吳正卓 劉桂華 柴冠群 吳科堰 秦松

摘?要：當(dāng)今社會，土壤重金屬污染已成為世界范圍內(nèi)面臨的重要問題，采取土壤治理和修復(fù)是保證環(huán)境質(zhì)量安全、人體健康和社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。植物修復(fù)技術(shù)是利用綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對環(huán)境無害的一種綠色、健康的修復(fù)技術(shù)，也是當(dāng)前國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點。其中景天科（景天屬）植物——伴礦景天對重金屬污染土壤的吸取修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外產(chǎn)生了較大影響。本文對利用鎘超富集植物伴礦景天修復(fù)重金屬鎘污染土壤研究進展進行分析，主要從伴礦景天對鎘的耐性和富集機理、吸收及轉(zhuǎn)運機制、強化措施、產(chǎn)后處理技術(shù)以及產(chǎn)物資源化利用等方面進行綜述，并對基因工程在伴礦景天上的應(yīng)用，吸取強化措施和產(chǎn)后處理技術(shù)等方面進行了展望。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù);伴礦景天;鎘;土壤污染

中圖分類號：X53

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2018）06-0070-06?國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.06.012

鎘（Cd）屬于非必需元素，對動植物都具有較強的毒性，而且移動性強、中毒臨界濃度低、具積累效應(yīng)，是環(huán)境中最危險的重金屬之一[1]。調(diào)查顯示，我國土壤環(huán)境質(zhì)量整體不容樂觀，土壤區(qū)域污染較為嚴重，其中耕地土壤污染情況更為突出，點位超標(biāo)率達到19.4%，主要重金屬污染為Cd、Hg、Ni、Cu、As等。其中Cd的點位超標(biāo)率最高，達到7.0%[2]。2016年國務(wù)院頒布的《土壤污染防治行動計劃》，指出重點監(jiān)測的土壤五大重金屬，其中Cd排居首位。因此，土壤Cd污染修復(fù)治理迫在眉睫。

土壤重金屬污染修復(fù)方法主要有物理方法，化學(xué)方法和生物方法。物理方法主要有換土、玻璃化和電動修復(fù)等方法。雖然能較快的轉(zhuǎn)移和降低土壤重金屬污染，但是這幾種方法存在著一些缺點，如工程量大，成本費用高，不適用于大面積、中低濃度污染土壤，不能將重金屬從土壤中提取出來等因素限制了這類技術(shù)的推廣應(yīng)用。化學(xué)方法主要有固化、穩(wěn)定化，化學(xué)淋洗等技術(shù)，能快速靈活的應(yīng)用于多種重金屬污染的處理，但存在著一些不足，如成本較高，可操作性不強，大面積修復(fù)不適用以上方法，修復(fù)材料可能產(chǎn)生二次污染。最重要的是不能徹底的從土壤中清除掉重金屬，需要進行修復(fù)后監(jiān)測，防止重金屬再次活化。生物方法中的植物修復(fù)技術(shù)相比較于其它技術(shù)，具有成本低、易操作、安全、可原位修復(fù)性強、廢棄物產(chǎn)生量較少，并且可以回收重金屬等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注[3]。植物修復(fù)技術(shù)不僅可應(yīng)用于一些礦山、重金屬污染土壤的修復(fù)與治理，還能減少水土流失，對環(huán)境影響小，是現(xiàn)行的污染處理技術(shù)中最為清潔的一種。本文就近些年來發(fā)現(xiàn)的景天科（景天屬）超富集植物——伴礦景天（Sedum plumbisincicola X.H）為對象，從伴礦景天對土壤Cd富集機理、強化修復(fù)效果以及修復(fù)后植物體資源化利用等方面進行了綜述，并對伴礦景天修復(fù)Cd污染土壤時存在的問題進行展望。

