。在未來研究方向上，可以將重點放在細(xì)胞及分子水平上，通過轉(zhuǎn)基因手段培育高效富集植物。

（2）植物聯(lián)合修復(fù)方法。單一的植物修復(fù)方法受生長周期、富集系數(shù)、地理條件等的限制，采用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)能夠避免單一修復(fù)的局限性，提高修復(fù)效率。在今后的研究上，可以探索多種方法的共同修復(fù)，展開對化學(xué)藥劑—微生物—植物—電動[25]—材料聯(lián)合的創(chuàng)新研究。

（3）植物處理。為實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與發(fā)展經(jīng)濟(jì)有機(jī)統(tǒng)一[26]，要將植物處理與生物能源生產(chǎn)相聯(lián)系，實現(xiàn)生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)植物修復(fù)Cu污染這一過程的可持續(xù)發(fā)展，以及該方法在經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)發(fā)展。