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应用于重金属污染土壤植物修复中的植物种类

2018年05月03日作者:石润来源:中南林业科技大学学报

  植物修复(phytoremediation)是重金属污染环境治理的重要手段之一。狭义上的植物修复是指利用植物的功能去除大气、水体和土壤中的污染物,其主要其途径包括植物萃取(Phytoextraction)[1]、根际过滤(Rootfiltration)[2]、植物挥发(Phytovolatilization)[3]和植物固定(Phytostabilization)[4]。广义上,植物修复还具有重建植被、修复景观、改良土壤性质、改善土壤生态环境等功能。植物修复技术属于原位修复技术,其成本低、二次污染易于控制,植被形成后具有保护表土、减少侵蚀和水土流失的功效,可大面积应用于矿山的复垦、重金属污染场地的植被与景观修复[5-7]。

 

  在植物修复领域,超富集植物的筛选至今仍然是学术界的热点。国内外文献报道的超积累植物具有抗性强、耐受重金属浓度高和转移系数大的特点,然而不足的是,大多数超积累植物适生范围窄,根系浅,生物量小,因而富集重金属元素的总量小,以至修复污染土壤所需要的时间漫长,另外,部分超积累植物具有元素专一性的特点,因此在多重金属元素共存的复合污染中,超积累植物的应用受到一定的限制。

  实践中,采用植物修复技术治理重金属污染土壤主要有三大目标:

  一是迅速恢复植被与景观,有效地降低水土流失,控制重金属污染扩散对周边环境的影响;

  二是去除土壤重金属,降低土壤重金属元素含量到生态安全的水平;

  三是在实现上述目标的前提下,进一步提高土地的利用价值。在重金属尾矿库以及垃圾填埋场等废弃地治理中,通常按规定采用覆土、克土以及土壤改良等措施,这些措施的应用改善了植物生长介质的理化性质,降低了植物根际重金属毒性,从而扩大了植物种类选择的范围。本研究的目的是总结近年来科学家在超积累植物、先锋植物和生态-经济型植物种类筛选应用方面的研究与实践工作,为发展植物修复技术提供基础信息。

  1积累与超积累植物

  积累与超积累植物是指吸收积累重金属能力强的植物。国内外对积累与超积累植物的界定依据是植物的富集浓度与转移系数,转移系数一般用植物地上部和根部重金属浓度的比值来表示。超积累植物(hyper-accumulator)的标准目前一般采用Baker和Brooks[8]1983年提出的参考值,即把植物叶片或地上部干重含Mn、Zn达到10000μg/g,Cd达到100μg/g,Pb、Cu、Cr、Co、Ni等达到1000μg/g及以上,且转移系数大于1的植物称为相应元素的超积累植物。按照这一标准,世界上至今为止共发现的超积累植物约有500余种[9]。表1列出了国内外文献中报道的部分超积累植物和试验中证明具有较强抗重金属污染的植物。

  (1)铅的超积累植物

 

 

  表1中列出的Pb超积累植物地上部Pb的含量均大于1000mg/kg[9],其中富集能力极强的植物有羊茅[10]和普通荞麦[11],其Pb的富集浓度达到和超过10000mg/kg,转运系数也大于1。白莲蒿[12]和小鳞苔草[13]Pb的富集浓度低于羊茅和普通荞麦,但其转运系数分别为10.38和9,是文献报道中Pb元素转运系数最高的植物。马蔺[14]的转移系数小于1,但其Pb的富集浓度约高于肾蕨,因此作为积累植物列在表1中。

  (2)镉的超积累植物

  野外调查中发现壶瓶碎米荠[15]在镉重度污染区生长良好,其地上部分浓度峰值可达Cd超积累植物阈值的38倍,具有极强耐受Cd污染的能力。其次是球果蔊菜[16],其Cd的富集浓度和转移系数两项指标均达到国际参考值标准。金边吊兰[17]和蜀葵[18]体内Cd的浓度高,但吸收的Cd主要积累在根部,转移系数较小。在盆栽试验中发现龙葵和羽叶鬼针草在高Cd浓度环境下生长时,地上部Cd含量可超过100mg/kg,转移系数也大于1[19-20]。文献报道的还有一些体内Cd浓度达到和超过100mg/kg,转移系数也接近和超过1的植物,其中值得提及的是商陆,其适生区域广,除了具有较强的耐受和积累Cd的能力外,还能在多种重金属元素污染的环境下生长。

  (3)锌的超积累植物

  锌的超积累植物方面的研究较多[21],但报道的达到超积累参考标准的种类却较少。长柔毛委陵菜[22]和圆锥南芥是野外调查发现耐受和积累Zn能力很强的植物,长柔毛委陵菜Zn的富集浓度高达26700mg/kg,但转移系数小,圆锥南芥Zn的浓度约小于长柔毛委陵菜,但转运系数大于1。

