土壤重金屬鎘污染的生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展
自20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)鎘(Cadmium，以下簡(jiǎn)稱(chēng)Cd)以來(lái)，Cd被廣泛應(yīng)用于電鍍工業(yè)、化工業(yè)、電子業(yè)和核工業(yè)等領(lǐng)域，需求量也越來(lái)越大，相當(dāng)數(shù)量的Cd通過(guò)廢氣、廢水、廢渣排人環(huán)境，造成污染。土壤中Cd超標(biāo)一方面會(huì)對(duì)植物造成毒害并使經(jīng)濟(jì)作物減產(chǎn)，另外也會(huì)被植物吸收并富集在籽實(shí)內(nèi)進(jìn)入食物鏈。Cd一旦通過(guò)各種方式進(jìn)入人體，就會(huì)在人體內(nèi)蓄積起來(lái)，其生物學(xué)半衰期長(zhǎng)達(dá)lO至30年．有關(guān)土壤環(huán)境中Cd通過(guò)食物鏈對(duì)人類(lèi)造成的危害在上世紀(jì)就開(kāi)始有報(bào)道，人體攝入過(guò)量的Cd易引起前列腺癌、腎癌和痛痛病等疾病。
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量Cd的使用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中污灌、施肥等行為的加劇，受污染環(huán)境中的Cd含量也逐年上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年在世界范圍內(nèi)進(jìn)入土壤的Cd總量為2.2萬(wàn)t。目前，我國(guó)受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2000萬(wàn)hm²，約占總耕地面積的1／5；其中工業(yè)“三廢”污染耕地面積l000萬(wàn)hm²，污水灌溉的農(nóng)田面積已達(dá)330多萬(wàn)hm²。在土壤重金屬污染中，Cd污染非常嚴(yán)重。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)污灌農(nóng)田為14000000hm²，由于污灌不當(dāng)對(duì)6300000hm²農(nóng)田造成不同程度的污染，其中Cd污染耕地130000hm²，涉及11個(gè)省市的25個(gè)地區(qū)，每年生產(chǎn)cd米(Cd含量≥1.0mg／kg的糙米)50000000kg。如沈陽(yáng)市張士灌區(qū)因污染可能會(huì)生產(chǎn)Cd米的面積約為329hm²，土壤中的作物受Cd污染導(dǎo)致“Cd米”的地區(qū)還有：上海的沙川灌區(qū)、江西大余縣灌區(qū)、廣東的廣州和韶關(guān)地區(qū)、廣西的陽(yáng)朔和湖南的衡陽(yáng)等地，近幾年，Cd污染的狀況有日益嚴(yán)重之勢(shì)，這嚴(yán)重影響到糧食產(chǎn)量和糧食安全問(wèn)題。
1 土壤中的Cd及其來(lái)源
1．1 土壤中的Cd及其存在形態(tài)
Cd在地殼中的含量較少，世界上多數(shù)土壤Cd含量為0.01～2.0mg／L，平均值為0.35mg／L。在我國(guó)，據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(1990年)報(bào)告，全國(guó)41個(gè)土類(lèi)Cd的背景值差異明顯，Cd含量變化范圍在0.017～0.332mg／kg之間。由于土壤腐殖質(zhì)對(duì)Cd有富集作用，有的土壤Cd含量可高達(dá)4.5mg／kg。隨水流遷移到土壤中的Cd可被土壤吸附，吸附的Cd一般在0～15cm的土壤表層累積，15cm以下含量顯著減少。
重金屬Cd在土壤中以水溶態(tài)和難溶態(tài)的形式存在．水溶性Cd主要以離子態(tài)或絡(luò)合態(tài)存在，如Cd2+、CdC1+、CdSO4等；難溶性Cd以交換態(tài)(粘土交換及腐殖質(zhì)交換)、化學(xué)沉淀態(tài)及難溶性螯合態(tài)存在于土壤顆粒中，如CdS、CdCO3等。
1．2 Cd的來(lái)源
土壤中Cd的來(lái)源方式主要是自然過(guò)程、采礦、冶煉、污灌、施肥、大氣沉降等，自然過(guò)程對(duì)土壤中Cd的輸入主要通過(guò)巖石風(fēng)化和火山活動(dòng)等地質(zhì)和環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程．魯如坤等(1992年)根據(jù)歐共體國(guó)家1975年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字推算，土壤外源Cd有6％來(lái)自生產(chǎn)Cd的工業(yè)，57％來(lái)自使用Cd為原料的工業(yè)，37％來(lái)自其他工業(yè)來(lái)源。其中，每年來(lái)自農(nóng)業(yè)和動(dòng)物廢物Cd的含量為0.22萬(wàn)t、城市污水和廢水等0.438萬(wàn)t、礦物灰0.72萬(wàn)t、肥料和殺蟲(chóng)劑0.02萬(wàn)t、工廠廢棄物0.12萬(wàn)t、大氣沉降物0.5萬(wàn)t等。
