经济作物修复重金属污染土壤的研究现状与应用前景

潘雨齐，黄仁志，雷鸣*，颜新培，兰砥中

(1.湖南农业大学资源环境学院，长沙410128;2.湖南省蚕桑科学研究所，长沙410127)

经济作物修复重金属污染土壤的研究现状与应用前景

潘雨齐1，黄仁志2，雷鸣1*，颜新培2，兰砥中1

(1.湖南农业大学资源环境学院，长沙410128;2.湖南省蚕桑科学研究所，长沙410127)

目前，我国正面临着相当严峻的土壤重金属污染问题，在不同的修复技术中，植物修复技术拥有独特优势被人们青睐，其中经济作物具有生物量大、环境适应性强、及可带来经济利益等优势而成为植物修复领域的研究热点。通过查阅文献，结合实例，综述了国内外学者对苎麻、桑树、棉花、烟草等经济作物对不同重金属的富集能力、耐受能力的研究进展，并对经济作物修复技术研究方向进行了展望。

经济作物;重金属;植物修复;污染土壤

据《全国土壤污染状况调查公报》指出，我国耕地土壤点位污染物超标率为19.4%，其中重度、中度、轻度和轻微污染点位比例分别为1.1%、1.8%、2.8%和13.7%，无机污染物中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种重金属点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。由于重金属污染在环境中具有不可降解性、污染长期性和危害隐蔽性等特性［1］，因此，与土壤中其他污染物相比，选择合适的治理和修复技术对重金属污染土壤修复显得十分重要。现在，常用于重金属污染治理方法有物理、化学和生物等方法，物理方法费用昂贵、化学方法影响土壤理化性质等不足，不能根本解决问题，所以许多学者选择生物方法来治理重金属污染土壤。生物方法中，微生物修复受环境影响较大且对修复污染物有选择性［2］，而动物修复吸收的重金属可能会再次释放到土壤中造成二次污染［3］，所以对于重金属污染土壤，目前生物修复方法中研究热点，且报道最多的是植物修复技术。

1 植物修复技术

植物修复(Phytoremediation)是指利用绿色植物移除环境中的污染物或使这些污染物变为无害［4］。近年来，由于各学科的交叉研究使得植物修复发展成为一种潜在的、低费用和无污染的环境污染治理的新途径［5-6］。通常采用的植物修复技术主要有两种类型［7］:一种是超量吸收重金属的超富集植物，如遏蓝菜、蜈蚣草、东南景天等。超富集植物体内的重金属含量要达到一般植物的100倍以上，而超富集植物对于不同重金属元素的富集有不同的临界值，一般业内公认的标准是，镉100 mg/kg，铜、镍、铅等为1000 mg/kg，锰、锌为10000 mg/kg。据不完全统计，已发现500多种超富集植物，国内外学者都意识超富集植物在土壤重金属污染修复领域的价值，四处寻找超富集植物，同时使用各种先进的分析测试技术探究超富集植物蓄积重金属的机制［8］。另一种是具有经济效益、且能够吸收重金属的作物，如苎麻、棉花和玉米等。但在修复的过程中，超富集植物由于植株矮小、生长速度慢、修复效率低、生物量少和根系较短等，对生长环境有一定要求［9］，且富集重金属的植物仅用于焚烧销毁，不能给环境和经济带来更多的效益。而经济作物对生长环境适应性强，对于土壤中的重金属有一定的耐性和富集能力，能用于大面积的重金属污染土壤修复工程，且能够进一步产生经济效益而被人们所推广。

2 经济作物修复土壤重金属污染

经济作物是指具有某种特定经济用途的农作物，其通常具有区域性强、经济价值和技术要求高、生产商品率高等特点，对自然条件要求较严格，宜于集中进行专门化生产。从修复环境污染的角度考虑，可将经济作物分为两类，一类是进入食物链，最终会被人类摄入体内的作物，如蔬菜、水果及制作食用油的油料作物等;另一类是经过生产加工后不进入人类食物链的作物，如棉花、苎麻、桑树等。进入食物链的经济作物因为对人体有直接的影响，所以用其来修复环境可能性不高，而用不被人摄入体内的经济作物治理环境污染可以达到修复和获利两全其美的效果，因此越来越多的人开始关注用此类经济作物修复土壤污染。