  Md.AbulKashem[23]在不同Zn浓度水培实验中发现,叶芽阿拉伯芥地上和地下部Zn的浓度可分别达到26400mg/kg和71000mg/kg,转运系数值变异范围为2~9。东南景天[24]富集的Zn浓度远远低于超积累植物的参考值,但其转运系数较大,因此可作为Zn污染土壤的修复植物。

  (4)锰的超积累植物和Zn元素相似,文献报道耐受和积累Mn能力强的植物种类较多[25],但达到超积累标准的种类较少。表1中列出的富集浓度大于10000mg/kg、转运系数大于1的植物种类有,人参木、土荆芥[26]、杠板归[27]、短毛蓼[28]和福木[29]。木荷[27]、垂序商陆和水蓼等植物Mn富集浓度低于超积累标准参考值,但转运系数均大于1,其中尤其是木荷和垂序商陆,其转运系数可分别达到13.5和15.6。(5)铜的超积累植物国内外报道的符合铜的超积累植物标准的植物有荸荠、海州香薷[30]、蓖麻、鸭跖草,其中荸荠的转运系数可达45.7[31]。列在表1中KiddP[32]等人报道的密毛蕨的Cu含量低于超积累植物的阀值,但其作为蕨类植物具有生长快、分布广,且具有较强的Cu转运能力。

  (6)铬的超积累植物

  国内外报道的铬的超积累植物也较少,野外调查发现的符合参考值标准的有狼尾草、李氏禾[33]和假稻,其中狼尾草富集Cr的浓度极高,而李氏禾转运能力很强。扁穗牛鞭草[34]Cr地上部浓度低于参考标准值,但其适生区域广,生长快,可在Cr污染土壤修复中发挥作用。

  (7)砷的超积累植物盆

  栽实验确定了大虎杖和澳大利亚粉叶蕨[35]为As超积累植物,其中澳大利亚粉叶蕨具有强积累能力,大虎杖则具有强转移能力。此外,调查发现蜈蚣草地上部富集As浓度也较高,且转移能力较强[36]。大叶井口边草[37]的地上积累量达到国际标准参考值,但是由于其较强的转运能力,且具有药用价值,故可作为积累植物用于修复重金属污染土壤。

  (8)多金属超积累植物

  多金属超积累植物[38]是对多种金属元素具有较强的耐受和积累能力的植物,该类植物的筛选在治理重金属复合污染土壤中具有重要的理论与实践意义。野外调查报道的多金属超积累植物有宝山堇菜、野茼蒿[39]和秃疮花[40],其中秃疮花同时符合Pb、Cd、Zn三种重金属元素超积累植物的标准,尤其是对Zn,不但富集浓度高而且转移能力强。盆栽实验报道苎麻[41]和三叶鬼针草[42]能在Pb/Cd重度复合污染条件下生长,其中三叶鬼针草对Pb、Cd的耐受和积累能力达到超积累植物的国际标准参考值。苎麻耐受和积累Pb、Cd的能力次之,且具有一定的经济价值。

  2耐重金属污染的本土先锋植物

  耐重金属污染的本土先锋植物是指抗胁迫能力强,能在重金属污染立地条件下自然生长的植物。表1中积累和超积累植物都属于耐重金属污染的先锋植物范畴,而表2列举的主要是近年来报道的积累和转运系数达不到超积累植物标准的本土植物,这类植物虽然富集能力比超积累植物弱,但其适生的特性可在迅速恢复污染区植被、保护表土、减少侵蚀和水土流失中可发挥重要的作用。抗重金属污染的本土先锋植物主体是草本植物与灌木,乔木种类较少。

 

 

  (1)草本

  文献报道的草本先锋植物有锰矿废弃地的白茅、马唐、飞蓬等,锌矿区的皱叶酸模,铜污染地区的节节草和蜈蚣草,铅锌矿区的五节芒、辣蓼和糯米团,镍铜矿区的角果藜。许多草本先锋植物也具有很强的积累重金属能力,例如Zn污染区的皱叶酸模[48]地上部分和根部Zn的浓度可分别达到901.7mg/kg和480.4mg/kg。艾蒿[67]根、茎、叶中重金属浓度较低,但其Cu、Zn、Pb、Cd转运系数均大于1,其中Zn的转运系数到达4.217。

  (2)灌木

  文献报道的本土先锋灌木植物有Cr矿区的女贞、Cu矿区的红雾水葛和Mn、Cu、Pb、Ni复合污染区的玫瑰和珍珠梅。女贞[49]地上部分Cr含量高,峰值可达227.06mg/kg。耐受Pb的野桐[57]具有药用价值,黄荆条[58]、珍珠梅和玫瑰[55]能在Mn等复合元素污染环境中自然生长,其中黄荆条具有一定的能源价值,而珍珠梅和玫瑰是典型的景观植物。

  (3)乔木

  乔木作为重金属污染区的先锋物种的优势在于其生物量大,富集量相对高,并具有一定的经济价值。文献报道的乔木先锋物种有Mn污染区的橡树、木荷和拐枣树;Cu污染区的刺槐、黑松,以及Pb污染区的白背叶和大叶樟。除此之外,野外调查中发现能在复合重金属污染区自然生长的乔木还有泡桐、栾树、枫香和棕榈等用材林和工业原料植物种类。

