镉污染土壤的植物修复探析

Posted 2023-01-12 植物

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土壤重金属污染的治理一直是难点、热点研究课题，土壤—植物系统是生物圈最基本的结构单元，镉作为植物非必需元素，在生物圈中的移动性较强，对土壤造成的危害很大。近年来，国际上兴起了以超积累植物吸收土壤中的重金属的植物修复技术，扰动小、就地进行、廉价的特点使其备受关注，不少学者也进行了相关研究。结合自身工作经验，就当前我国土壤镉污染的特点及植物修复技术进行了探究，希望能为广大同行提供参考。
1.引言
土壤是人类赖以生存的重要元素，世界面临的资源、粮食和环境问题均和土壤密切相关，随着20世纪电解工业的发展，镉的产量大大增加，而由镉引起的环境问题也逐渐暴露出来，20世纪60年代在日本浮山县出现的“骨痛病”，使人们开始逐渐认识到，土壤中的镉在通过食物链进入人体后会对人体产生极大的危害。据相关调查，我国的镉污染土壤面积已达1.3万km2，镉污染的治理，刻不容缓。传统治理镉污染的方法主要是加固法、客土法、淋洗法等，不仅适用范围小，且成本较高，还可能会对地下水体造成污染。近年来，植物修复技术的研究不断深入，其污染小、破坏小、成本低的优势使其成为环境污染治理领域的热点课题。
2.土壤镉污染特征
2.1镉在土壤中的行为
镉是一种稀有元素，未污染的土壤中的镉主要来自于土母质，含量通常为0.01～2m/kg。镉在酸碱度较高，尤其是碳酸钙含量较多的土壤中，活性偏低，不易移动，而在酸性土壤中的流动性与毒性均大大增强。此外，土壤的氧化还原电位对镉的活性也有重要的影响，如土壤被水淹没时，处于还原状态，土壤中的铁、锰等离子被还原，形成硫化镉沉淀，使得镉活性降低。土壤中镉的存在形态变化对其活性和植物有效性有着明显的影响，土壤中的镉可分为水溶态、还原态、碳酸盐结合态、残渣态、交换态等，其中，可交换态与碳酸盐结合态的比例于植物对镉的吸收具有显着影响。
2.2土壤镉污染状况
当前，土壤中的镉主要来自于工业废渣、废气中镉的扩散和沉积，含镉废水灌溉农田等。我国有11个省市的25个地区存在镉污染。根据农业部的监测，污灌区土壤的镉污染最为严重，约占重金属超标面积的60%，而农产品中镉超标率已达10%以上，全国各大城市的耕地中均存在不同程度的镉污染。
3镉污染土壤的植物修复
3.1超积累镉植物
遏蓝菜(十字花科遏蓝菜属)是常见的超积累镉植物，当前已有许多关于其超积累镉的机理的研究。镉污染土壤植物修复的修复效果主要与植物生长速率、植物地上部金属含量、生物量等有关。遏蓝菜呈莲座状生长，生物量小，生长速率较慢，很多学者认为其不适合用于严重镉污染土壤的修复。印度荠菜是一种生物量大、生长速度快的积累镉植物，在相同的条件下，其生物量达遏蓝菜的10倍，对镉的吸收量和对土壤的净化能力也远远高于遏蓝菜。我国学者在温室栽培后发现，印度荠菜对镉的吸收随土壤镉处理浓度的增加而增加，但印度荠菜的生长具有地域性，在中国的面积很小。
大量研究表明，十字花科芸薹属的很多植物都具有较强的镉积累的特性，如在我国广泛种植的油菜，就是该属植物，且部分油菜品种在镉累积方面甚至超过了印度荠菜，如“溪口花籽”。我国土壤镉污染的治理，最根本的是利用我国众多的油菜种类选择出适合大面积种植的积累镉植物，并研究其镉积累特征，为提高土壤修复效率提供理论基础。
3.2超积累镉植物的修复机理
超积累植物大多对重金属具有非常强的吸收与积累能力，该能力不但表现在重金属浓度高的环境中，即使是在重金属浓度偏低的土壤和溶液中，超积累植物中的重金属含量也可高出普通植物达几十倍，乃至上百倍。超积累镉植物之所以能大量吸收重金属元素且在浓度高的情况下也不会被毒害，有赖于其高效的根部吸收、运输与分解能力。
3.2.1超积累镉植物对镉的吸收