2 修復(fù)技術(shù)
目前，對(duì)于重金屬污染土壤的治理主要包括工程措施、化學(xué)治理措施、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施和生物修復(fù)措施等方面，對(duì)于Cd污染土壤的治理也是使用這些方法，在實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)根據(jù)土壤中Cd污染濃度、存在形態(tài)以及土壤特性等情況選擇合適的方法進(jìn)行修復(fù)，以達(dá)到較高的修復(fù)效率。
2．1 工程措施
工程措施包括客土法、換土法、深耕翻土法、固化、穩(wěn)定化方法、電動(dòng)力修復(fù)法等，工程措施具有穩(wěn)定、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，但存在工程量大、投資費(fèi)用高、二次污染隱患等缺點(diǎn)，不適宜大面積污染土壤的治理，因此，其不是一種理想修復(fù)土壤Cd污染的方法。
2．2 化學(xué)治理措施
化學(xué)治理措施包括淋溶法、施用改良劑等方法，這些方法能夠在短期內(nèi)降低土壤中重金屬的毒性和生物有效性，但此方法因人為向土壤中施加化學(xué)藥劑，易造成二次污染，且該方法是一種原位修復(fù)方法，重金屬Cd仍存留在土壤中，容易再度活化危害植物，其潛在威脅并未消除。此外，就修復(fù)后土壤的長(zhǎng)期有效性和生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，還缺乏深入細(xì)致的研究。
2．3 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施
近年來(lái)，一系列農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施被逐漸應(yīng)用于受重金屬污染土壤的修復(fù)，農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施是通過(guò)調(diào)節(jié)諸如土壤水分、土壤pH值、土壤陽(yáng)離子代換量(CEC)、CaCo3和土壤氧化還原狀況及氣溫、濕度等因素，改變土壤中Cd的活性，降低其生物有效性，以減弱重金屬對(duì)植物的毒害作用。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)方面我國(guó)研究的較多，取得了一定的成就，該方法實(shí)施過(guò)程中，要系統(tǒng)考慮土壤物理、化學(xué)特性的相互影響和作用，目前仍缺少對(duì)此方面的系統(tǒng)研究，另外，該方法也是一種原位修復(fù)技術(shù)，cd形態(tài)發(fā)生了改變，但仍存在土壤中，容易再度活化，對(duì)生物產(chǎn)生危害。
2．4 生物修復(fù)措施
2．4．1 微生物修復(fù)
土壤微生物包括與植物根部相關(guān)的自由微生物、共生根際細(xì)菌、菌根真菌，它們是根際生態(tài)區(qū)的完整組成部分。微生物在修復(fù)被重金屬污染的土壤方面具有獨(dú)特的作用，其抗重金屬機(jī)制包括生物吸附、胞外沉淀、生物轉(zhuǎn)化、生物累積和外排作用。通過(guò)這些作用，微生物一方面可以降低土壤中重金屬的毒性，并可以吸附積累重金屬；另一方面可以改變根系微環(huán)境，從而提高植物對(duì)重金屬的吸收、揮發(fā)或固定效率。
目前，大部分微生物修復(fù)技術(shù)還局限在科研和實(shí)驗(yàn)室水平，實(shí)例研究還不多，無(wú)法大面積推廣，對(duì)于微生物修復(fù)技術(shù)還需做更深人探索。
2．4．2 動(dòng)物修復(fù)
利用土壤中的某些低等動(dòng)物如蚯蚓能吸收重金屬的特性，在一定程度上降低了污染土壤中重金屬比例，達(dá)到了動(dòng)物修復(fù)重金屬污染土壤的目的。目前利用低等生物進(jìn)行重金屬cd污染修復(fù)的研究仍局限在實(shí)驗(yàn)室階段，且因受低等動(dòng)物生長(zhǎng)環(huán)境等因素制約，其修復(fù)效率一般，并不是一種理想的修復(fù)技術(shù)。
3 植物修復(fù)
3．1 植物修復(fù)的概念和類(lèi)型
植物修復(fù)是指利用植物轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化環(huán)境介質(zhì)中有毒有害污染物，使其對(duì)環(huán)境無(wú)害，使污染環(huán)境得到修復(fù)與治理。它是一項(xiàng)新興的污染環(huán)境治理技術(shù)，屬于生物修復(fù)的范疇。廣義上的植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物吸收、提取、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物的技術(shù)的總稱(chēng)。而狹義上的植物修復(fù)技術(shù)是指將某種特定的植物種植在重金屬污染的土壤上，該種植物對(duì)土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，將植物收獲并進(jìn)行妥善處理(如灰化回收)后即可將該種重金屬移出土體，達(dá)到污染治理與生態(tài)修復(fù)的目的。與傳統(tǒng)的修復(fù)方法相比，植物修復(fù)具有綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。
