土壤砷污染及其植物修复技术研究进展

来源:用户上传      作者: 段志斌 胡丰青 安吉平 王济

　　摘要 综述了土壤砷污染现状以及土壤砷富集植物开发现状，探讨了提高植物修复砷污染土壤的技术途径与强化措施，同时介绍并对比各种植物产后处置技术，最后分析了砷污染土壤的植物修复技术未来的研究方向。
　　关键词 砷；土壤；污染现状；植物修复；产后处置
　　中图分类号 X53；X592 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）14-0190-04
　　Progress on Soil Arsenic Contamination and Its Phytoremediation Technology
　　DUAN Zhi-bin HU Feng-qing * AN Ji-ping WANG Ji
　　（School of Geographic and Environmental Sciences，Guizhou Normal University，Guiyang Guizhou 550031）
　　Abstract The article summarized contamination situation and hyperaccumulator exploitation of soil arsenic，the enhancement of phytoremed-iation technology methods and reinforcement measures were discussed.Meanwhile，different disposal technologies of hyperaccumulator were introduced and compared.In addition，prospects of hyperaccumulator technology in soil arsenic contamination were proposed.
　　Key words arsenic；soil；contamination situation；phytoremediation；disposal technologies
　　砷污染已成为现代社会世界性的环境化学污染问题，由于砷在自然界广泛存在和使用，砷毒害也已经成为威胁人类健康和社会可持续发展的重要因素。我国砷污染形势日益严峻，尤其是湖南、云南、广西、广州、贵州等省份，大规模的工业活动和矿山开采冶炼使土壤受到严重的砷污染[1-3]。土壤中砷会导致土壤退化、影响农业可持续发展，因此土壤砷污染研究及其修复技术成为环境科学领域研究的热点。
　　自从首次发现砷超富集植物（Hyperaccumulator）蜈蚣草后，其修复砷污染土壤逐渐成为研究热点，但多数集中研究蜈蚣草对砷的吸收和富集机理上。本文在综合分析前人在该领域的研究成果的基础上，对砷富集植物开发、提高植物修复砷污染土壤效率的技术途径与强化措施以及植物产后处置技术等方面进行阐述，以期为今后的研究提供理论支撑。
　　1 国内外土壤砷污染现状
　　土壤环境中砷的来源十分广泛，包括土壤母质、火山喷发等自然因素，而以人类工农业生产以及矿山开采冶炼等活动造成大量砷进入土壤环境的人为因素通常是造成土壤砷污染严重的重要原因。土壤砷污染因其隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，通过生物富集作用，最终进入人体，摄入超出限量值会对人体健康产生危害，严重时会引发“三致”效应。
　　目前，全球有数万个砷污染区域，最高土壤砷含量可达26 500 mg/kg[4]，澳大利亚就占有超过10 000个土壤砷污染场地，其中有几个污染场地土壤砷浓度超过9 900 mg/kg[5]，墨西哥拉姑内拉地区土壤砷浓度也高达2 657 mg/kg[6]，造成部分国家和地区土壤砷浓度加深的重要来源是采矿和冶炼活动“三废”的排放（表1）。据数据调查显示，我国年产砷矿渣50万t，已囤积的砷渣超过200万t，约有2 000万人生活在土壤砷污染高风险区域，土壤砷中毒事件屡见报道[11-12]。由表1可知，我国贵州、湖南、云南等省份采矿区土壤砷浓度严重超出《土壤环境质量标准（GB15618-1995）》。
