环境生物技术综述性论文

鲁东大学生命科学学院学院20 10 －20 11 学年第二学期

《环境生物技术》课程论文

课程号：2522310

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重金属土壤污染的植物修复论文

摘要：土壤重金属污染是当今面临的一个重要环境问题，而土壤重金属污染的植物修复是治理污染土壤的重要手段之一。作者概括了中国土壤重金属污染现状及危害，论述了植物修复技术的类型及其优缺点，并展望了植物修复未来的发展趋势。

关键词：土壤；重金属污染；植物修复；根际圈；螯合剂。

近年来，在世界范围内随着城市化、工业化及农用化学品的过量使用，环境污染、生态破坏的形势日益严峻，严重影响到人类的生存和健康。其中重金属元素对环境的污染和破坏作用尤为严重，越来越受到人们的关注。重金属引起的土壤污染也日益成为环境、土壤科学家们研究的热点问题。环境学家把原子量在40以上的金属称为重金属，是一类毒性很大，具有潜在危害的无机污染物。环境土壤污染方面所涉及的重金属主要是指生物毒性显著的Hg、Cd、Pb、Cr、As，还包括具有毒性的Zn、Cu、Co、Ni、Sn、V 等[1]。它们在土壤和生物体内富集，污染土壤和作物，对作物的生长、产量和品质均有较大危害。它们还能被作物富集吸收进入食物链，具有损害人和动物健康的潜在危险。土壤重金属污染问题已成为全球面临的一个严重的环境问题。

1 土壤重金属污染概述

1.1 土壤重金属污染的特点：随着工业生产的发展，重金属污染日趋普遍，几乎威胁着每个国家。土壤中的重金属污染物大部分残留于土壤耕层，少移动、难降解、毒性大，导致土壤一旦受污染很难恢复。而且被重金属污染的土壤无色无味，很难被人的感官察觉，一般要通过植物（作物）进入食物链积累到一定程度时才能反映出来，所以重金属是影响生态系统安全的一类重要污染物质。

1.2 土壤重金属污染的污染现状：目前，全世界平均每年排放Hg 约1.5 万t，Cu 约340 万t，Pb 约500 万t，Mn 约1500 万t，约100 万t。Ni 据中国农业部进行的全国污灌区调查结果显示，在约140 万hm2 的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染土地占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染占8.4%，其中以Hg 和Cd 的污染面积最大[4]。在中国重金属污染的土壤中，Cd 污染耕地 1.3 万hm2，涉及11 省市的25 个地区；Hg 污染 3.2 万hm2，涉及15 个省市的21 个地区[5]。中国受不同程度重金属污染的耕地面积已接近 2 000 万hm2，约占耕地总面积的1/5，每年因土壤污染而减产粮食约1000 万t，另外还有1200 万t 粮食污染物超标，两者的直接经济损失达200 多亿元。有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中Cd、Cr、As、Pb 等重金属含量接近临界值或超标。土壤的重金属污染正严重威胁着人类及生存环境的安全。

2 重金属污染土壤的主要修复方法

2.1传统的重金属污染土壤修复技术通常采用物理和化学方法，如排土填埋法、稀释法、淋洗法、物理分离法和稳定化及化学法等。其原理主要是通过减少土壤表层污染物的浓度，或增强土壤中的污染物的稳定性使其水溶性、扩散性和生物有效性降低，从而减轻其危害。这些传统的修复方法虽然治理效果较好，历时短，但也有许多缺陷，如成本高，难于管理，易造成二次污染，对环境扰动大。微生物法虽然不能降解和破坏重金属，但可通过改变重金属的化学或物理特性而影响重金属在环境中的迁移与转化。尽管微生物修复引起极大重视，但大多数技术仍局限在科研和实验室水平，少有微生物重金属修复的实例报道。

2.2为寻求更有效、可行的解决办法，近年来，一种针对重金属的植物修复技术（phytoremediation）引起了公众及科学界的广泛兴趣。通过金属积累（metal-accumulating）植物吸收、转运并积累从而去除土壤中有害金属（包括放射性物质），被誉为一种低成本、更有效的绿色技术。

