據估測, 目前中(zhōng)國(guó)受污染的耕地面積近2000萬hm 2, 約占耕地總面積的五分(fēn)之一, 其中(zhōng)工(gōng)業“三廢”污染1000萬hm2 ,農田污灌面積已達130 多(duō)萬hm2。每年因土壤污染而減少的糧食産(chǎn)量高達1000萬t, 直接經濟損失達100多(duō)億元。土壤重金屬污染源包括“三廢”的排放, 礦山(shān)的開采和冶煉, 化肥和農藥的施用(yòng), 城市生活垃圾的排放, 污水灌溉和污泥農用(yòng)等。導緻土壤污染的重金屬主要包括A s、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、M n、N i、Pb、Zn 等, 一般為(wèi)幾種重金屬的複合污染。
重金屬污染土地的治理(lǐ)大緻有(yǒu)客土法、石灰改良法、化學(xué)淋洗法等。這些方法在污染土壤的改良和治理(lǐ)方面雖然具(jù)有(yǒu)一定的理(lǐ)論意義, 但在實際應用(yòng)上往往都存在某些局限。如加入土壤改良劑的沉澱法雖然在一定時期内可(kě)以降低土壤溶液中(zhōng)重金屬離子的溶解度, 但同時卻會導緻某些土壤營養元素的沉澱; 淋洗法會同時造成營養元素的淋失; 客土法雖效果較好, 但費用(yòng)昂貴, 難以大面積工(gōng)程推廣。近年來發展起來的植物(wù)修複技(jì )術以其安(ān)全、廉價的特點正成為(wèi)研究和開發的熱點, 以美國(guó)環保局公(gōng)布的Phyto remediat ionbibiliography 為(wèi)例①, 1977年有(yǒu)關文(wén)獻僅7篇, 到1997年已增長(cháng)到每年214 篇。美國(guó)、英國(guó)都設立了植物(wù)修複公(gōng)司, 如美國(guó)的Edenspace 公(gōng)司, 專門從事土壤、水體(tǐ)重金屬和放射性元素的植物(wù)修複商(shāng)業化工(gōng)作(zuò), 而國(guó)内尚未系統開展這方面的工(gōng)作(zuò)。
1 植物(wù)修複技(jì )術的産(chǎn)生與發展
1583年意大利植物(wù)學(xué)家Cesalp ino 首次發現在意大利托斯卡納“黑色的岩石”上生長(cháng)的特殊植物(wù), 這是有(yǒu)關超富集植物(wù)(Hyperaccumulato r) ① 的最早報道。1814 年Desvaux 将其命名(míng)為(wèi)A ly ssum bertolonii (庭荠屬) , 1848 年M inguzzi 和V ergnano 首次測定該植物(wù)葉片中(zhōng)(幹重) 富含Ni達7900Lgö g (0179% ) 。以後的研究證明這些植物(wù)是一些地方性的物(wù)種, 其區(qū)域分(fēn)布與土壤中(zhōng)某些重金屬含量呈明顯的相關性。這些植物(wù)作(zuò)為(wèi)指示植物(wù)在礦藏勘探中(zhōng)發揮了一定的作(zuò)用(yòng)。在中(zhōng)國(guó), 利用(yòng)指示植物(wù)找礦的工(gōng)作(zuò)也開展較早,如在長(cháng)江中(zhōng)下遊安(ān)徽、湖(hú)北的一些銅礦區(qū)域分(fēn)布的E lsholtz ia harchow ensis Sun (海州香薷, 俗稱銅草(cǎo)) 在銅礦勘探中(zhōng)發揮了重要作(zuò)用(yòng)。重金屬污染土壤上大量地方性植物(wù)物(wù)種的發現促進了耐金屬植物(wù)的研究, 同時某些能(néng)夠富集重金屬的植物(wù)也相繼被發現。