　　随着砷污染范围逐渐扩大，我国城市城郊菜地土壤砷污染研究受到广泛重视[13]。陈智虎等[14]对贵阳市近郊菜地土壤砷污染状况调查发现，个别菜地出现无污染向中度污染变化现象，张竹青等[15]对荆州市郊区蔬菜基地砷污染现状研究发现，蔬菜中砷污染是源于含砷农药喷洒。北京、上海、广州、重庆等大城市也都比较系统地对郊区菜地土壤中砷含量进行测定（表2）。食入土壤砷污染的农产品是当前危害局地人群健康最主要的形式，我国土壤砷污染的治理与修复显得尤为重要。
　　2 砷污染土壤植物修复研究现状
　　目前，传统的物理、化学方法修复砷污染土壤具有工程量大、投资费用高、破坏土壤结构等缺点，而植物修复技术因其经济有效、生态协调、环境友好等特点，具有其他传统修复技术不可比拟的优越性。
　　2.1 砷富集植物的开发现状
　　国际上筛选出的重金属超富集植物超过400种，而国内外文献报道砷超富集植物主要有蜈蚣草（Pteris vittata L）、粉叶蕨（Pityrogramma calomelanos）、大叶进口边草（Pteris cr-etica L）、长夜甘草蕨（Pteris longifolia）、井边兰草（Pteris mul-tifida）、斜羽凤尾蕨（Pteris oshimensis）、紫轴凤尾蕨（Pteris apericaulis）、白玉凤尾蕨（Pteris cretica Albo-Lineata）、狭眼凤尾蕨（Pteris biaurita L）、琉球凤尾蕨（Pteris ryukyuensis Tagawa）、粗蕨草（Pteris.quadriaurita Retz）等（表3），这为植物修复砷污染土壤研究提供了丰富的物种资源。 　　近几年，国内外学者又陆续发现一些耐砷植物，2011年Nateewattana等[30]研究了4种湿地植物对土壤砷修复情况，结果发现纸莎草（Cyperus papyrus L）对砷的富集浓度范围在130～172 mg/kg；2012年王海娟[10]对云南和贵州几个矿区的野生植物进行调查和测定后发现，密蒙花（Buddieia officina-lis Maxim）、珠光香青（Anaphalis margaritacea L.）、小米菜（Amaranthus tricolor linn）和土荆芥（Chenopodium ambrosio-ides）4种植物地上部砷含量分别为607.68、702.70、381.65、369.55 mg/kg，并且这4种植物的富集系数与地上部生物量均较高，因而可将其作为理想植物材料来治理当地矿区砷污染土壤；2013年陈丙良等[31]采集陕西大柳塔矿区土壤和矿区荆条（Vitex negundo var）进行盆栽试验，结果表明：在砷长期累积情况下，荆条能保持生长态势，并得出荆条可用于大柳塔矿区土壤砷污染防治的结论；2014年邹小丽等[32]通过温室大棚种植4种柳树，研究和探索其在淹水土壤环境中砷污染的吸收、转运和去除效果，结果发现，柳树在土壤砷含量不超过50 mg/kg浓度胁迫160 d后，4种柳树的生物量没有发生明显的差异，均有较强的耐砷性，并且经过柳树修复后的湿地土壤砷含量明显减少，可以用作湿地土壤砷污染的植物修复材料。以上报道的富集植物，虽没有蜈蚣草等蕨类植物具有超强吸收与富集砷能力，但其生境特征与当地环境相适应，对当地砷污染土壤修复同样具有应用价值。
　　2.2 植物修复砷污染土壤效率的技术途径与强化措施
