中国土壤重金属污染现状及危害

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。 所谓重金属是指一类毒性很大，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[2]、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[3]，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 土壤重金属污染的途径 土壤重金属污染主要来自大气沉降、农田灌溉（特 别是污灌）、农药和肥料、矿山的开采和冶炼等[4]。 大气沉降这种污染途径较为普遍，主要由工业废 气和汽车尾气的排放而造成。农田灌溉中利用超标污 第一作者简介：王海慧，男，1982年出生。通信地址：571737海南省儋州市中国热带农业科学院品种资源研究所，E-mail：whhgzn@163.com。 通讯作者：刘国道，男，1963年出生，云南腾冲人，研究员，博士生导师，研究方向为热带牧草种质资源收集和利用研究。 收稿日期：2008-12-08，修回日期：2009-04-17。 土壤重金属污染及植物修复技术 王海慧 1，郇恒福 2，罗 瑛 1，刘 壮 1，高 玲 1，黎春花 1，刘国道 2 （1海南大学农学院，海南儋州 571737； 2中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所海南儋州 571737） 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 中图分类号：X505 文献标识码：A Soil Contaminated by Heavy Metals and Its Phytoremediation Technology Wang Haihui1, Huan Hengfu2, Luo Ying1, Liu Zhuang1, Gao Ling1, Li Chunhua1, Liu Guodao2 (1Food College of Hainan University, Danzhou Hainan 571737 2Tropical Crops Genetic Resources Institute, CATAS, Danzhou Hainan 571737) Abstract: Soil pollution by heavy metals has been considered as one of the main environmental problems through the world nowadays and Phytoremediation of polluted soil is one of the important ways to make soil contaminant nontoxic. This topic included the present state of heavy pollution in soil and the harm of soil heavy metal contamination and the types, advantage and disadvantage of phytoremediation. Besides, the developmental trend of phytoremediation is put forward. Key words: soil, heavy metal contamination, phytoremediation 中国农学通报 2009,25(11):210-214 Chinese Agricultural Science Bulletin 水进行作物灌溉也会引起土壤中重金属的富集。据不 完全统计，由于污灌引起的重金属污染的土壤面积已 达 1000多万亩。在农业生产中含重金属的化肥农药 用量较大、施用过于频繁也容易引起土壤中的某些如 Hg、Cd等重金属的浓度超标。随着工农业生产的发 展，重金属对土壤和农作物的污染越来越严重。 1.3 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，Ni约 100万 t。 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[6]。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[7]。土壤的重金属污染正严重威胁着人 类及生存环境的安全。 1.4 土壤重金属污染的危害 以各种化学状态或形态存在的重金属，在进入环 境或生态系统后就会存留、积累和迁移，从而造成危 害。被重金属污染的土壤会直接影响植物（作物）的卫 生品质，导致味道变差、易烂，甚至出现难闻的异味，以 致使农产品的贮藏和加工品质也不再能够满足深加工 的要求。 土壤重金属污染危害人体健康。污染物在植(作) 物体内积累，并通过食物链富集到人和动物体中，危害 人畜健康，引发癌症等疾病，如水俣病、骨痛病等都是 典型例证[8]。且复合污染条件下，不同重金属的协同 和加合作用可加剧对农作物的危害[9]。 土壤重金属污染也会导致其他环境问题。土地受 到污染后，含重金属浓度较高的污染土易在风力和 水力的作用下分别进入到大气和水体中，导致大气、地 表水、地下水污染和生态系统退化等其他次生生态环 境问题[10]。 肖鹏飞等[11]研究发现重金属污染能明显影响土壤 微生物群落，降低土壤微生物量和活性细菌量。相关 分析表明，在土壤综合污染较轻的情况下，土壤微生物 多样性较高，随着重金属综合污染指数的增加，微生物 多样性呈指数式迅速下降。 过量的重金属对植物也有很强的毒害效应。在植 物生理方面，重金属导致植物体内生理生化过程混乱， 改变植物体的激素水平及核酸代谢水平[12]，光合、呼吸 作用受到抑制，影响植株正常生长；重金属通过抑制种 子内储藏淀粉和蛋白质的分解而抑制种子萌发；植物 遭受重金属胁迫时，导致大量的活性氧自由基产生，这 些自由基攻击细胞膜，使膜的组成和完整性遭到破 坏。在植物生化方面，重金属通过影响土壤微生物活 性，对植物根系吸收土壤营养元素造成影响；重金属毒 害也会引起植物体内如可溶性糖、蛋白质、氨基酸等化 学成分的变化[13]。 2 传统的重金属污染土壤治理技术 目前国内外常用物理、化学等传统的方法控制和 治理已被污染的土壤。 物理修复方法主要有换土和深耕翻土法、客土稀 释[14]、去除、热处理法等。换土法能有效减少重金 属对环境的影响，但是工程量大、费用高，同时也会对 环境产生一定风险。客土稀释法治理农田重金属污染 切实有效，工程量较小，比较适合较大面积操作[2]。工 程去除法可较彻底地清除污染土壤的重金属[15]，但只 适合于受重金属严重污染的、面积较小且集中的土壤 处理。热处理法工艺简单，但能耗大，操作费用高，且 只适用于易挥发的重金属污染物[16]。 化学修复主要包括化学固定、化学淋洗、电动修复 等。电动修复方法可以在田间现场操作，具有处理成 本低，修复效率高，后处理方便等优点[17]，但对难用水 饱和的旱地土壤实用性较差，且该法尚处于探索阶段， 技术不够成熟。钝化重金属法通过施用改良剂，如石 灰、有机肥、胡敏酸等[2]改变污染重金属的价态或化学 形态，进而减少对植物的危害及在食物链中的传递，但 该法可能破坏土壤生物活性，易带来二次污染，只适合 小面积严重污染土壤的处理。 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[16]。 