  3生态-经济型建群植物

  虽然国内外报道的抗重金属污染的优势植物具有抗性强、富集浓度高的特点,但大多数超积累植物实用价值低,适生范围窄,根系扩展深度有限,生长量小,因此吸收和富集重金属的总量小,以至土壤修复需要的时间漫长[68]。为了提高修复时期土地利用的价值,科学家逐渐将修复植物筛选转移到具有一定抗污染性能的生态-经济型植物种类上来。此类植物地上部富集重金属含量普遍较低,但由于较大的生物量使其去除土壤重金属总量较大。表3列出了近年来国内外应用于重金属尾矿库和工业污染区的生态-经济型建群植物。

 

 

  为了防止重金属通过植物吸收进入食物链(网),实践中筛选用以重金属污染区生态修复的建群植物的主要为用材、工业原料与药用、能源和景观等四大类植物种类。

  (1)用材植物

  野外研究发现常见的用材植物三球悬铃木、刺槐、圆叶决明可以作为Cd、Pb的修复植物[69]广泛种植于重金属污染区。枫树、白蜡、桦树、松树等常见行道树金属积累能力强、生物量大、经济价值高,作为重金属污染土壤修复植物的同时也提高了修复区的景观效应[70]。

  田如男[71]实验发现,大叶樟和阔瓣含笑忍耐和积累Pb的能力较强。大叶黄杨[72]经实验证明在Pb浓度300mg/kg的胁迫下适应能力较强,则可应用于客土后的Pb污染区。

  (2)工业原料与药用植物

  野外调查发现五加树、紫苏、巴西人参、圆叶决明、棕榈、盐肤木都可在重金属污染土壤生长的生态-经济型植物。其中五加树[73]对Cd的积累能力尤为显著。另外盐肤木[74]对Pb、Zn均有耐性,且对Zn的转移能力达到国际参考值。盆栽实验筛选出加拿大一枝黄花、鸭跖草、迷迭香、紫竹梅、香根草、龙须、蒲公英、大叶樟等为重金属抗性植物。其中鸭跖草[75]对Cu富集和忍耐能力较强,迷迭香[76]则对Pb、Cd、Cu、Zn均有抗性,在多金属复合污染的条件下也能生长。

  (3)能源植物

  黄连木、油菜、黄豆、甘蔗、甜高粱、薄荷、莳萝、罗勒为野外调查发现可以用于植物修复技术的能源型植物。油菜[77]常被用作生物能源的植物,对Cd富集能力较强,可用于重金属污染土壤修复,兼具能源价值、经济价值与修复价值。此外,薄荷、莳萝、罗勒能够吸收和积累Cd、Pb、Zn、Cu等多种重金属元素,可用于重金属复合污染土壤[78]。

  盆栽实验发现光皮树、蓖麻、亚麻、花生等可用于修复重金属污染土壤,其中蓖麻[79]不仅是用途很广的能源植物,而且对Pb的耐性很强,在高浓度Pb胁迫下,依旧能够存活。

  (4)景观植物

  植物修复周期较长,导致大量土地浪费,故将景观植物应用于修复重金属污染土壤,可在恢复植被的同时增加自然景观效应,提供土地利用率。夹竹桃、杜鹃花、蟛蜞菊、金叶女贞均通过野外调查发现能够生长于重金属污染土壤。其中杜鹃花和蟛蜞菊分别对Mn和Cd的富集能力和转运能力较强,可应用于污染区的修复[80-81]。

  羽衣甘蓝[82]为由盆栽实验确定的先锋观赏性植物,地上部分积累铊含量较高,且观赏价值高、易于生长栽培,可将其应用于重金属污染土壤修复。

  4展望与建议

  国内外目前报道的超积累植物种类很多,但在实践中应用的成功事例却较少,限制超积累植物应用的瓶颈是修复效率问题。实践中,可采取适当的措施,例如通过培肥、接种高效菌种增强根际微生物功能等来促进超积累植物的生长,从而提高植物吸收、转运重金属的总量。在复合重金属污染场地的治理中,筛选和应用多金属超积累植物将成为该领域新的关注点。

  采用植物修复技术治理重金属污染土壤虽然具有周期长的特点,但在实现重金属污染土壤治理的多元目标中,植物修复在恢复植被景观、保护表土、控制水土流失、丰富生物多样性、提高土地利用价值等诸多方面具有不可代替的功能特点。为此,有必要针对重金属污染治理的具体目标扩大抗逆植物的筛选范围。在重金属复合污染场地治理中,利用适生的本土先锋植物在迅速恢复植被与景观、控制水土流失和重金属污染扩散等方面的特点,结合用材、工业原料、药用、能源、景观等生态-经济型植物的功能构建复合植被群落,可望成为发展植物修复技术的新趋势。


编辑:治废专家03