在土壤养分作用下，植物可改变根系环境，从而提高养分的有效性。根分泌物的释放与根际酸化是共同作用的两个机制。植物根系分泌出的特殊有机物，尤其是有机酸，能螯合重金属，酸化植物根际，从而溶解土壤重金属，增强根系吸收。也有研究成果表明，根际酸化并非影响植物吸收重金属的主要因素，根分泌物之所以能够增强植物对重金属的吸收能力，极可能与重金属的超积累有关。据Robinson等的研究，遏蓝菜植株内的镉含量与土壤中的有效态镉呈正相关关系，但与土壤的酸碱度却无明显相关性。根系分泌物对重金属修复具有多途径的影响，如酶类的还原作用、微生物对活性的增加、有机酸和氢离子的酸化作用等。重金属在土壤中通常以难溶态存在，只有将其从固态中溶解到溶液中才可以为植物吸收。有学者认为，燕麦系植物的根系分泌物能够溶解铁氧化物，从而增强镉的植物有效性。而根据Cieslinski等的研究，高镉积累量与植物根际土壤中有机酸的含量呈显着正相关性。Yang等人发现，在镉胁迫下，超积累植物如黑麦草的根系能够分泌出草酸、柠檬酸、苹果酸3种有机酸，但其对植物的镉累积并无明显影响。Knight等人则认为遏蓝菜吸收的镉，只有约一半来自土壤的交换态与水溶态，这说明镉超积累植物还能吸收难溶态镉，其原因可能为：在环境的胁迫下，植物根系能分泌出某种特殊分泌物，能针对性螯合溶解根系附近的难溶性镉，增加其生物有效性。我国蒋先军和苏德纯等也发现印度荠菜的根系分泌物能活化土壤中的难溶态镉。也有其他研究发现超积累镉植物遏蓝菜的根系分泌物并不能显着提高土壤中镉的活性，与镉的超积累无明显关系。
3.2.2超积累镉植物对镉的运输
有研究认为，印度荠菜地上部的镉积累主要是通过饱和运输系统进行调节。印度荠菜幼苗细胞中的镉积累也是主要通过饱和运输系统进行调节，而锌、锰、钙、等则对地上部的镉积累具有竞争性抑制，但对根系镉的积累则具有非竞争性抑制。Lombi等通过镉跟踪技术认为，遏蓝菜基因型内有一个高亲和镉的运输系统。
3.2.3超积累镉植物对镉的螯合与储存
超积累植物体内的有机酸能够有效降低重金属的毒性，促进重金属运输，其机制可能为：生物代谢产生的有机酸对重金属具有螯合包被作用，在超积累植物体内，镉主要积累于下表体细胞，其液泡中储藏的镉很可能是其忍耐镉的原因。根据Salt等人的研究，印度荠菜木质部汁液中的镉，主要是通过氧键和有机酸结合，而其叶片中的镉则主要是积累在叶表皮毛中，从而避免了对叶肉细胞的直接损害，其叶表皮毛中的镉的含量达正常叶片组织的43倍。
3.2.4金属结合蛋白的解毒作用
进入超积累植物体内的重金属，通常在与植物体内的成分发生反应后失去毒性。当重金属元素穿过植物细胞壁和细胞膜进入细胞后，可与蛋白质、柠檬酸、草酸等形成稳定的螯合物，降低金属离子的活性，从而缓和了毒害。重金属结合肽是较为常见的植物络合素，简称PC。通常，PC在植物体内含量并不高，但在重金属离子的诱导下，植物可快速合成PC，并结合重金属离子，形成无毒化合物，从而降低细胞内游离重金属离子的浓度，减轻其对植物的毒害作用。
3.2.5植物钝化土壤中的镉的机理
除利用超积累植物进行修复镉污染土壤外，植物钝化也是一种处理污染的有效方式。植物钝化是指利用植物根系强大的吸收能力与根系表面积去除被污染土壤和水体中的重金属元素，降低其生物有效性，或通过某些植物降低土壤中的重金属的毒性，防止其进入食物链，从而减轻其对环境的污染与对人类健康的威胁。采用植物钝化处理镉污染土壤，能有效避免受污染土壤继续被侵蚀，并可减少土壤渗漏导致的镉污染物的迁移，使污染物聚集在植物根部。此外，还可通过种植低转移、低积累植物，普通植物与高吸收植物并作的方式来做到植物钝化修复。
4结语
随着环境问题的日益严重，治理镉污染土壤已经刻不容缓，我国领土广大，生物众多，极可能蕴含着大量镉超积累植物，为相关研究的开展创造了良好的基础。另一方面，当前镉污染土壤的植物修复技术大多还停留在实验室阶段，大量基础性研究工作也亟待开展，作物互作对减少植物对镉的吸收等工作也需要进一步的研究。