沉积物中重金属植物修复技术研究进展

来源:用户上传      作者: 汪家权 陈晨 郑志侠

　　摘要 介绍了沉积物污染控制技术，着重阐述植物修复的类型、机理，并就国内外近年来植物修复在沉积物中重金属的应用进行了综述。
　　关键词 植物修复；污染底泥；重金属
　　中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）02-0224-03
　　沉积物是许多水生生物，特别是底栖生物赖以生存和生长的环境，由于底栖生物大都具有富集污染物质的功能。因此，沉积物质量的好坏直接影响底栖生物的质量和人体健康。由于人类的活动，在过去的几十年里，沉积物被各种有机和无机污染物污染。发达国家在水质改善方面取得了相当的成功以后，对水体中的沉积物污染控制仍不乐观[1]。马德毅等[2]于1998—1999年对中国主要河口沉积物采样，分析了其Hg、Cd、Pb、As的含量，并作了河口的潜在生态风险评价，指出辽河口Cd具有较高潜在生态风险，珠江口海域沉积物中As污染的问题比较突出，长江口和鸭绿江口的沉积物质量具有潜在的生态风险。
　　沉积物既是污染物的载体，同时也是潜在的污染源。当海水中的污染物浓度大于沉积物间隙水中的浓度，污染物就会在沉积物中富集。沉积物与上覆水之间不停地进行着物质交换，污染物质就不能永远停留在沉积物中。随着物理化学特性变化和水动力条件的改变，沉积物中的污染物会大量向水体中释放，使水质不断恶化，导致水体的二次污染，沉积物污染现在受到越来越多的关注。
　　1 沉积物污染控制技术
　　1.1 原地处理技术
　　原地处理技术是在原地利用物理化学或生物的方法减少受污染底泥的容积，减少污染物的量或降低污染物的溶解度、毒性或迁移性，并减少污染物释放的控制和修复技术。目前，原地处理技术主要有覆盖技术、上覆水充氧技术、底泥氧化技术。
　　1.2 底泥疏浚
　　底泥疏浚是通过去除表层污染底泥以达到减少底泥污染物释放的技术措施。对于重金属、有机有毒污染严重的沉积物，疏浚可以永久性地消除沉积物对水质的影响。疏浚在很多情况下是必需的，但是疏浚过程中，容易造成沉积物再悬浮，对水体产生影响。同时，疏浚后的污泥要进行物理、化学或生物处理，防止造成二次污染。
　　1.3 生物修复技术
　　生物修复技术是利用生物的代谢活动减少环境中的有毒、有害物质的浓度，并使其降低到安全范围以下。生物修复既可以处理被大面积污染的水体和底泥，又可以对沉积物进行原位生物修复，同时对疏浚后的污泥也可进行生物修复。
　　1.3.1 微生物修复。微生物修复是对一些微生物经过适应和诱导，使其代谢分解底泥中的有机污染物，从而将这些污染物降解成无害物质，降低或消除重金属的毒性。微生物修复包括投加促生剂、直接投加高效微生物制剂2种技术。底泥中土著微生物在修复过程中速度较慢，对污染物的降解效果较差。向底泥中投加生物促生剂可刺激土著微生物的生长繁殖，加快微生物的代谢速率以及对污染物的降解速率。实际湖泊底泥修复受自然条件影响较大，固定化微生物技术对污染底泥的修复具有应用潜能。微生物对有机污染物的降解受较多因子的影响，主要包括底物本身、微生物种群以及电子受体、营养元素状况等因素。因此，需要进行合理调控。
　　1.3.2 植物修复。植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。它是一门新兴的应用技术。植物修复已经对治理金属和有机物污染的沉积物显示出巨大的潜力，因其具有自然、费用低、高效率等优点而被公众所接受。目前，可以用于沉积物中的较为成熟的植物修复技术，可以分为植物萃取技术、植物挥发技术、植物固化技术。①植物萃取。植物萃取技术是指金属积累植物或超级累植物将土壤中的金属提取出来，富集并搬运到植物根部可收割部位和地上茎叶的过程。植物萃取技术实质上是利用植物将土壤中的有毒金属提取出来，转移并富集到植物地上可收割部位，从而减少土壤中污染物的质量。将植物中的碳氧化成二氧化碳，可减少污染物的质量，方便处理，燃烧后的废弃物还可再循环利用。