1977 年, B rook s 提出了超富集植物(wù)的概念; 1983 年Chaney 提出了利用(yòng)超富集植物(wù)清除土壤重金屬污染的思想。随後有(yǒu)關耐重金屬植物(wù)與超富集植物(wù)的研究逐漸增多(duō), 植物(wù)修複作(zuò)為(wèi)一種治理(lǐ)污染土壤的技(jì )術被提出, 工(gōng)程性的試驗研究以及實地應用(yòng)效果顯示了植物(wù)修複技(jì )術商(shāng)業化的巨大前景。
2 超富集植物(wù)的特點及其地理(lǐ)分(fēn)布
超富集植物(wù)是能(néng)超量吸收重金屬并将其運移到地上部的植物(wù)。通常, 超富集植物(wù)的界定可(kě)考慮以下兩個主要因素:①植物(wù)地上部富集的重金屬應達到一定的量; ②植物(wù)地上部的重金屬含量應高于根部。由于各種重金屬在地殼中(zhōng)的豐度及在土壤和植物(wù)中(zhōng)的背景值存在較大差異, 因此, 對不同重金屬, 其超富集植物(wù)富集濃度界限也有(yǒu)所不同。目前采用(yòng)較多(duō)的是Baker 和B rook s 1983[14 ]年提出的參考值, 即把植物(wù)葉片或地上部(幹重) 中(zhōng)含Cd 達到100Lgö g, 含Co, Cu, N i, Pb 達到1 000Lgö g,M n, Zn 達到10000Lgö g 以上的植物(wù)稱為(wèi)超富集植物(wù)。同時這些植物(wù)還應滿足S ö R > 1 的條件(S 和R 分(fēn)别指植物(wù)地上部和根部重金屬的含量)。
目前, 世界上共發現有(yǒu)400 多(duō)種超富集植物(wù)。其中(zhōng)N i 的超富集植物(wù)277 種。他(tā)們分(fēn)布在世界少數幾個地區(qū)(表1～ 3)。
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唐世榮對中(zhōng)國(guó)長(cháng)江中(zhōng)下遊安(ān)徽和湖(hú)北境内的銅礦區(qū)富銅植物(wù)E lsholtz ia haichow ensis Sun (海州香薷)、Comm elina comm unis L inn (鴨跖草(cǎo)) 和R um exacetosa L inn (酸模) 進行了系統的調查研究, 發現酸模、海州香薷和鴨跖草(cǎo)樣本葉片含銅(幹重) 平均596、157 和102Lgö g。野外這些植物(wù)生長(cháng)的土壤上銅含量為(wèi)5 000～ 20 000Lgö g, 因此調查結果未能(néng)顯示這些植物(wù)特殊的超富集能(néng)力。應進一步開展這些植物(wù)在人工(gōng)馴化幹預下條件下的富集試驗, 深入揭示這些植物(wù)作(zuò)為(wèi)超富集植物(wù)應用(yòng)于植物(wù)修複的可(kě)行性。自1999 年開始對中(zhōng)國(guó)中(zhōng)南部一些煉砷區(qū)的植被和土地污染狀況進行了考察、采樣和室内盆栽試驗和化學(xué)分(fēn)析, 首次發現了一種A s 的超富集蕨類植物(wù), 其葉片含A s 高達5 000Lgö g (幹重, 未發表的數據)。同時, 調查還發現在砷污染嚴重區(qū)域生物(wù)種群極其單一, 這種超富集蕨類植物(wù)生長(cháng)非常繁盛, 呈族群分(fēn)布, 調查樣方内幾乎沒有(yǒu)其他(tā)植物(wù)生長(cháng), 每平方米收割的植物(wù)地上部鮮種可(kě)達316kg, 顯示其具(jù)有(yǒu)很(hěn)大的植物(wù)修複潛力。