2.1 苎麻

韦朝阳等［10］报道，高砷区苎麻根、茎、叶中的砷含量为69、103和536mg/kg，且地上部植株的砷含量大于地下部，说明苎麻对砷具有较强的富集作用。龙育堂等［11］在贵州省清镇县汞污染稻田种植苎麻和用不同浓度氯化汞处理土壤盆栽苎麻实验发现，土壤含汞量在5～130mg/kg范围内对苎麻产量和品质未造成显著影响。王欣等［12］在苎麻对镉毒害的生理耐性机制的研究中发现，当土壤中镉浓度在80mg/kg以下时，苎麻能够通过调节体内叶绿素、类胡萝卜素和可溶性蛋白质含量，来维持正常的光合作用，保持各种代谢酶的活性和数量。在保证苎麻正常生长的前提下，种植苎麻可提高镉污染土壤的有机质含量，种植头麻的土壤有机质含量增加幅度为13.9%～43.5%，二麻除个别品种外，种植后土壤中有机质含量增加幅度为1.5%～34.1%［13］。佘玮［14］等发现安化县的镉污染农田适合利用苎麻进行生物净化，中苎一号原麻年产量可达3450kg/hm2，同时地上部能带走镉0.28kg/hm2。黄闺等［15］用低浓度铅(≤800mg/kg)处理苎麻对其植株生长影响不大，且能促进植株高度及茎枝粗度的生长，苎麻地下部、地上部和全株生物量较对照均有所增加，当铅处理浓度高于1100mg/kg时，对植株的生长有抑制作用，且抑制效应随着浓度的增加而增强。也有研究表明，低浓度铅处理能促进苎麻的生长发育，增加苎麻生物量和提高其对重金属污染的修复效率，苎麻植株对于重金属铅的吸收富集能力远不及苎麻对镉的吸收富集能力［16-17］，但其转运能力较好，考虑到苎麻植株根系发达、生物量大和固土保水能力强等特点可作为修复铅及其复合污染的理想植物。以上研究表明，用苎麻作为镉污染土壤的净化植物，可以截断食物链，降低健康风险，适用性广，同时具有较好的经济效益。

2.2 桑树

谭勇壁等［18］对广西环江受尾矿污染桑园调查时发现，桑树能在铅浓度为734 mg/kg、锌浓度为1194 mg/kg、砷浓度为53 mg/kg的污染土壤上生长且并无明显胁迫现象。桑树对土壤锑有一定的耐性，在一定范围内，可清除土壤锑胁迫产生的影响，其耐性指数在土壤锑污染浓度＜160mg/kg时均在0.8以上，且桑树叶片中叶绿素、可溶性糖量变化不明显［19］。陈朝明等［20，21］发现当土壤中镉含量≤40.6 mg/kg时，桑树生长正常或基本正常，桑叶品质受镉影响不大，且用桑叶喂养的家蚕生长发育及产出蚕茧的质量均正常，桑树根部受到镉的影响主要表现为生长发育受抑制，须根的长度和数量均有减少，当土壤镉含量达到75.8 mg/kg以上时，根有木栓化趋势，且出现瘤状结节。还有研究证明在养蚕系统中，用于喂养家蚕桑叶中98.3%的镉随着喂养后残存的桑叶、蚕排出的蚕砂和粪尿(在蚕簇上)移出养蚕系统，而仅占养蚕桑叶镉累积量4.7%的镉，随蚕茧进入缫丝生产系统。经计算，通过蚕茧移出镉占桑树吸收镉量的0.77%。由此可看出，在修复土壤重金属镉污染的桑-蚕系统中，桑树及蚕体所吸收的大部分镉被消耗迁移出去，而最终生产出来的纤维制品中镉含量很少且对人体影响很少［22］。任立研等［23］发现在土壤中铅浓度为200mg/kg左右时，桑树能够正常生长且铅离子对于桑树生长有一定的促进作用。随着土壤中铅浓度的增加，桑树受到铅污染的抑制表现越来越明显，桑叶中可溶性糖及淀粉的含量下降，桑叶的品质也受到了一定的影响。以上研究表明，桑树对重金属复合污染耐性较强，在矿区污染土壤修复上具有一定优势。因此，桑树作为矿区污染土壤修复植物品种，具有广阔的应用前景和现实的指导意义，这些研究在环境污染的植物修复方面都有重要价值。

