土壤重金属污染植物修复研究进展论文Word文档格式.docx
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近年来，对重金属植物修复技术的研究，特别是耐重金属和超富集植物及其根际微生物共存体系的研究、根际分泌物在微生物群落的进化选择过程中的作用、以及根际物理化学特性研究方面已经取得了重要进展[1]。
鉴于土壤重金属污染严重以及植物修复技术的重大意义，本文将从我国土壤重金属污染现状、植物修复技术以及植物修复技术的限制性因素三个方面进行综述，以期为该领域的深层次研究提供参考。
1我国土壤重金属污染物来源及污染现状
1.1土壤重金属污染物种类及来源
重金属是指密度在4.0以上的60种元素或密度在5.0以上的45种元素，通常可以分为以下3类：
（1）具有生物毒性的金属汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、钴（Co）、镍（Ni）、锡（Sn）、钒（V）以及类金属砷（As）、硒（Se）等；
贵重金属如（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）、钌（Ｒu）等;
（3）放射性金属铀（U）、钍（Th）、镭（Ｒa）、镅（Am）等[5]。
重金属污染物来源广泛，我国重金属污染物主要来及采矿、冶炼、金属加工等工业排放的三废和农业上化肥和农药残留。
我国主要重金属污染物来源详见表1。
表1我国主要土壤重金属污染物及来源
Tab.1Mainheavymetalpollutantanditsresources
主要污染物
来源
汞Hg
采矿业，化工业，电子工业，仪表制造业，冶金工业
镉Cd
冶金业，电镀业和颜料、涂料工业
铬Cr
铁路工业、耐火材料工业，电镀工业，皮革工业和染料、颜料等工业
铅Pb
农业
砷As
采矿业和冶金业
镍Ni
电镀业，采矿、冶金、石油化工、纺织、印刷业等
银Ag
电镀业和照相业
铜Cu
采矿业及冶金业
锌Zn
采矿业，冶金业，造纸业，机械制造业等
1.2我国重金属污染现状
2014年4月17日，环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，我国耕地土壤环境质量堪忧[6]。
调查结果显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。
我国受重金属污染耕地面积逐年增长，1980年污染耕地面积266.7万公顷，1988年增加到666.7万公顷，1992年增加到1000万公顷[7]。
重金属已成为土壤中长期存在的“毒瘤”，据不完全统计，我国每年因土壤金属污染而损失的粮食产量达1000万吨，直接经济损失达2000多亿元人民币。
中国环境监测总站的资料显示，我国土壤重金属污染中最严重的是镉污染、汞污染、血铅污染和砷污染。
近年来发生的重金属污染事件很多，2006年湖南湘江株洲镉污染；
2007年太湖、巢湖、滇池爆发蓝藻危机；
2009年、2010年多地曝出的血铅超标事件；
2012年初广西龙江镉污染；
2014广西大新县重金属污染等。
经统计，我国24个省（市）城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积为60.6万公顷。
重金属通过土壤影响食品安全性，进而影响人类的生命安全，如何高效快速地修复重金属污染土壤成为了我国农业可持续发展急需解决的问题。
2植物修复
2.1植物修复产生与发展
“植物修复”（Phytoremediation）是指将某种对污染元素具有特殊吸富的植物种植在该元素污染的土壤上,并将植物收获并进行妥善处理（如灰化回收）后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。
1583年意大利植物学家Cesalpino首次发现在意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特殊植物，这是有关超富集植物（Hyperaccumulator）[8]的最早报道。
1977年，Brooks提出了超富集植物的概念（hyperaccumulator）[9]。
1983年，Chaney首次提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染物的思想。
以后的研究证明这些植物是一些地方性的物种[10]，其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关性[11,12]。
2.2植物修复类型与机理
2.2.1植物修复污染土壤的途径和调控机制
根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物提取（phytoextraction）、植物挥发（phytovolatilization）和植物稳定（phytostabilization）三种类型（表2）。
（1）植物提取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[13]。
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NH4、NO3等[14]。
通过连续种植超积累植物即可将土壤中的重金属降到可接受的水平。
比如，芥菜能够从土壤中吸收Pb、Cu和Ni等重金属物质并将其转移到地上部分，吸收重金属物质的量通常能够达到自身干重的1-9%[15]。