1?植物修復(fù)概況

植物修復(fù)指利用植物對某種或某些化學(xué)元素的耐性和超量積累為理論基礎(chǔ)，清除土壤中污染物的一門環(huán)境污染治理技術(shù)。植物修復(fù)主要分為植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定、植物萃取三種[4]。其中植物萃取和植物穩(wěn)定是現(xiàn)在的研究重點，是土壤修復(fù)最具前景的方法[5]。植物萃取修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的限制因素主要是修復(fù)植物的生物量、生長周期、以及重金屬的耐性和富集能力。當(dāng)前，國際上發(fā)現(xiàn)了500多種的重金屬超積累植物，其中多數(shù)為專一型積累植物[6]。國內(nèi)對超富集植物的篩選研究成果也有不少，謝景千等[7]通過試驗得出，蜈蚣草（Pteris vittata）對As具有超強耐性和累積性，并進行了修復(fù)試驗，得出地上部As的含量可達1455 mg/kg，As每年可去除15.5 kg/hm2，具有良好的修復(fù)效果。廖斌等[8]對礦山鴨跖草（Commelina communis）進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)在低濃度Cu情況下礦山鴨跖草反而表現(xiàn)出生長緩慢，生物量小，根系生長抑制等現(xiàn)象，但是高濃度時情況恰好與之相反，礦山鴨跖草地上部Cu的含量超過了1000 mg/kg，對Cu具有很強的富集性。薛生國等[9]通過對礦區(qū)調(diào)查，得出一種多年生的草本植物——商陸（Phytolacca acinosa）對Mn具有一定的富集能力，其葉片中Mn的含量高達19299 mg/kg，其中陸商吸收的Mn有95%被轉(zhuǎn)移至地上部分，是良好的Mn修復(fù)植物。篩選成果雖然豐富，但以上超富集植物多為單一耐性和單一累積性，而現(xiàn)實的土壤污染多為兩種或以上的復(fù)合污染，治理難度相較于單一污染更為復(fù)雜。吳龍華等[10]在浙江鉛鋅礦地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一種景天科（景天屬）植物——伴礦景天，對Zn和Cd都具有很強的耐性和富集能力，在污染土壤上單位面積的生物量可達到6.01 t/hm2，Cd修復(fù)去除率為28.1%，是修復(fù)Zn、Cd復(fù)合污染土壤的良好修復(fù)植物。

2?伴礦景天富集鎘的機理

一定濃度的Cd會對植物產(chǎn)生毒害作用，如根系生長受阻，生物量降低等，而伴礦景天卻有著很好的耐性功能，地上部富集重金屬Cd能力較為理想，是研究超積累植物對Cd耐性和積累機制的重要材料。國內(nèi)研究人員對伴礦景天的Cd超積累和解毒生理機制進行研究，其中包括Cd對伴礦景天生長發(fā)育的影響，以及伴礦景天對Cd的吸收轉(zhuǎn)運、分布、解毒機制等。

2.1?鎘對伴礦景天生長的影響

一般來說，植物組織中的Cd濃度達到5～10 mg/kg，就會對植物體造成毒害[11]。而伴礦景天地上部Cd含量能達到587 mg/kg、9609 mg/kg卻未出現(xiàn)任何的毒害癥狀[12]。植物的生長發(fā)育大多需要通過根系從土壤中攝取營養(yǎng)元素，在這過程中就會不可避免地吸收重金屬元素。因此，根系通常是受毒害作用最直接的組織部位。植物根系生長抑制也是Cd對植物毒害的典型癥狀之一。伴礦景天在200 μmol/L的Cd脅迫下根系能正常生長，不同濃度下根系的生物量變化不明顯。Cd在植物體內(nèi)會降低光合作用速率和葉綠素含量，從而抑制碳的固定，從而影響植物生物量，但有人得出，在一定濃度范圍內(nèi)，Cd濃度的增加，會刺激伴礦景天生物量提升，增加地上部Cd的含量，提高了其轉(zhuǎn)運系數(shù)[13]。