2.3 棉花

在土壤镉、铅、锌复合污染的条件下，镉在棉花根、茎、叶中的含量随着土壤中镉浓度的升高呈现先增加后减小的趋势，棉花叶片对于镉的吸收量均显著小于镉单元素污染处理条件下对镉的吸收量，说明棉花重金属元素的吸收在复合污染条件下存在拮抗效应［24］。李玲等［25］通过模拟大田试验，以2个不同类型的转基因棉花种质系和陆地棉标准系TM-1为材料进行模拟镉污染盆栽试验发现棉花对镉的运输能力很强，在对土壤镉污染的植物修复中可以作为超富集植物选择。王霞等［26］将棉花种子种于不同铅浓度梯度的MS培养基上发现，铅浓度在200mg/L以下时，因棉花幼苗体内的SOD、POD、CAT对其有一定的保护作用，所以低浓度铅胁迫对于棉花幼苗生长影响不大;但随着铅浓度增加，植株体内细胞膜脂过氧化反应加剧，SOD、POD、CAT对棉花幼苗的保护作用逐渐降低，其根、叶生长受到抑制，长时间铅胁迫将导致棉花整个植株死亡。而秦普丰等［27］通过盆栽试验发现，当土壤铅浓度＜500mg/kg时，促进了棉花植株的生长，随着处理浓度的递增，植株幼苗茎、根系生长均受到了一定程度的抑制。高柳青等［28］研究结果表明，在盆栽条件下，土壤锌浓度＜16mg/kg、土壤锰浓度＜60mg/kg时，棉花总产量不受土壤锌锰质量分数的影响。因此，棉花对于镉、铅、锌等重金属具有一定的吸收能力和耐受能力，将其运用在修复土壤重金属污染的项目中可以发挥到很好的效果。

2.4 烟草

不同品种烟草对不同重金属元素的富集能力有所差异，但总体而言烟草对镉积累能力较强，而对铅的吸收能力较弱，吸收能力大小为镉＞汞＞铬＞砷＞铅［29］。在烟草的整个生长过程中，不同时期植株对不同重金属元素的积累效果不同，植物生长前期对镉的积累较多，生长中期对铅、砷与铬积累较多，而生长后期对汞则累较多，植株吸收铅、镉和铬的能力因品种不同而有所差异，而对砷与汞的吸收能力则受品种的影响较小［30］。胡钟胜等［31］通过盆栽试验证明，镉含量在烟草镉部位的大小顺序为叶＞根＞茎，随着烟草生长发育，镉在烟草各部位的含量降低，但其含量分布顺序仍保持不变;铅含量在烟草各部位的分布与镉不同，其顺序为根＞叶＞茎，随着烟草生长发育，铅在植株各部位的含量也随之降低，镉、铅在烟草中的转移系数分别为2.57-3.63和0.22-0.54，因此看出，烟草转移镉的能力比铅强。王学锋等［32］采用盆栽试验研究了烟草不同部位对土壤中环境激素铅的吸收效应，随着铅浓度的升高，烟草植株不同部位铅含量也随其增长，其大小顺序为根＞茎＞叶。以上研究表明，烟草对重金属有较强的富集能力，因此，植物修复领域，可以利用该特点将烟草作为修复的先锋植物，应用在镉、汞污染的目标区域。

2.5 其他经济作物

(1)剑麻陈柳燕等［33］的研究表明，剑麻根系发达，在铅浓度高达15900 mg/kg时下仍能存活，表明该植物的根系对重金属污染具有极强的抗性，可用于重建生态环境，既能满足经济需要，又能达到污染土壤修复的目的。剑麻在铜浓度＜1000 mg/kg时能正常生长，而对浓度范围为1000～4000 mg/kg重金属铜有较强的耐性，但当处理铜浓度达到1000 mg/kg时剑麻植株出现心叶变褐、坏死，茎近根部呈褐色等毒害现象，浓度达到4000 mg/kg以上时整个植株死亡［34］。