3 重金属污染土壤的植物修复技术 3.1 概述 1983年美国科学家Chaney[18]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 王海慧等：土壤重金属污染及植物修复技术 ·· 211 中国农学通报 http://www.casb.org.cn 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[19]。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 [20]。植物修复作为一种高效生物修 复途径已被科学界和政府部门认识和选用。美国及 其他国家的重金属植物修复技术已用于修复多处污 染场所 [21]。专家分析认为，未来 5年国际植物修复市 场规模将达20亿美元[22]。 3.2 植物修复技术的分类 重金属污染土壤的植物修复技术可归成4种类型[23]： (1) 植 物 提 取 (Phytoextraction)；(2) 植 物 挥 发 (Phytovolatilization)；(3)植物稳定 (Phytostabilization)； （4）根系过滤(Rhizofiltration)。 3.2.1 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[24]。 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[25]。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[26]。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[23]。 3.2.2 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[24]。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)[28]。海 藻能吸收并挥发砷，其机理是把(CH3)2AsO2挥发出体 外[26]。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[29]。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[25]，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[23]。 3.2.3 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[24]。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[23]。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[11]。 3.2.4 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[24]。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[30] 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[25]。 3.3 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[31]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[22]。 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。 3.4 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： ·· 212 3.4.1 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。笔者认为可 以充分利用中国具有广袤的国土面积和复杂多样的植 物类型的有利条件，发挥植物资源丰富的优势，寻找和 培育新的超积累植物。从前期研究看，在中国系统开 展超富集植物的寻找和开发工作有望在短期内获得重 要成果，迅速在这一领域赶上世界先进水平。今后应 加大资助力度，加快资源的筛选和发现步伐。 3.4.2 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[32]。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。结合中国国情，应在以下几个方面深化研 究：超积累植物对重金属的超量吸收、转运与积累及其解 毒机理；植物对重金属的解毒机制；重金属在植物根际土 壤及其体内的迁移与转化规律；根系分泌物在活化土 壤植物界面的重金属方面的作用；根际微生物效应及其 对重金属形态转化和植物吸收的影响[33]；施肥、增施土 壤改良剂如EDTA等措施对植物修复过程的影响。 3.4.3 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[34]，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)。运用分子生物学的手段，育种与筛选转基因植物， 将有助于深入研究植物富集重金属的机理，并有望通 过改良遗传特性提高植物对重金属污染物的耐性、富集 能力或提高已有超富集植物的生长速率和生物产量。 3.4.4 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[32]。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。 3.4.5 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。收获物 的处理研究的人较少，目前仅对灰分中重金属含量为 10%~40%的植物采用冶炼回收 [35]。对于不能回收利 用的收获物如何避免二次污染还需要进一步研究。 3.4.6 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 [36]。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 结语 重金属元素对土壤环境日趋严重的污染和破坏作 用，严重威胁着人类健康。土壤的重金属污染，越来越 受到人们的关注，也日益成为科学家们研究的热点问 题。当前迫切需要有成熟、低价、高效的修复技术并加 以市场化应用。相对于传统的重金属污染土壤治理技 术，植物修复技术是一项处于迅速发展之中的用于清 除土壤重金属污染的绿色生态新技术，费用较低、收效 显著，具有较高的研究和实用价值。虽然利用植物修 复技术对土壤中重金属进行治理时尚存在着一些不 足，但就其发展前景来看，植物修复技术潜力巨大，是 当前研究的热点领域。随着理论研究、转基因技术、与 传统技术的复合运用等方向的不断进步，重金属污染 土壤环境的植物修复潜力必将被进一步挖掘和发挥， 得到更加广泛地推广和应用，为环境保护和治理带来 更加广泛地实用前景。 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. 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