而離開污染區(qū), 這種植物(wù)則很(hěn)少能(néng)成群分(fēn)布, 個體(tǐ)也小(xiǎo)的多(duō)。這些表明所發現的超富集蕨類植物(wù)具(jù)有(yǒu)特殊的耐砷毒能(néng)力, 在砷污染區(qū)處于競争優勢。目前正在進一步開展深入的研究工(gōng)作(zuò)。
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3 超富集植物(wù)吸收富集重金屬的機理(lǐ)
有(yǒu)關超富集植物(wù)吸收富集重金屬的機理(lǐ)仍不清楚。在重金屬脅迫下, 植物(wù)根系分(fēn)泌的低分(fēn)子量有(yǒu)機酸如檸檬酸、蘋果酸可(kě)與重金屬結合, 降低重金屬對植物(wù)的毒性, 促進植物(wù)對重金屬的吸收。Shen發現超富集植物(wù)T h lasp i caeru lesences (遏藍菜屬) 和非超富集植物(wù)T h lasp i och roleucum 地上部檸檬酸和蘋果酸含量相近, 不同濃度的Zn 處理(lǐ)對兩種植物(wù)的蘋果酸和檸檬酸含量影響也不顯著, 因此并不能(néng)認為(wèi)檸檬酸和蘋果酸在超富集植物(wù)中(zhōng)扮演特殊的作(zuò)用(yòng)。Kramer發現超富集植物(wù)T. caeru lesences 與組氨酸具(jù)有(yǒu)特殊的關系, 營養液培養顯示當植物(wù)吸收富集重金屬較高時, 其木(mù)質(zhì)素中(zhōng)的組氨酸含量也高; 而在營養液中(zhōng)加入組氨酸也能(néng)顯著促進植物(wù)對重金屬的吸收富集。有(yǒu)關超富集植物(wù)的耐性與富集機理(lǐ)則研究較多(duō), 結論普遍認為(wèi)超富集植物(wù)的耐性與超富集由植物(wù)本身不同的生理(lǐ)機制所控制。超富集植物(wù)超量吸收富集重金屬與其根部細胞具(jù)有(yǒu)與重金屬較多(duō)的結合位點有(yǒu)關, 而耐性則是由于重金屬在植物(wù)細胞中(zhōng)分(fēn)布的區(qū)域化相關,即重金屬存在與細胞壁和液泡中(zhōng), 從而降低其毒性。
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4 超富集植物(wù)吸收富集重金屬的特征
目前發現的超富集植物(wù)均為(wèi)在野外礦山(shān)開采或冶煉區(qū)發現的的品種, 一般土壤介質(zhì)中(zhōng)的重金屬含量較高, 盡管植物(wù)地上部含量可(kě)以達到一定高的含量, 但其生物(wù)富集系數(植物(wù)地上部重金屬含量與土壤重金屬含量的比值) 并不大, 大多(duō)數文(wén)獻報道也都忽略了對生物(wù)富集系數的探讨。實際上, 通過一些野生植物(wù)品種的人工(gōng)馴化栽培, 配合添加土壤改良劑, 可(kě)顯著提高植物(wù)對重金屬的吸收富集能(néng)力, 這些人工(gōng)馴化成功的植物(wù)也可(kě)以稱為(wèi)超富集植物(wù)。因此, 應特别注意對野外發現的一些重金屬耐性強、生長(cháng)快、生物(wù)量大并有(yǒu)一定的重金屬富集能(néng)力植物(wù)的篩選、引種培育和綜合試驗工(gōng)作(zuò), 而不能(néng)僅僅把範圍縮小(xiǎo)在少數富集能(néng)力特别高, 但往往生物(wù)量都很(hěn)小(xiǎo)的一些植物(wù)上。