2.2?伴礦景天對鎘的解毒機制

植物中的金屬硫蛋白也能通過某種特殊的方式與游離態(tài)的重金屬離子結(jié)合，形成金屬復(fù)合物，降低金屬離子濃度，達到緩解毒害的作用。居述云等[14]從伴礦景天葉片中克隆得到兩個金屬硫蛋白基因，能明顯的提高酵母突變體對高濃度鎘的耐性。鰲合作用也是植物對金屬離子解毒的主要方式，植物體內(nèi)的低分子有機酸、植物絡(luò)合素和金屬鰲合蛋白都能將重金屬轉(zhuǎn)換成不具備生物活性的無毒螯合物。朱艷霞等[15]研究得出，在Cd的脅迫下，同屬植物東南景天體內(nèi)會分泌出一些有機酸來絡(luò)合Cd2+，減少Cd2+與植物體內(nèi)的重要酶發(fā)生接觸的機會，降低Cd2+對植物的毒害。同時，伴礦景天的莖表皮細胞Cd的濃度是皮層的2.6倍，說明伴礦景天傾向于把Cd儲存于生理活性較低的組織當(dāng)中，如表皮細胞。另外植物細胞壁多糖也能起著間隔和沉淀重金屬的作用，降低其濃度，減少毒害[16]。

2.3?伴礦景天對鎘的吸收與轉(zhuǎn)運機制

Cd在水-土壤-植物系統(tǒng)中具有很強的遷移能力[17]。且伴礦景天對Zn、Cd都具有一定的富集能力，但Zn、Cd之間會存在著吸取競爭關(guān)系，如伴礦景天新葉部位對Cd的吸收是受Zn濃度的影響，呈現(xiàn)低濃度的Zn促進Cd的吸收，高濃度則抑制的現(xiàn)象。另外，新葉上的Cd濃度均高于其他部位[18]，說明伴礦景天更加傾向于向地上部分累積Cd。土壤中的Cd主要是依靠質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進入植物體內(nèi)，而裝載向地上部轉(zhuǎn)運這個過程中共質(zhì)體途徑起著主要作用[19]。超積累植物在受到重金屬脅迫時其根系可能會分泌出一些物質(zhì)來活化根際土壤和非根際土壤中的重金屬。第一季種植伴礦景天后，土壤中弱酸可提取態(tài)Cd顯著高于未種植伴礦景天的處理[20]，說明伴礦景天對Cd具有較強的活化能力，有助于對土壤中Cd的吸取。

2.4?鎘在伴礦景天的分布

研究顯示[21]，水培條件下伴礦景天組織中Cd濃度為葉>莖>根，根、莖、葉最高濃度分別可達1331 mg/kg、3845 mg/kg、5764 mg/kg。超積累植物景天屬的葉部是Cd的重要存儲部器官[22]，伴礦景天在水培環(huán)境下新葉片Cd的濃度能達到15057 mg/kg。也能驗證這個說法。對于亞細胞分布來說，伴礦景天的莖部分更傾向于將Cd存儲于生理活性較低的表皮組織，葉片中則分布比較均勻。李思亮等[13]也得出伴礦景天新葉部Cd的含量均高于成熟葉片。

3?伴礦景天修復(fù)鎘污染土壤的強化措施

植物吸取修復(fù)效率與土壤污染物濃度、有效性、植物富集能力、生物量有關(guān)，其中污染物濃度越高，修復(fù)效率越低[23]。因此，為促進修復(fù)植物的生長，提高修復(fù)效率，相關(guān)學(xué)者在植物吸取修復(fù)的強化措施方面進行了系統(tǒng)研究，包括施肥、水分管理、土壤改良、植物間套作、作物育種、栽培等農(nóng)藝措施，以及添加化學(xué)調(diào)控劑和微生物強化措施等。

3.1?農(nóng)藝強化

種植密度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)量重要的技術(shù)因素。不同種植密度可能導(dǎo)致修復(fù)植物地上部產(chǎn)量存在差異從而造成重金屬吸取量的差別。劉玲等[24]通過試驗得出，適宜的種植密度能夠增加伴礦景天地上部產(chǎn)量，增大地上部Cd的吸取量，有利于Cd污染農(nóng)田土壤修復(fù)，但種植密度太高則對伴礦景天地上部產(chǎn)量和植物體內(nèi)Cd濃度沒有顯著效果。