用于萃取技术的植物应具有以下特征：对金属有很高的耐性，在它的可收割部位富集大量的金属，有较高的生长速率，有很高的产量和丰富的根系统。植物萃取分为持续的植物萃取和诱导的植物萃取。前者是指利用超级累植物吸收土壤重金属并降低其含量的方法，称为连续的植物修复。连续的植物修复取决于整个生长周期中，植物对重金属的积累、转运以及对高浓度重金属的抵抗能力。因此，超级累植物最适合修复重金属污染的土壤。后者是利用螯合剂来促进普通植物吸收土壤重金属的方法。②植物固化。植物固化又叫植物稳定，是指利用一些植物的根际作用，对污染物进行吸收、沉淀或还原，降低重金属的活动性以及生物有效性，并将重金属转变为低毒性形态，固定在植物和根际土壤中，降低了重金属对环境和人体健康的风险。该技术降低污染物的迁移活化性，通过种植的植被，减少污染物的淋滤作用，避免污染物因地表径流作用引起的扩散。固化技术并不是将污染物彻底清除，只是将污染物暂时固定，所以没有从根本上解决污染问题 。植物固定技术适合被污染的土壤和沉积物，它降低了被污染的土壤因没有或缺少植被所产生的风险，保护了污染土壤和沉积物不受风蚀、水蚀，减少重金属渗漏，从而污染地下水，避免重金属的迁移污染周围环境。③植物挥发。植物挥发技术是利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物将土壤中的污染物吸收和转化，以挥发状态排出植物体外，从而去除土壤重金属污染。植物挥发要求污染物被转化后的毒性要小于转化前的污染物质，以减轻对环境的危害。
　　2 沉积物中重金属植物修复技术的应用
　　在生物学上，重金属是指汞、铬、铅及类金属砷等生物毒性显著的重金属。有一些重金属不是植物生长必需的元素，例如As、Cd、Hg、Pb、Se等。而一些其他的元素如Co、Cu、Fe、Mn、Mo、Ni、Zn等是植物正常生长和代谢的必需元素，但是一旦超过临界值，也会对植物产生毒害作用[3]。底泥中，金属可以与不同载体相结合，以多种形态存在，大致有可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和金属残片等，不同形态的重金属具有不同的生物有效性。底泥中的重金属毒性主要取决于重金属的形态。例如，Hg污染的沉积物对生态系统和人类健康存在严重威胁，无机Hg自身含有毒性，而且它们还可能转换成甲基汞，甲基汞的毒性比无机汞更大。甲基汞是一种神经毒素，可以在更高的营养剂中生物放大，这增加了危害人类的风险。 　　一些学者认为，树木可能是用于植物修复的成本最低的植物类型。在所有植物中，树木拥有最庞大的根系，这些根系可以穿透数米的土壤，这一点远远超过了其他草本植物。柳树被认为是一种高效的植物过滤器，而且生长速度较快。近年来，柳树被种植在一些重金属污染的土地上。Vandecasteele et al[4]将柳树和西洋接骨木种植在重金属污染的疏浚底泥上，生长在重金属污染的疏浚底泥上的柳树叶片基质中含有高浓度的Cd和Zn（Cd>6.6 mg /kg DW，Zn>700 mg/kg DW），而在接骨木中则没有出现这种情况。Mertens et al[5]在田间条件下，在重金属污染的疏浚底泥上种植S.fragilis L.和S.triandra L.，评估了季节性变化和种植时间的改变对金属去除效率的影响。Bedella et al[6]在温室条件下进行了209 d的研究，在污染的疏浚底泥上种植白柳，研究白柳的生长和对重金属的吸收。研究结束时，白柳地上部分已经长到80～117 cm。在第70、112、209天，植物的根、茎、叶中已经积累了Cd和Zn，尤其是树叶中更多。该研究表明，白柳可以在试验条件下在污染底泥上生长，生物积累Zn和Cd，这些研究结果更表明了白柳从污染的疏浚沉积物中萃取Zn、Cd的潜力。
　　不同的金属元素在植物的不同组织富集。Cu、Cr、Pb、Fe、Mn和Ni主要富集在植物的根部，Zn和Cr主要在叶片富集。Kumar et al[7]的研究解释了金属从非生物环境（沉积物）向生物环境（水生植物）的传输机制和它们在各个部位的累积情况。传输机制和积累模式可以描述如下：沉积物>根系统>茎系统>叶系统。