目前的植物(wù)修複試驗基本上還處于試驗摸索階段, 大規模的工(gōng)程應用(yòng)較少。試驗研究主要分(fēn)為(wèi)營養液培養試驗和盆栽試驗。
B row n 等以7 組系列Zn/Cd 濃度處理(lǐ)T. careu lesences (Zn 超富集植物(wù))、S ilene vu lg aris (蠅子草(cǎo), Zn指示植物(wù)) 和L y cop ersicon ly cop ersicum L. (番茄, 非耐Zn 植物(wù)) , 結果L. ly cop ersicum L 1 在3. 16Lmo löL Zn+ 0. 063Lmo löL Cd 處理(lǐ)時生長(cháng)就受到嚴重影響, S. vu lg aris 在1000Lmo löL Zn+ 20Lmo löL Cd處理(lǐ)時出現枯萎, 而T. careu lesences 則分(fēn)别在10 000Lmo löL Zn 和200Lmo löL Cd 時也未曾出現生長(cháng)停止的現象, 表明T. careu lesences 對Zn 有(yǒu)較強的耐性。Shen 等發現溶液培養的T. careu lesences 地上部最大可(kě)吸收28 000Lgö g Zn (幹重) , 溶液Zn 處理(lǐ)濃度達1 000Lmo löL 時未出現明顯的受害症狀, 而對照的同屬植物(wù)T. och roleucum 在500Lmo löL 時即出現明顯損傷。研究還發現, 超富集植物(wù)T. careu lesences 的生長(cháng)需要富Zn 的土壤環境, 其生長(cháng)的土壤溶液Zn2+ 濃度是非超富集植物(wù)的10 000 倍。
Mo rrsion 等發現A ly ssum (庭荠屬) 中(zhōng)的11 種植物(wù)對N i 的吸收富集與泥炭培養基中(zhōng)N i 濃度相關性不大, 在30～ 10 000Lgö g N i 處理(lǐ)條件下, 6 周後有(yǒu)9 種植物(wù)葉片中(zhōng)N i 都達到了10 000Lgö g (幹重) , 顯示植物(wù)對N i 的主動吸收特征。Shen的研究結果也表明, 即使是在1Lmo löL 處理(lǐ)時, T. caruelesences 地上部富集的Zn 比一般植物(wù)仍高達10 倍, 而一般植物(wù)在這種濃度下已出現明顯的缺Zn 症狀, 表明超富集植物(wù)對重金屬具(jù)有(yǒu)特殊的吸收富集能(néng)力。T. caruelesences 的盆栽試驗結果表明在幾個不同pH 處理(lǐ)條件下, 除pH 5106 處理(lǐ)的農田土壤之外,其他(tā)情況下污染土壤上T. caruelesences 吸收的Zn、Cd 均遠(yuǎn)高于輕污染的花(huā)園土壤和對照農田清潔土壤,最高分(fēn)别達18455 Zn 和1 000Lgö g Cd (葉片幹重) , 植物(wù)對重金屬的濃縮指數也顯示T. caruelesences 比S.vu lg aris 和L. ly cop ersicum L. 有(yǒu)更強的将重金屬吸收運移到植物(wù)地上部的能(néng)力。
超富集植物(wù)對不同重金屬的吸收富集能(néng)力不同。Reeves 和Baker研究了由蛇紋岩(富Zn) 和石灰岩發育的土壤(不富Zn) 上生長(cháng)的植物(wù)T. caruelesences, 不同土壤上T. caruelesences 富集重金屬的能(néng)力均為(wèi)Zn> CdE Pb。植物(wù)将重金屬從根部運移到地上部的能(néng)力對不同重金屬也不相同。T. caruelesences 的S ö R值對于Co、M n、N i、ZnE 1, 對于A g、Cd、Mo 為(wèi)012～ 015, 對于A l、Cr、Cu、Fe、Pb 則為(wèi)01009～ 0108 , 顯示T. caruelesences 對Co、M n、N i、Zn 具(jù)有(yǒu)較強的吸收富集能(néng)力。