我國人均耕地面積較少，在污染地塊實行邊生產(chǎn)邊修復(fù)就顯得尤為重要。居述云等[25]研究表明，小麥和伴礦景天進行間作耕種模式，不但有效減少土壤中Cd的濃度，又能降低小麥和后茬作物體內(nèi)的Cd污染風(fēng)險。但也有研究發(fā)現(xiàn)，小麥與超積累植物間作，增大了小麥對土壤中重金屬的吸收，且對后茬作物水稻地上部Zn、Cd濃度的影響較小，但水稻糙米重金屬含量與前季單作小麥處理相比呈下降趨勢[26]。另外，伴礦景天與絲瓜的間作系統(tǒng)存在著絲瓜果實中Cd濃度增加的情況，但間作時向土壤中添加固鎘菌或者施加熔融含鎂磷肥可將土壤中Cd的有效態(tài)含量降低，而且還有增加絲瓜結(jié)實數(shù)量的顯著效果[27]。

施肥是具有提高土壤肥力而增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施。對于修復(fù)植物來說，增施肥料也能提高其修復(fù)效果。相關(guān)研究表明，施加氮肥能顯著增加?xùn)|南景天體內(nèi)Cd的濃度，并指出銨態(tài)氮能更好的提升東南景天對Cd污染土壤的吸取修復(fù)效果[28]。但也有不同研究顯示，氮肥雖能增加伴礦景天的生物量，卻不利于提高地上部分重金屬濃度。需要合理配施肥料，如低量氮肥和磷肥以及較高的鉀肥，種植伴礦景天吸收土壤中的Cd達到最好效果[29]。另外，施用有機肥能顯著增加伴礦景天的地上部分生物量和Cd含量，且對其賦存形態(tài)沒有影響[30]。

伴礦景天雖屬于耐旱植物，但適宜的水分會提高其修復(fù)效果。研究得出，在70%土壤最大田間持水量下，伴礦景天地上部鮮重顯著高于其他處理，對Cd吸取能力最強[31]。

適宜的水肥條件是保證植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)之一，但一些土壤物理性質(zhì)，如土壤容重或緊實度過高或者過低都會影響植株生長發(fā)育，嚴重時會降低產(chǎn)量。王麗麗等[32]得出土壤緊實度對壤黏土上伴礦景天的Cd吸取效率影響最明顯，砂質(zhì)黏土、黏土次之。隨著緊實度的提高，雖然根系活力顯著提升，而地上部分的生物量和Cd含量卻呈現(xiàn)下降趨勢。植物通過光合作用來固定有機物，從而供養(yǎng)植物的生長。研究得出，光照強度降低，伴礦景天生物量也隨之降低，當(dāng)光照強度低于400～500 μmol/m2·s時地上部分Cd吸收量顯著下降[33]。

3.2?化學(xué)調(diào)控

土壤中重金屬的活性，是影響植物對重金屬吸取的重要因素之一。人工合成螯合劑可以改變重金屬元素在土壤中的儲存形態(tài)，提高其在土壤中生物有效性，進而強化修復(fù)植物對重金屬元素的吸收。EDTA作為萃取劑應(yīng)用到土壤中是能降低土壤對重金屬的的吸附能力，有利于植物的吸收達到提高植物修復(fù)效果的作用。但EDTA具有很強的絡(luò)合能力，在環(huán)境中不容易被降解，會存在著二次環(huán)境污染風(fēng)險。衛(wèi)澤斌等[34]采用了一種可生物降解且螯合能力與EDTA效果相差不大的螯合劑GLDA應(yīng)用到東南景天的強化修復(fù)中，得出GLDA相較于EDTA的強化吸取重金屬Cd能力是更為出色，同時還降低了二次污染的風(fēng)險。另外，任婧等[35]得出向污染土壤中施加適宜量的硫粉能顯著增加伴礦景天地上部生物量，而IDS則顯著降低其上部Cd的濃度。也有研究得出表面活性劑SDBS對土壤中鐵錳結(jié)合態(tài)的鎘有很好的活化效果，能提升伴礦景天對鎘的吸收效果[36]。同時，施加化學(xué)有機調(diào)控劑不僅能明顯提升土壤中pH值和提升土壤溶液中的Cd濃度，且能夠促進伴礦景天對土壤中Cd的吸收，顯著提高了其對Cd污染土壤的修復(fù)效率[37]。

