土壤重金屬鎘污染的生物修復技術進展
自20世紀初發(fā)現(xiàn)鎘(Cadmium，以下簡稱Cd)以來，Cd被廣泛應用于電鍍工業(yè)、化工業(yè)、電子業(yè)和核工業(yè)等領域，需求量也越來越大，相當數(shù)量的Cd通過廢氣、廢水、廢渣排人環(huán)境，造成污染。土壤中Cd超標一方面會對植物造成毒害并使經濟作物減產，另外也會被植物吸收并富集在籽實內進入食物鏈。Cd一旦通過各種方式進入人體，就會在人體內蓄積起來，其生物學半衰期長達lO至30年.有關土壤環(huán)境中Cd通過食物鏈對人類造成的危害在上世紀就開始有報道，人體攝入過量的Cd易引起前列腺癌、腎癌和痛痛病等疾病。
隨著工農業(yè)生產中大量Cd的使用，農業(yè)生產過程中污灌、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，每年在世界范圍內進入土壤的Cd總量為2.2萬t。目前，我國受Cd、As、Cr、Pb等重金屬污染的耕地面積近2000萬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hm2，污水灌溉的農田面積已達330多萬hm2。在土壤重金屬污染中，Cd污染非常嚴重。20世紀90年代初，我國污灌農田為14000000hm2，由于污灌不當對6300000hm2農田造成不同程度的污染，其中Cd污染耕地130000hm2，涉及11個省市的25個地區(qū)，每年生產cd米(Cd含量≥1.0mg/kg的糙米)50000000kg。如沈陽市張士灌區(qū)因污染可能會生產Cd米的面積約為329hm2，土壤中的作物受Cd污染導致“Cd米”的地區(qū)還有：上海的沙川灌區(qū)、江西大余縣灌區(qū)、廣東的廣州和韶關地區(qū)、廣西的陽朔和湖南的衡陽等地，近幾年，Cd污染的狀況有日益嚴重之勢，這嚴重影響到糧食產量和糧食安全問題。
1 土壤中的Cd及其來源
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，據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站(1990年)報告，全國41個土類Cd的背景值差異明顯，Cd含量變化范圍在0.017～0.332mg/kg之間。由于土壤腐殖質對Cd有富集作用，有的土壤Cd含量可高達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)(粘土交換及腐殖質交換)、化學沉淀態(tài)及難溶性螯合態(tài)存在于土壤顆粒中，如CdS、CdCO3等。
1.2 Cd的來源
土壤中Cd的來源方式主要是自然過程、采礦、冶煉、污灌、施肥、大氣沉降等，自然過程對土壤中Cd的輸入主要通過巖石風化和火山活動等地質和環(huán)境地球化學過程.魯如坤等(1992年)根據(jù)歐共體國家1975年的統(tǒng)計數(shù)字推算，土壤外源Cd有6%來自生產Cd的工業(yè)，57%來自使用Cd為原料的工業(yè)，37%來自其他工業(yè)來源。其中，每年來自農業(yè)和動物廢物Cd的含量為0.22萬t、城市污水和 廢水等0.438萬t、礦物灰0.72萬t、肥料和殺蟲劑0.02萬t、工廠廢棄物0.12萬t、大氣沉降物0.5萬t等。
2 修復技術
目前，對于重金屬污染土壤的治理主要包括工程措施、化學治理措施、農業(yè)生態(tài)修復措施和生物修復措施等方面，對于Cd污染土壤的治理也是使用這些方法，在實際應用中，一般會根據(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行修復，以達到較高的修復效率。
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、電動力修復法等，工程措施具有穩(wěn)定、見效快的優(yōu)點，但存在工程量大、投資費用高、二次污染隱患等缺點，不適宜大面積污染土壤的治理，因此，其不是一種理想修復土壤Cd污染的方法。
2.2 化學治理措施
化學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藥劑，易造成二次污染，且該方法是一種原位修復方法，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，就修復后土壤的長期有效性和生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性來說，還缺乏深入細致的研究。
2.3 農業(yè)生態(tài)修復措施