5 影響超富集植物(wù)吸收富集重金屬因素
5. 1 物(wù)理(lǐ)化學(xué)因素
不同土壤類型上的超富集植物(wù)吸收N i 能(néng)力不同, 以發育于砂岩、花(huā)崗岩土壤上的植物(wù)低, 而以發育于超基性岩土壤上的植物(wù)高。通常, 植物(wù)根系周圍土壤溶液中(zhōng)的重金屬含量是影響重金屬生物(wù)有(yǒu)效性的重要因素之一, 而其含量大小(xiǎo)受重金屬在土壤中(zhōng)的吸附- 解吸, 沉澱- 溶解和氧化- 還原平衡的控制。土壤pH 變化顯著影響耐重金屬植物(wù)對重金屬的吸收, 在不同pH 處理(lǐ)的受Zn、Cd 污染的花(huā)園和山(shān)地土壤盆栽試驗中(zhōng), T. careu lesences 吸收的Zn、Cd 量的大小(xiǎo)随土壤pH 下降而增加。
5. 2 營養元素的影響
一般植物(wù)受重金屬脅迫可(kě)導緻對Ca、P 吸收的抑制 , 野外發現的重金屬耐性植物(wù)或超富集植物(wù)具(jù)有(yǒu)耐重金屬、耐貧瘠、耐幹旱等多(duō)種特征。作(zuò)者發現的超富集蕨類植物(wù)對A s 有(yǒu)異常強的吸收富集能(néng)力, 這是傳統植物(wù)營養與植物(wù)生理(lǐ)學(xué)所無法解釋的現象, 因此從理(lǐ)論上開展這種植物(wù)對砷的吸收富集機理(lǐ)研究具(jù)有(yǒu)重要意義。A s 和P 具(jù)有(yǒu)相似的化學(xué)特性, 研究表明A s 幹擾植物(wù)對P 的代謝(xiè)途徑,A s 脅迫可(kě)導緻植物(wù)對P 吸收通道的關閉。楊居榮發現耐Cd 的甜菜與胡蘿蔔在對營養元素的吸收上呈現兩種不同的特征, 即耐Cd 的甜菜往往對Ca、M g、Zn、Fe 元素的吸收量大, 而胡蘿蔔則相反。研究發現重金屬Cd 能(néng)與植物(wù)蛋白質(zhì)結合形成特殊的Cd 蛋白, 據此提出了基于肽重金屬結合相的植物(wù)吸收運移與富集重金屬的假說 , 但這種假說還有(yǒu)待于實驗的驗證; 同時, 迄今為(wèi)止尚未發現其他(tā)重金屬元素蛋白, 因此這種假說的普适性也有(yǒu)待于檢驗。
5. 3 重金屬形态的影響
重金屬的吸附2解吸、溶解2沉澱和氧化2還原平衡決定着土壤溶液中(zhōng)重金屬的含量變化。在一定條件下, 呈吸附态和沉澱态的重金屬可(kě)以在土壤水溶液之間相互交換, 一般降低pH, 可(kě)使呈吸附态的重金屬解吸釋放進入土壤溶液中(zhōng), 從而增加植物(wù)對重金屬的吸收。但Harter指出, Pb、N i、Cu 在土壤中(zhōng)常以專性吸附态形式存在, 而Zn 則較多(duō)以非專性吸附态存在, 因此, 降低pH 并不能(néng)有(yǒu)效地增加植物(wù)對Pb、N i、Cu的吸收。增加土壤有(yǒu)機質(zhì)含量也可(kě)使部分(fēn)呈沉澱狀态的重金屬與檸檬酸和蘋果酸絡合, 轉化為(wèi)有(yǒu)機吸附态被植物(wù)吸收利用(yòng)。