植物去除土壤中重金屬的機(jī)理主要依靠植物萃取作用、根系過(guò)濾作用、植物揮發(fā)作用和植物固定化作用。根據(jù)修復(fù)植物在某一方面的修復(fù)功能和特點(diǎn)，可將植物修復(fù)分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種類(lèi)型。
植物提取法是利用一些植物對(duì)某種重金屬的吸收和在地上部的蓄積，并通過(guò)收獲地上部達(dá)到減少土壤重金屬含量的目的。當(dāng)?shù)厣喜繉?duì)某種重金屬的蓄積達(dá)到一定量可稱(chēng)之為超積累或超富集植物，規(guī)定植物積累的Cd含量一般在100mg／kg以上。
植物揮發(fā)是指植物吸收土壤中的重金屬，將體內(nèi)重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的狀態(tài)，并通過(guò)植物的葉片等部位揮發(fā)出去，從而降低土壤中重金屬含量，這種修復(fù)方法應(yīng)用范圍較小，更多的用于一些揮發(fā)性的重金屬，比如№ 、Se等。并且，通過(guò)植物揮發(fā)雖然減少了土壤中重金屬含量，但揮發(fā)出的重金屬進(jìn)入大氣，會(huì)造成大氣的重金屬污染。筆者認(rèn)為，從整體環(huán)境考慮，修復(fù)土壤中的重金屬污染不能以對(duì)其他環(huán)境造成污染為代價(jià)。
植物穩(wěn)定是通過(guò)吸收、分解、氧化、固定等過(guò)程，降低重金屬的流動(dòng)性和生物可利用性，防止重金屬的滲漏和轉(zhuǎn)移，減少重金屬對(duì)植物的危害。在這一過(guò)程中，土壤中重金屬含量并不減少，只是存在形態(tài)發(fā)生了變化。通過(guò)大面積種植此類(lèi)作物，可有效降低廢棄礦場(chǎng)和重金屬污染嚴(yán)重地區(qū)重金屬的危害。
3．2 Cd污染土壤植物修復(fù)研究現(xiàn)狀
1977年Brooks等首次提出了超積累植物的概念，1983年，美國(guó)科學(xué)家Chaney等首次提出運(yùn)用超積累植物去除土壤中重金屬污染物的設(shè)想。目前，國(guó)內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的各類(lèi)超積累植物有700多種，大部分都在國(guó)外。Cd的超積累植物近年來(lái)也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如王松良等研究了蕓苔屬蔬菜對(duì)Cd的富集特性并發(fā)現(xiàn)這類(lèi)植物對(duì)修復(fù)土壤Cd污染有一定的潛力；劉威發(fā)現(xiàn)寶山堇菜可以富集Cd，在自然條件下，其地上部Cd平均含量為1168mg／kg；魏樹(shù)和通過(guò)盆栽模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)龍葵(Solanum nigrum)滿(mǎn)足Cd超積累植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)；王激清通過(guò)水培與土培實(shí)驗(yàn)篩選出了芥菜型油菜川油lI一10為理想的高積累Cd油菜；熊愈輝通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)礦山型東南景天是一種Cd超積累植物；彭克儉等研究的結(jié)果表明龍須眼子菜能有效轉(zhuǎn)移水中的Cd、Pb，可以作為吸附劑用于含Cd、含Pb廢水的處理；聶發(fā)輝發(fā)現(xiàn)株洲冶煉廠生產(chǎn)區(qū)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的商陸是一種Cd的超積累植物；潘志明等采用正交試驗(yàn)法對(duì)腎蕨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腎蕨對(duì)Cd、Hg有較好的富集作用。國(guó)外發(fā)現(xiàn)的Cd超積累植物還有Baker 1989年在歐洲中西部發(fā)現(xiàn)的能富集Cd高達(dá)2130mg／kg的十字花科植物天藍(lán)褐藍(lán)菜、Thlaspi caerulescens J&C Presl和Arabidopsishalleri(L)0 Kane&Al—Shehbaz等等。我國(guó)植物種類(lèi)繁多，資源豐富，在尋找Cd的超積累植物方面仍有很大空間。
目前，利用植物修復(fù)cd污染土壤的做法正在被越來(lái)越多的研究人員所推崇，此做法也得到社會(huì)的認(rèn)可和強(qiáng)烈關(guān)注，是一個(gè)前景廣闊的研究領(lǐng)域。此方法的關(guān)鍵是通過(guò)多種方法找尋更多超積累植物或修復(fù)效率高的植物，有部分研究人員還提出可以用大生物量的植物進(jìn)行替代，雖然有些植物不是超積累植物，但因其生物量大和對(duì)重金屬有耐性等特征，仍能應(yīng)用于重金屬污染土壤的植物修復(fù)。比如有研究人員用煙草、美人蕉等作物進(jìn)行Cd污染土壤的植物修復(fù)研究，也取得了很好的效果，這也為其他研究人員提供了一種思路。