植物提取土壤污染物的过程和机制由4部分组成：
①土壤中重金属污染物的释放，不同形态的土壤重金属污染物相互作用和转换后达到平衡状态，转换为容易被植物根系吸收的重金属污染物；
②根系对重金属污染离子的吸收；
③引起重金属污染的离子从根向地上部运输；
④植物地上部累积重金属污染离子。
植物提取法不仅能够有效降低土壤中重金属污染物的含量，而且能够实现金属物质的回收利用，因此被认为是最经济有效的植物修复手段。
（2）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某些重金属转化为挥发形态，或者植物将某些重金属吸收到体内后将其转化为气态物质释放到环境空气中。
研究表明，花椰菜能够吸收土壤中的Se并将其以甲基硒酸盐的形式挥发[16]，故能够有效减少土壤中Se的含量。
然而这种方法只是改变了污染物存在的介质，释放到大气中的污染物将产生二次污染问题，仍会对人体造成伤害，故对环境安全存在一定风险。
（3）植物稳定是通过耐重金属植物及其根际微生物的分泌作用螯合、沉淀土壤中的重金属，以降低其生物有效性和移动性，达到固定、隔绝、阻止重金属进入食物链的途径和可能性，减少对环境和人类健康危害。
试验证明，Agrostistenuis和Festucarubra能够稳定土壤中的Pb和Zn，但在稳定过程中，土壤中重金属的含量并没有减少，只是存在形态发生改变。
当环境条件发生变化时，土壤中重金属可能会重新获得生物有效性。
因此，这种方法不能彻底解决土壤中重金属污染问题。
表2重金属污染土壤的植物修复技术比较
Tab.2Comparisonofdifferentphytoremediationapproaches
植物修复技术类型
优点
缺点
植物稳定
降低金属流动性，从而降低生物可利用性
不能彻底去除土壤中重金属离子
植物挥发
无须对植物进行产后处理
重金属转移到空气中，造成二次污染
植物提取
能够积累高浓度的重金属元素，实现金属的回收利用
地上部分处理问题
2.2.2超累积植物对污染物的富集及解毒机理
（1）活化。
土壤中重金属污染物主要难溶态形式存在，故需要将其转化为可吸收态才能被植物吸收。
超累积植物主要通过3种形式对土壤重金属污染物进行活化：
①通过根系分泌的酸性物质强化植物根系对重金属污染元素的活化和吸收；
②植物根系直接分泌污染物结合蛋白等与重金属污染物螯合；
③植物通过体内污染物还原酶将高价重金属污染离子还原，增大重金属污染物在土壤中的溶解性，便于植物根系对其吸收[17]。
（2）解毒。
重金属污染物对植物的毒害作用主要表现为两个方面：
①重金属污染物离子能与酶活性中或蛋白质中的巯基结合，使细胞代谢紊乱。
②重金属污染物会干扰细胞中物质的运输，并通过氧化还原反应而使细胞发生氧化损伤。
超累积植物的解毒机制即通过细胞壁将重金属污染物沉淀，从而降低重金属污染物对植物体的生理毒性。
重金属污染物主要与植体内各种蛋白结合而产生毒性，而超累积植物根系能够分泌较普通植物多的有机酸类物质并与重金属离子形成螯合物，降低重金属的毒性。
也有一些研究表明，超累积植物通过液泡的房室化作用起到对重金属的解毒效果[18]。
表3某些植物种对重金属的超富集状况及其来源[20]
Tab.1Someplanthyperaccumulatorsofheavymetalsandreferences
重金属元素Heavymetals
植物种
Plants
叶片中重金属Cont.inleaves（mg/kg）
发现地点Locationfound
文献来源References
Zn
遏蓝菜属（Thlaspicalaminare）
39600
德国
Reeves&
Brooks（1983）
Cd
遏蓝菜属（Thlaspicaerulescens）
1800
宾西法尼亚
Li,etal.（1977）
Cu
Aeollanthusbiformifolius
13700
扎伊尔）
Brooks,etal.（1978）
Ni
叶下珠属（Phyllanthusserpentinus）
38100
新喀里多尼亚
Kersten,etal.（1979）
Co
Haumaniastrumrobertii
10200
扎伊尔
Brooks（1977）
Se
黄芪属（Astragalusracemosus）
14900
怀俄明
Beath,etal.（1937）
Mn
串珠藤属（Alyxiarubricaulis）
11500
Brooks,etal.（1981）
金属在植物中的超积累是一种复杂的现象，因为超积累植物的金属吸收、转移和耐受分别受不同的基因控制，很难找到只耐受或只积累重金属的植物[19]。
超富集植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物（表3）。
通常，超富集植物的界定可考虑以下两个主要因素：
①植物地上部富集的重金属应达到一定的量；
②植物地上部的重金属含量应高于根部。
由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。
尽管目前世界上已经发现了大量的重金属超富集植物，但这些植物普遍存在生物量低、生长缓慢、地域性较强和修复时间较长等缺陷[1]。
许多学者在寻找超富集植物的同时也开始关注对重金属具有耐性、适应性
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