概述1983 年美国科学家Chaney首次提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想，即植物修复(Phytoremediation)。植物修复是利用植物对土壤中的污染物进行固定、吸收，以清除土壤环境中的污染物或使其有害性得以降低或消失。植物修复是一种可靠的、相对安全的环境友好修复技术，正被世界各国政府、科技界、企业界所关注。其实质是种植对污染土壤中的一种或多种重金属有特殊吸收富集能力的植物（自然生长或者遗传工程培育的），并将其收获妥善处理后，将吸收富集的重金属移出土壤，达到污染治理与生态恢复的目的[2] 。

2.3植物修复的主要手段有植物提取、植物过滤、植物挥发和植物稳定等技术。

2.3.1 植物提取植物提取最早是由Chaney 提出来的，它是指利用一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物从土壤中吸取重金属，将其转移、贮存到地上部并通过收获植物地上部而去除土壤中污染物的一种方法。该方法适合于从污染的土壤中去除如Pb、Cd、Ni、Cu、Cr、V或土壤中过量的营养物质如NH4NO3等。植物提取是目前研究最多，最有发展前景的解决重金属污染的技术。植物提取法的关键是寻找一些超积累植物。这些超积累植物需能从土壤中吸取、在体内积累高浓度的污染物；能同时积累多种重金属；生长快、生物量大；抗病能力强。据报道，现已发现Cd、Co、Cu、Pb、Ni、Se、Mn、Zn 超积累植物有45 科500 余种，其中73%为Ni 的超积累植物[27]。近年来，各国科学家们对利用这种植物修复Zn、Pb、Cd和Ni 污染土壤表现出浓厚的研究和开发兴趣。在欧洲、美国、澳大利亚和东南亚国家都启动了超积累植物积累金属生理生化机理、金属吸收效率和农艺管理等方面的研究项目。

2.3.2 植物挥发植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的污染物（主要是Hg、Se、As）吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出土壤和植物表面，释放到大气中。如烟草能使毒性大的Hg2+转化为毒性小得多、可挥发的单质汞Hg(O)。海藻能吸收并挥发砷，其机理是把(CH3)2AsO2挥发出体外。洋麻可以使土壤中47%的三价硒转化为可挥发态的甲基硒挥发去除，从而降低硒对土壤生态系统的毒性。也有人研究报导称可利用转基因植物降解生物毒性汞，即运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因（汞还原酶基因）转导到植物（如烟草和郁金香）中，进行汞污染的植物修复。但植物挥发法将污染物转移到大气中，对人类和生物具有一定的风险，采用此法时其污染物向大气挥发的速度应以不构成生态危害为限。

2.3.3 植物稳定植物稳定指利用植物吸收和植物根际的一些特殊物质使土壤中的大量有毒金属转化为相对无害的物质，从而降低土壤中有毒金属的移动性、生物有效性，减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性，使其不能为生物所利用的一种方法。其中包括了分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程。植物稳定只是一种原位降低污染元素生物有效性的途径，而非一种永久性的去除土壤中污染元素的方法。而且重金属的生物有效性随环境条件的变化而发生变化，所以该法在应用中受到一定的限制。

2.3.4 根系过滤根系过滤是利用植物庞大的根系过滤吸收、富集水体中重金属元素的过程。目前用于根系过滤的植物有向日葵、印度芥菜、宽叶香蒲及烟草等。根系过滤主要用于重金属污染的土壤，也可以是放射性核素如U、Cs或Sr 污染的水体。

2.4 植物修复技术的优缺点

植物修复技术作为一种新兴的修复技术，相对于传统的方法有不可替代的优势。主要表现为投资少、成本低、经济盈利、对土壤环境扰动小、治理效果永久、不破坏场地结构、不引起二次污染、美化景观、重金属可再循环和部分回收、应用面积大、后期处理简易等方面，它还具有提高土壤通气效率及减少表面土壤侵蚀等间接效果[3]。但是植物修复技术也有其局限性。由于自然界中超累积植物种属稀少，人们从野外筛选的超富集植物生物量普遍较低、个体矮小、生长缓慢，且受气候、土壤等地域环境条件的限制，导致修复治理效率低、周期长，制约了大规模的应用，难于满足商业要求。超富集植物修复重金属污染土地耗时太长、修复范围仅能局限在植物根系所能延伸的范围、对重金属具有一定的选择性，用一种超富集植物难以全面清除土壤中的所有污染物，因而经济上并不一定很合理。目前金属污染土壤的植物修复技术还处于田间试验与示范阶段，对所产生的信息也尚未进行系统评价，还需更多的田间结果来支撑这种技术的研究和发展。