3．3 Cd污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足
與傳統(tǒng)的化學(xué)修復(fù)、物理和工程修復(fù)相比，植物修復(fù)技術(shù)有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：植物修復(fù)技術(shù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，對(duì)土壤擾動(dòng)小，可永久解決土壤污染問(wèn)題，并可大面積修復(fù)受污染土壤。另外，在污染土壤上種植植物對(duì)環(huán)境有綠化和美化作用，并利于生態(tài)系統(tǒng)的保持，易于被人們接受，目前已有學(xué)者開(kāi)始研究用觀賞性植物進(jìn)行修復(fù)。此外，與其他修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)技術(shù)成本較低。
植物修復(fù)技術(shù)目前仍處在實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)于污染環(huán)境治理的具體應(yīng)用而言，還存在一些局限性，目前發(fā)現(xiàn)的可用于植物修復(fù)的超積累植物一般都存在地上部作物量小、生長(zhǎng)緩慢和季節(jié)性較強(qiáng)的限制，耗時(shí)較長(zhǎng)，修復(fù)效率不高。另外，不同的植物僅對(duì)某一種污染有較好的修復(fù)效果，對(duì)于復(fù)合型污染的修復(fù)則收效甚微。此外，在植物修復(fù)過(guò)程中，還應(yīng)防止植物的籽實(shí)可能被誤食導(dǎo)致食物鏈污染。
植物修復(fù)技術(shù)目前受其局限性制約，無(wú)法大面積應(yīng)用于實(shí)地修復(fù)，面對(duì)日益嚴(yán)重的重金屬污染，當(dāng)務(wù)之急是需要完善植物修復(fù)技術(shù)，提高植物修復(fù)效率。
4 Cd污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究展望
目前，因工業(yè)三廢、污灌等原因?qū)е碌耐寥繡d污染越來(lái)越嚴(yán)重，眾多研究人員對(duì)污染土壤的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了大量卓有成效的研究，生物修復(fù)尤其是植物修復(fù)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇，并不斷有新突破。在以后的生物修復(fù)技術(shù)研究過(guò)程中，以下幾方面將會(huì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)：
4．1 重金屬污染土壤修復(fù)植物的選育
目前，全世界已經(jīng)篩選出數(shù)量眾多的Cd的超積累植物，但這些超積累植物普遍存在生物量小、修復(fù)效率不高的缺陷，找尋生物量大、易于收割、氣候適應(yīng)性強(qiáng)的超積累植物仍是當(dāng)前的重點(diǎn)工作之一。除草本植物外，也可對(duì)木本植物進(jìn)行選育，有研究人員用楊樹(shù)和柳樹(shù)做了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)重金屬Cd污染土壤的修復(fù)具有良好的效果和作用。此外，可通過(guò)選育多種超積累植物，用這些植物在重金屬污染土壤區(qū)域構(gòu)建立體生物群落，在不同季節(jié)，進(jìn)行不同組合，實(shí)現(xiàn)生物多樣性并提高修復(fù)效率。
4．2 植物根際圈內(nèi)環(huán)境研究
菌根真菌對(duì)根際圈內(nèi)的重金屬具有吸收、屏障及螯合作用，能影響菌根植物對(duì)重金屬的積累和分配，使菌根植物體內(nèi)重金屬積累量增加，提高植物提取的效果。此外，根際圈內(nèi)細(xì)菌也能吸附和固定重金屬，說(shuō)明細(xì)菌對(duì)重金屬也有修復(fù)作用。怎樣使菌根一植物～ 微生物修復(fù)體系達(dá)到最佳組合，將成為一個(gè)新的研究方向。
4．3 生物工程技術(shù)和基因工程技術(shù)的應(yīng)用
建立Cd的超積累植物基因庫(kù)，資源共享，加快研究步伐．通過(guò)應(yīng)用生物工程技術(shù)和基因工程技術(shù)，將Cd超積累植物的基因?qū)说缴锪看蟆⑸L(zhǎng)迅速、季節(jié)適應(yīng)性強(qiáng)的植物體內(nèi)，可以培育出較理想的超積累植物，此技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，將會(huì)突破目前超積累植物選育的瓶頸，并將因其綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效而在以后的重金屬污染土壤修復(fù)方面發(fā)揮不可替代的作用。
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