　　2.2.1 磷肥调控。植物修复砷污染土壤的周期性较长，陈同斌等[33]将砷超富集植物蜈蚣草成功地用于修复湖南郴州砷污染土壤后，又通过连续5年的植物修复田间定位试验发现，从长期来看，连续种植蜈蚣草过程中不施肥，有可能会因养分亏缺而影响蜈蚣草的生长，同时发现对蜈蚣草施磷肥是一种有效的辅助措施；他通过盆栽试验又发现，添加400 mg/kg以上的磷时会促进蜈蚣草地上部和地下部的含砷浓度以及砷的生物富集系数明显升高，并且随添加磷浓度升高而增加[34]；而廖晓勇等[35]通过田间实例研究磷肥对蜈蚣草生长以及修复效率的结果表明，当对蜈蚣草施磷量为200 kg/hm2处理时，其地上部砷含量达到最大值（1 535 mg/kg），土壤砷植物修复率最高（7.84%）；当施磷量为600 kg/hm2处理时，蜈蚣草地上部砷累积量有所降低，但可以促进地下茎储存高量的砷。因此，肥料施用量需要在一个适当的范围内才能有利于促进富集植物对砷的高量累积。
　　有学者发现施用不同类型的磷肥也会明显影响蜈蚣草的生长和植被中砷浓度，廖晓勇等[36]又通过室内盆栽种植蜈蚣草，并对蜈蚣草施用钙镁磷肥、磷酸二氢钙、磷酸二氢铵等7个不同磷肥处理，结果发现磷酸二氢钙是蜈蚣草修复砷污染土壤过程中最佳磷肥选择类型，砷的去除效率高达7.28%。因此，在植物修复砷污染土壤过程中，根据待修复土壤污染程度、土壤养分状况需要开展试验研究，分析并选择合适的肥料类型才能有效提高富集植物对砷污染土壤的修复效率。
　　2.2.2 收割措施。在应用超富集植物修复砷污染土壤的试验中发现，刈割对超富集植物砷的吸收和植物修复效率有着重要的影响。李文学等[37]以蜈蚣草为试材，通过盆栽试验研究了收获次数对蜈蚣草生长、砷吸收和植物修复效率的影响，数据显示在3次收获中，第2次和第3次收获的蜈蚣草的吸砷速率均显著高于第1次，并且蜈蚣草地上部含砷量分别高达3 214 mg/kg和2 384 mg/kg，均高于第1次收获。陈同斌等[38]与王宏镔等[39]分别建立了对砷超富集植物蜈蚣草和井边兰草进行连续提取模式，即超富集植物通过根系将土壤中的砷吸收并转运、富集到地上组织中，等到植物生长几个月形成一定的生物量后，定期收割地上部分，保留地下部位，形成对同一株植物进行连续转移土壤砷目的。这表明适当的刈割次数并不会降低砷富集吸收效率，反而是提高修复效率的一种策略。
　　2.2.3 植物―微生物联合修复。采用植物―微生物联合修复技术是提高重金属污染土壤修复效率的最有效途径之一[40]。大量文献也已表明，植物―微生物联合修复技术显示出了理想效果。杨倩[41]在田间试验条件下，施用砷酸还原菌（ARB）显著促进了蜈蚣草的生长发育，植物干重和砷累积量分别增长了约50%和113%，土壤的修复效率大幅度提高。国外学者观察到，接种丛枝菌根（AM）可以提高蜈蚣草地上部生物量，增强吸收和富集砷的能力[42-45]，国内近年来的研究也表明，AM真菌可以提高植物对砷的耐受性，促进增加植物地上部砷浓度，提高植物富集和转运效率[46-51]。廖晓勇等[52]把农杆菌属（Agrobacteriumsp.C13）与蜈蚣草联合应用到砷污染场地后发现，蜈蚣草生物量提高16%～17%，砷去除率比对照区提高约40%。杨志辉等[53]公开发明了一种用于砷污染土壤的菌株（Brevibacterium.sp.YZ-1）及其应用方法，该菌株对As（Ⅲ）具有极强的耐受性，并且极大降低了环境中砷的毒性。筛选出的高效降解菌株与植物联合应用具有操作简便、降低成本、安全有效等优势，这给重金属污染土壤修复带来良好的应用前景。
　　2.3 植物产后处置技术
　　超富集植物生物质产后处置与处理技术的研究相对缺乏，在一定程度上限制了植物修复技术工程化与商业化应用。目前超富集植物产后处置主要集中在焚烧法[54-55]、堆肥法[56]、压缩填埋法[57]、高温分解法[58-61]、灰化法[62]、液相萃取法[63]等传统处置技术上，植物冶金[64-66]、热液改质法[67-69]、超临界水技术[70]等一些新兴的资源化处置技术也相继获得一些研究成果，但每种方法都存在其局限性（表4），在今后的生物质回收利用方面，还需要开展更多的试验研究。 　　[19] 李其林，赵中金，黄昀.重庆市近郊区蔬菜基地土壤和蔬菜中重金属的质量现状[J].重庆环境科学，2000，22（6）：33-36.
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