3.植物修复技术的发展方向及研究重点

在全球性环境和食物安全问题日趋受到关注的今天，土壤重金属污染的植物修复尽管有其局限性，但其已成为世界科学研究和技术开发的前沿。结合中国实际情况，今后应着重在以下几个方面发展植物修复技术：

3.1 寻找、筛选超累积植物种质资源寻找、培育和驯化理想的有利于治理环境污染的超积累植物种质资源并加以保护和利用，从而满足实际应用的需要，是未来植物修复研究领域长期要做的工作之一。

3.2 深化应用基础理论研究植物修复技术作为新的污染物修复方法，涉及土壤学、化学、生态学、植物生理学、遗传学、环境保护学等多个领域。深化植物修复技术基础理论和应用实践的研究，培育高效低选择性的“超富集植物”（尤其是某些新发现的超富集植物），以进一步推动植物修复技术的产业化是当前国际上的研究热点。

3.3 研究转基因技术，提高植物修复效率未来植物修复研究领域的重点与热点是应用遗传工程技术把野生植物的超富集基因转移到生物量大、生长速率快的植物(作物)中[4]，或者寻找基因工程中特异的启动子，以指导与重金属吸收相关的基因在植物的特定部位表达，使重金属富集在植物的某一部位(如植物的地上部位)

3.4 结合传统的修复技术传统修复技术如前述各有优缺点和适用范围，而单一种植某种重金属超富集植物，由于受到土壤环境的限制，也可能达不到理想的修复效果。若能将这些传统修复方法结合植物修复技术应用于重金属污染土壤的治理中，取长补短，可能会获得高效、低耗的效果。今后寻找综合的、可持续的植物修复手段是值得深入研究的课题。

3.5 植物修复的后续处理如何处理已富集重金属的植物并回收重金属也是今后需要研究的重点。

3.6 增加田间试验的次数以往的研究结论多数是由实验室人工实验得出的，而大田生态环境较实验室条件更为复杂。所以，目前实验室的研究成果还暂时不能应用于大田。中国应加强植物修复的实践性环节，创建植物修复重金属的示范基地，以期在未来得到迅速发展并开拓出更为广阔的应用前景。

4.总结

当前,土壤重金属污染所带来的潜在危害已经明显的表现出来了,土壤重金属污染

的治理也是刻不容缓的,在对比参照其他传统方法之后,植物修复治理技术在所有方法当呻的优势也是很显然的,植物修复土壤重金属污染,不仅在效果上明显,在经济以及耗费的资源也是相当少的。正是如此,我们才致力于寻找、开拓植物修复体系中更新的有效途径。在基因技术盛行的这几年中,基因技术与植物修复的联合应用,不仅在土壤重金属污染的治理当中起到重要的作用,在其他方面,如重金属废水治理、环境中持续性难降解有机污染以及农业面源污染等方面也都有一定的用武之地。相信在不久的将来,会有相当数量的转基因植物产品应用到环境保护治理当中来,基因技术也将开拓出新的环境治理之路。

参考文献

[1] 王艳杰,傅桦.近10 年来土壤重金属污染植物修复研究[J].首都师范大学学报:自然科学版,2005,25(12):141-14.

[2] 刘秀梅,聂俊华,王庆仁.植物修复重金属污染土壤的研究进展[J].甘肃农业大学学报,2001,36(3):8-13.

[3] 樊有赋,陈晔,詹寿发,等.超积累植物与重金属污染的植物修复技术[J].河北农业科学,2007,11(5):73-75.

[4] Keller C, Ludwig C, Davoli F, etal. Thermal treatment of metal enriched biomass produced from heavy metal phytoextration[J].Environmental Science and Technology, 2005, 39: 3359 -3367.