(2)蓖麻蓖麻对于土壤镉、锌污染都有较强的耐性［35-36］，两种重金属对蓖麻生长均出现“低促高抑”现象。锌对蓖麻临界毒害质量浓度高达1000 mg/kg，蓖麻土壤镉浓度达到400 mg/ kg时仍能艰难生长。镉在蓖麻体内的积累主要集中在植株根部，且在根部的积累量最高可达4460.3 mg/kg。镉在蓖麻植株地上部茎的最大积累量也达到137.1 mg/kg，因此，在重金属修复领域蓖麻有极大的应用潜力。

(3)花卉植物研究表明［37］，花卉作为观赏植物同样具有修复土壤重金属污染的潜力，其对重金属转移能力的大小顺序为Zn＞Cd＞Cu＞Cr＞Pb，对不同重金属的积累能力大小顺序为Cr＞Zn＞Cu＞Cd＞Pb。鸭脚术、金光变叶木、细叶鸡爪槭、胡椒小、金边岑叶槭根部对Cr积累系数都大于l.0，可用来修复被Cr污染的土壤［38］。

3 展望

利用经济作物修复土壤重金属污染不仅不会通过食物链进入人体、能大规模修复污染土壤并且收获的作物能带来一定的经济利益，总体而言是一项很有潜力的修复技术，但是它也有一些在未来需要人类去研究和完善的问题。

(1)经济作物的筛选。对于经济作物的筛选首先要确定其不会进入食物链给人体造成影响，其次要求其对于重金属的富集能力在植物中相对较高，最后则是其对于所修复重金属要有一定的耐性，能够在被污染的土壤上正常地生长。不同作物对于不同重金属的耐性不同，不同作物在重金属单一污染和复合污染时对于重金属的富集量也不同，如何针对地区污染状况选择合适的修复作物是今后需要进一步探索的问题。

(2)经济作物残留部分的处理。用于修复土壤污染的经济作物在生长成熟后，重金属含量很少的器官被制作成为商品，而剩下所不需要的植株器官，特别是重金属富集量大的部位如根、茎的处理方式成为了一个很严重的问题。如果能够从中回收重金属，能够将重金属彻底从环境中带走并且具有一定的经济效益。

(3)环境友好型辅助措施的运用。在重金属污染土壤修复过程中，为提高经济作物的修复效率，为避免二次污染，通常利用环境友好型辅助措施，促进经济作物对重金属的吸收，减小其对环境的损害。

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Research Progress and Prospect of Remedying Soil Contaminated by Heavy Metals with Economic Crops

PAN Yu-qi1，HUANG Ren-zhi2，LEI Ming1*，YAN Xin-pei2，LAN Di-zhong1
(1.College of Resources and Environment，Changsha 410128，China; 2.Sericultural Research Institute of Hunan Province，Changsha 410127，China)

The soils were seriously contaminated by heavy metals in China.Among the remediation technologies，the phytoremediation was paid more attention due to its advantages.Compared with other hyperaccumulators，the economic crops have become hot research objects in the phytoremediation field because of their large biomass，strong environmental adaptability and available considerable benefits.The research progress showed that ramie，mulberry，cotton，tobacco and other economic crops were used to remediate soils contaminated by heavy metals.The research direction of phytoremediation with plant economic crops in the future was also predicted.

economic crops;heavy metals;phytoremediation;contaminated soil

S56

A

1671-3532(2015)01-0035-05

2014-10-21

国家自然科学基金项目(No.21007014);湖南省教育厅(No.14A068)和湖南省科技厅(No.2013sk5036)

潘雨齐(1990-)，女，汉族，湖南长沙人，环境科学专业硕士研究生，研究方向:重金属污染修复与治理。E-mail:59157432@qq.com。

*通讯作者:雷鸣(1975-)，男，副教授，研究方向:环境污染化学及环境污染治理。E-mail:leiming8297@163.com。