3.3?微生物強化

微生物在重金屬污染的土壤修復(fù)方面，耐Cd微生物具有獨特的作用，通過其代謝活動及產(chǎn)物改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)，將土壤中難為被修復(fù)植物吸收的重金屬形態(tài)活化成為水溶態(tài)或交換態(tài)，提高植物修復(fù)效率[38]。周慧芳等[36]得出耐Cd菌可活化土壤中難溶態(tài)Cd，而且耐Cd菌與伴礦景天聯(lián)合修復(fù)后，修復(fù)植物吸收Cd的量，修復(fù)過后土壤中的酶活性、微生物數(shù)量都遠高于同屬景天植物。木霉是一種優(yōu)良的微生物資源，能促進植物種子萌發(fā)、植株生長，提高植物生物量等優(yōu)點而備受關(guān)注[39]。馬文亭等[40]研究發(fā)現(xiàn)里氏木霉FS10-C對Cd具有一定耐性而且還能顯著促進伴礦景天的生物量以及地上部Cd的累積量。也有學(xué)者將里氏木霉FS10-C制成可濕粉劑，能顯著提升伴礦景天地上部分的生物量[41]。接種宿主植物根際促生菌可增大土壤中Cd的活性，促進伴礦景天生長及對Cd的吸收，提高了伴礦景天的修復(fù)效率[42]。

4?伴礦景天產(chǎn)后處理

超積累植物在污染農(nóng)田土壤修復(fù)方面有著廣泛的應(yīng)用前景，但是收獲物的快速處置是急需解決的技術(shù)問題之一。目前常用的方法有焚燒法、壓縮填埋法、堆肥法、高溫分解、灰化法、液相提取法等。對于伴礦景天的產(chǎn)后收獲物處理也有不同的研究。如采用壓碎、壓榨方法將產(chǎn)后的鮮樣進行處理，得到的殘渣進行晾干過后統(tǒng)一處理，漿液則用絮凝劑、重金屬捕捉劑和調(diào)節(jié)pH進行處理，液體達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)后排放[43]，但是成本相對較高。也有人將修復(fù)污染土壤過后的伴礦景天用來提取生物質(zhì)原油，廢渣的處理也符合國內(nèi)固體廢棄物的排放標(biāo)準(zhǔn)[44]。因燃燒法會產(chǎn)生大量的危險尾氣，可能造成二次污染，薛輝等[45]提出將伴礦景天與煤混合燃燒更加有利于Cd保留在底渣當(dāng)中，便于后續(xù)處理。

5?展望

我國污染土壤修復(fù)任務(wù)艱巨，伴礦景天是一項良好的修復(fù)技術(shù)，但技術(shù)實用性和成本高是限制其推廣的主要因素，在以后的研究工作中可從技術(shù)的實用性，經(jīng)濟性方面進行研究，加大該技術(shù)的推廣。目前伴礦景天修復(fù)Cd污染土壤的研究大多為盆栽和田間試驗，但從技術(shù)理論到實際生產(chǎn)應(yīng)用，需要完整的、大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的農(nóng)藝管理措施，因此，應(yīng)該加強伴礦景天的修復(fù)強化措施進行系統(tǒng)化的大田試驗研究。修復(fù)植物的生物量和生長周期是影響修復(fù)效率的重要因素，現(xiàn)如今分子生物技術(shù)快速發(fā)展，從生物學(xué)和基因工程的角度開展研究，提升伴礦景天的生物量、縮短其生長周期、提高對Cd的富集能力成為可能。現(xiàn)行的產(chǎn)后處理技術(shù)中多為燃燒、碾碎等簡單的處理技術(shù)，今后應(yīng)該向成本低、資源再次利用率高、二次污染風(fēng)險低的產(chǎn)后處理技進行研究。

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