近年來，一系列農業(yè)生態(tài)修復措施被逐漸應用于受重金屬污染土壤的修復，農業(yè)生態(tài)修復措施是通過調節(jié)諸如土壤水分、土壤pH值、土壤陽離子代換量(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，以減弱重金屬對植物的毒害作用。農業(yè)生態(tài)修復方面我國研究的較多，取得了一定的成就，該方法實施過程中，要系統(tǒng)考慮土壤物理、化學特性的相互影響和作用，目前仍缺少對此方面的系統(tǒng)研究，另外，該方法也是一種原位修復技術，cd形態(tài)發(fā)生了改變，但仍存在土壤中，容易再度活化，對生物產生危害。
2.4 生物修復措施
2.4.1 微生物修復
土壤微生物包括與植物根部相關的自由微生物、共生根際細菌、菌根真菌，它們是根際生態(tài)區(qū)的完整組成部分。微生物在修復被重金屬污染的土壤方面具有獨特的作用，其抗重金屬機制包括生物吸附、胞外沉淀、生物轉化、生物累積和外排作用。通過這些作用，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，從而提高植物對重金屬的吸收、揮發(fā)或固定效率。
目前，大部分微生物修復技術還局限在科研和實驗室水平，實例研究還不多，無法大面積推廣，對于微生物修復技術還需做更深人探索。
2.4.2 動物修復
利用土壤中的某些低等動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，達到了動物修復重金屬污染土壤的目的。目前利用低等生物進行重金屬cd污染修復的研究仍局限在實驗室階段，且因受低等動物生長環(huán)境等因素制約，其修復效率一般，并不是一種理想的修復技術。
3 植物修復
3.1 植物修復的概念和類型
植物修復是指利用植物轉移、容納或轉化環(huán)境介質中有毒有害污染物，使其對環(huán)境無害，使污染環(huán)境得到修復與治理。它是一項新興的污染環(huán)境治理技術，屬于生物修復的范疇。廣義上的植物修復技術是指利用植物吸收、提取、分解、轉化或固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物的技術的總稱。而狹義上的植物修復技術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，將植物收獲并進行妥善處理(如灰化回收)后即可將該種重金屬移出土體，達到污染治理與生態(tài)修復的目的。與傳統(tǒng)的修復方法相比，植物修復具有綠色、環(huán)保、經濟等優(yōu)勢。
植物去除土壤中重金屬的機理主要依靠植物萃取作用、根系過濾作用、植物揮發(fā)作用和植物固定化作用。根據(jù)修復植物在某一方面的修復功能和特點，可將植物修復分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種類型。
植物提取法是利用一些植物對某種重金屬的吸收和在地上部的蓄積，并通過收獲地上部達到減少土壤重金屬含量的目的。當?shù)厣喜繉δ撤N重金屬的蓄積達到一定量可稱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，將體內重金屬轉化為可揮發(fā)的狀態(tài)，并通過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，這種修復方法應用范圍較小，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)出的重金屬進入大氣，會造成大氣的重金屬污染。筆者認為，從整體環(huán)境考慮，修復土壤中的重金屬污染不能以對其他環(huán)境造成污染為代價。
植物穩(wěn)定是通過吸收、分解、氧化、固定等過程，降低重金屬的流動性和生物可利用性，防止重金屬的滲漏和轉移，減少重金屬對植物的危害。在這一過程中，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。通過大面積種植此類作物，可有效降低廢棄礦場和重金屬污染嚴重地區(qū)重金屬的危害。
3.2 Cd污染土壤植物修復研究現(xiàn)狀
1977年Brooks等首次提出了超積累植物的概念，1983年，美國科學家Chaney等首次提出運用超積累植物去除土壤中重金屬污染物的設想。目前，國內外已發(fā)現(xiàn)的各類超積累植物有700多種，大部分都在國外。