類金屬A s 的情況則完全相反,A s 在土壤中(zhōng)以陰離子形式存在, 增加pH 将使土壤顆粒表面的負電(diàn)荷增多(duō), 從而減弱A s 在土壤顆粒上的吸附作(zuò)用(yòng), 增大土壤溶液中(zhōng)的A s 含量, 植物(wù)對A s 的吸收增加[34, 35 ]。對于不同重金屬, 植物(wù)吸收與土壤重金屬總量及可(kě)交換态含量有(yǒu)不同的相關關系。較高和較低濃度下, T. careu lesences 吸收Zn 與土壤總量及交換态Zn 量均不相關; 吸收Pb 的量與總Pb 量呈正相關, 與交換态Pb 量不相關; 而吸收Cd 的量與總量及可(kě)交換态均呈正相關。植物(wù)對Cd 的敏感性可(kě)能(néng)是由于Cd在土壤中(zhōng)主要以可(kě)交換态及有(yǒu)機質(zhì)結合态形式存在, 其結合力較弱, 因而Cd 容易釋放到土壤溶液中(zhōng), 從而增加了土壤中(zhōng)的生物(wù)有(yǒu)效态Cd 的含量。
6 植物(wù)修複技(jì )術的應用(yòng)
廣義上的植物(wù)修複是指利用(yòng)植物(wù)(包括草(cǎo)、灌、喬) 去除污染土壤和廢水中(zhōng)重金屬的技(jì )術, 有(yǒu)時候又(yòu)稱生物(wù)修複或綠色修複。植物(wù)修複包括植物(wù)萃取、根際過濾、植物(wù)揮發和植物(wù)固定。其中(zhōng)最有(yǒu)前景的是植物(wù)萃取, 亦即通常所指的植物(wù)修複。Baker等在英國(guó)洛桑試驗站首次以田間試驗研究了在Zn 污染土壤(440Lgö g) 栽種不同超富集植物(wù)和非超富集植物(wù)對土壤Zn 的吸收清除效果。結果表明, 超富集植物(wù)T. caeulescens 富集Zn 是非超富集植物(wù)R ap hnus satinus (蘿蔔) 的150 倍, 富集Cd 相應則是10 倍。其每年從土壤中(zhōng)吸收的Zn 量為(wèi)30kgö hm2, 是歐盟允許年輸入量的2 倍, 而非超富集植物(wù)蘿蔔則僅能(néng)清除其1% 的量。Baker 同時也發現, 盡管T. caeu lescens 吸收重金屬能(néng)力很(hěn)強, 但由于其生物(wù)量小(xiǎo), 需13～ 14a 的連續栽種才能(néng)将試驗地的重金屬含量修複到歐共體(tǐ)規定的臨界标準(300Lgö g)。而B rassica juncea (印度芥菜) 對重金屬的富集能(néng)力雖不如T. caeu lescens, 但其生物(wù)量至少是它的20 倍, 因而顯示B. juncea 在植物(wù)修複上具(jù)有(yǒu)更大的潛力。Robinson 等在法國(guó)南部利用(yòng)盆栽和田間試驗結合進一步研究了T. caeru lescens 修複污染土地的潛力, 通過施肥, T h lasp i caeru lescens 的生物(wù)量增加了兩倍, 而其地上部Zn、Cd 含量沒有(yǒu)下降,但修複< 500Lgö g Zn 污染土地仍需8113a, 因此, 繼續尋找開發生物(wù)量大、富集重金屬能(néng)力強的超富集植物(wù)是植物(wù)修複技(jì )術走向工(gōng)程應用(yòng)的首要任務(wù)。在中(zhōng)國(guó), 已開展了利用(yòng)耐重金屬植物(wù)進行礦山(shān)尾礦地植被恢複的實驗研究, 确定了一些礦山(shān)尾礦地影響植物(wù)定居的主要因素, 并建立了植被重建技(jì )術。對污染農田的生物(wù)治理(lǐ)方法也進行了深入的研究。但尚未涉及到超富集植物(wù)應用(yòng)與污染土地植物(wù)修複技(jì )術的系統性研究。