　　除了柳树，其他树木对重金属也有一定的富集作用。Mertens et al[8]研究了5种树木植物萃取和植物稳定的限制条件和可能性。这5种树木分别是大叶槭、欧洲白蜡木、银白杨、刺槐和欧洲桤木。将它们种植在淤泥上，这些底泥来源于咸水河口，并且有轻微的重金属污染。虽然沉积物中盐度较高，但是树木的存活率还比较令人满意。刺槐和银白杨的增长率最高。其他3种树木存活率高（>90%），但是增长比较迟缓。
　　周炎武[9]研究表明，红树林对恢复沉积物中重金属有显著影响，红树林恢复促进了Zn、Pb、Cr、Cu、Ni 5种重金属在林下表层沉积物中的累积。红树植物无瓣海桑和桐花树是潮间带沉积物重金属植物稳定的优秀候选者。
　　树木对沉积物中的重金属吸收效果已经得到了认可，其他一些植物也可以用于修复沉积物中的重金属。李红霞等[10]利用栽培试验研究了黑麦草对排污河道沉积物中重金属的修复作用。王 谦等[11]在自然条件下，采用人工模拟水缸培养方法，研究了湖泊底泥处理对沉水植物伊乐藻生长、叶绿素含量以及Cu、Cd吸收和积累的影响。Almeida et al[12]在一年时间里调查了Scirpus maritimus 和Juncus maritimus对重金属的积累能力，以及每一种植物在沉积物中的理化性质。用原子吸收法测定了沉积物、根际，以及Scirpus maritimus 和Juncus maritimus不同组织中的Al、Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn的含量。
　　Arreghini et al[13]研究了Schoenoplectus americanus修复Zn污染的沉积物。试验了2种沉积物，一种来自大的天然堤（LS），另一种是河流冲积的底泥（AS）。前者比后者的有机物和营养盐低，没有Zn，也没有额外添加（风干的沉积物中Zn含量为2 500 μg/g）。这项研究显示，Schoenoplectus ameri-canus在沉积物中对高剂量的Zn有很高的忍耐性，所以Sc-hoenoplectus americanus是植物修复营养丰富的被Zn污染的湿地的合适品种。
　　重金属富集植物小莎草的独特属性对与植物修复矿场附近被重金属污染的水和沉积物有十分重要的意义。Sakakibara et al[14]为了研究小莎草对水和沉积物中重金属修复的应用性，进行了场地试验。小莎草的枝条中，重金属浓度最高，Cu为20 200 mg/kg，Zn为14 200 mg/kg，As为1 740 mg/kg，Pb为894 mg/kg，Cd为239 mg/kg。Cu、Zn、As、Cd和Pb在枝条中的浓度与土壤中的浓度成对数关系。
　　植物对重金属的吸收水平有限，通过投加一些特定的添加剂，可以提高重金属在植物中的溶解度和吸收。合成螯合剂、有机酸、无机络合剂等可以显著提高植物对金属的吸收。李红霞等[10]研究发现在盆栽条件下，在疏浚底泥中投加EDTA，结果黑麦草体内积累的重金属数量显著增加。Duarte et al[15]将乙酸、柠檬酸、苹果酸这3种酸用于种植了S.maritima 的沉积物上，在沉积物中和植株各部分检测到了几种重金属（Cd、Zn、Pb、Cu、Cr和Ni）。结果证明乙酸对与植物吸收所有重金属都是最有效的，柠檬酸的效果也不错。植物修复重金属见表2。
　　3 展望
　　植物修复技术目前还处于初步阶段，用于污染土壤的植物修复研究较多，而沉积物的植物修复相对较少，而且沉积物的植物修复也比土壤植物修复要复杂。目前，很多沉积物的植物修复试验都是室内模拟和盆栽试验，还有待于在污染区验证植物修复的效果。经济作物和花卉植物也被用于植物修复。随着社会的发展，转基因技术在植物修复方面有着广泛的前景，将来可能会通过转基因得到更多的超级累植物。植物修复在将来会成为一种经济有效、广泛应用的修复沉积物的技术[25]。
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