Cd的超積累植物近年來也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如王松良等研究了蕓苔屬蔬菜對Cd的富集特性并發(fā)現(xiàn)這類植物對修復土壤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;魏樹和通過盆栽模擬實驗發(fā)現(xiàn)龍葵(Solanum nigrum)滿足Cd超積累植物的衡量標準;王激清通過水培與土培實驗篩選出了芥菜型油菜川油lI一10為理想的高積累Cd油菜;熊愈輝通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)礦山型東南景天是一種Cd超積累植物;彭克儉等研究的結果表明龍須眼子菜能有效轉移水中的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)株洲冶煉廠生產區(qū)實驗范圍內的商陸是一種Cd的超積累植物;潘志明等采用正交試驗法對腎蕨進行實驗發(fā)現(xiàn)腎蕨對Cd、Hg有較好的富集作用。國外發(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2130mg/kg的十字花科植物天藍褐藍菜、Thlaspi caerulescens J&C Presl和Arabidopsishalleri(L)0 Kane&Al—Shehbaz等等。我國植物種類繁多，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cd污染土壤的做法正在被越來越多的研究人員所推崇，此做法也得到社會的認可和強烈關注，是一個前景廣闊的研究領域。此方法的關鍵是通過多種方法找尋更多超積累植物或修復效率高的植物，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重金屬有耐性等特征，仍能應用于重金屬污染土壤的植物修復。比如有研究人員用煙草、美人蕉等作物進行Cd污染土壤的植物修復研究，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污染土壤植物修復技術的優(yōu)點與不足
與傳統(tǒng)的化學修復、物理和工程修復相比，植物修復技術有一些顯著的優(yōu)點：植物修復技術是一種原位修復技術，對土壤擾動小，可永久解決土壤污染問題，并可大面積修復受污染土壤。另外，在污染土壤上種植植物對環(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，目前已有學者開始研究用觀賞性植物進行修復。此外，與其他修復技術相比，植物修復技術成本較低。
植物修復技術目前仍處在實驗階段，對于污染環(huán)境治理的具體應用而言，還存在一些局限性，目前發(fā)現(xiàn)的可用于植物修復的超積累植物一般都存在地上部作物量小、生長緩慢和季節(jié)性較強的限制，耗時較長，修復效率不高。另外，不同的植物僅對某一種污染有較好的修復效果，對于復合型污染的修復則收效甚微。此外，在植物修復過程中，還應防止植物的籽實可能被誤食導致食物鏈污染。
植物修復技術目前受其局限性制約，無法大面積應用于實地修復，面對日益嚴重的重金屬污染，當務之急是需要完善植物修復技術，提高植物修復效率。
4 Cd污染土壤生物修復技術研究展望
目前，因工業(yè)三廢、污灌等原因導致的土壤Cd污染越來越嚴重，眾多研究人員對污染土壤的修復技術進行了大量卓有成效的研究，生物修復尤其是植物修復技術因其經濟、環(huán)保等優(yōu)點而備受推崇，并不斷有新突破。在以后的生物修復技術研究過程中，以下幾方面將會是重點和難點：
4.1 重金屬污染土壤修復植物的選育
目前，全世界已經篩選出數(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、修復效率不高的缺陷，找尋生物量大、易于收割、氣候適應性強的超積累植物仍是當前的重點工作之一。除草本植物外，也可對木本植物進行選育，有研究人員用楊樹和柳樹做了實驗，發(fā)現(xiàn)它們對重金屬Cd污染土壤的修復具有良好的效果和作用。此外，可通過選育多種超積累植物，用這些植物在重金屬污染土壤區(qū)域構建立體生物群落，在不同季節(jié)，進行不同組合，實現(xiàn)生物多樣性并提高修復效率。
4.2 植物根際圈內環(huán)境研究
菌根真菌對根際圈內的重金屬具有吸收、屏障及螯合作用，能影響菌根植物對重金屬的積累和分配，使菌根植物體內重金屬積累量增加，提高植物提取的效果。此外，根際圈內細菌也能吸附和固定重金屬，說明細菌對重金屬也有修復作用。怎樣使菌根一植物～ 微生物修復體系達到最佳組合，將成為一個新的研究方向。
4.3 生物工程技術和基因工程技術的應用
建立Cd的超積累植物基因庫，資源共享，加快研究步伐.通過應用生物工程技術和基因工程技術，將Cd超積累植物的基因導人到生物量大、生長迅速、季節(jié)適應性強的植物體內，可以培育出較理想的超積累植物，此技術的不斷成熟和應用，將會突破目前超積累植物選育的瓶頸，并將因其綠色環(huán)保、經濟高效而在以后的重金屬污染土壤修復方面發(fā)揮不可替代的作用。
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