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土壤重金屬污染在很大程度上危及了糧食安全、食品品質(zhì)，其中土壤鉛污染的危害貢獻(xiàn)極大，如何降低鉛的生物有效性是修復(fù)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。工程應(yīng)用性植物的篩選及其工程應(yīng)用性問題備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。本文主要闡述土壤鉛污染修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，列舉國內(nèi)外在工程應(yīng)用層面對(duì)鉛污染土壤有修復(fù)能力的植物，討論了工程應(yīng)用性植物修復(fù)鉛污染土壤機(jī)制，篩選出具有工程應(yīng)用潛力的植物，可分為鉛地上部富集型、鉛根部囤積型、鉛規(guī)避型、鉛指示型4類植物類型，以期為我國預(yù)防和治理土壤鉛污染提供參考。
在中國，土壤污染主要類型是重金屬污染。鉛是黏性金屬，易與土壤有機(jī)質(zhì)和鐵錳氧化物形成穩(wěn)定物質(zhì)，不易在植物體內(nèi)和土壤中遷移，及其生物毒性較大而被廣泛關(guān)注。鉛在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，主要來源于工程防腐材料老化、金屬冶煉，含鉛石油的使用和燃燒，逐步成為主要污染重金屬之一。鉛污染源具有難識(shí)別性，在土壤中分布廣泛、蓄積能力強(qiáng)，主要分布在20厘米以上的土層，幾乎不向土壤下層移動(dòng)，對(duì)蔬菜種植業(yè)的影響較大，鉛還可以通過大氣運(yùn)輸、沉降等方式回到土壤中，最終通過食物鏈、人體呼吸等途徑危害人體健康?？梢娿U危害之大，對(duì)土壤鉛污染的修復(fù)工作刻不容緩。
鉛污染土壤修復(fù)技術(shù)分為物化修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)技術(shù)因便于操作、處理效果好等特點(diǎn)，可避免土壤污染重金屬通過淋溶、侵蝕等對(duì)地下、周圍環(huán)境造成危害的現(xiàn)實(shí)意義而備受土壤、環(huán)境學(xué)家關(guān)注。本文闡述了植物修復(fù)土壤鉛污染機(jī)制，列舉與討論國內(nèi)外具有工程應(yīng)用性修復(fù)鉛污染土壤潛力的植物，希望能夠在預(yù)防、治理和修復(fù)土壤鉛污染的事業(yè)上提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和幫助。
01
鉛污染土壤的植物修復(fù)機(jī)制
植物對(duì)鉛的修復(fù)機(jī)制主要有4部分：根系物質(zhì)活化重金屬、根系吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)并貯存在植物細(xì)胞或組織及對(duì)重金屬的耐性。
1.1根系對(duì)重金屬的活化
根系是植物體直接接觸土壤和吸收土壤重金屬的主要器官，植物根系會(huì)分泌一些酸性物質(zhì)，如乙酸、乳酸、蘋果酸等，與鉛形成可溶性絡(luò)合物，促進(jìn)鉛在根際土壤中的遷移能力，降低鉛在根際土壤中的有效態(tài)鉛含量，減少鉛害；植物根系通過與植物共生微生物自身代謝活動(dòng)或分泌物來轉(zhuǎn)化活性較低的賦存形態(tài)，提高鉛在土壤中的生物有效性。在工程應(yīng)用中，可以人為地調(diào)控根系環(huán)境及接種共生微生物，如添加pH調(diào)節(jié)劑、有機(jī)肥等有機(jī)類物質(zhì)，促進(jìn)植物根系對(duì)鉛的活化，促進(jìn)植物對(duì)鉛的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存。
1.2根系對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)
根系對(duì)鉛的吸收方式主要有表面吸附，而吸附能力的大小與根系的吸附表面、吸附位點(diǎn)、平衡濃度有關(guān)。當(dāng)鉛進(jìn)入根系后，通過水運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞壁、細(xì)胞間隙等質(zhì)外體空間，或通過主動(dòng)運(yùn)輸過程，進(jìn)入共質(zhì)體導(dǎo)管，經(jīng)植物呼吸、蒸騰等作用轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部。
1.3植物對(duì)重金屬的跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞貯存
鉛進(jìn)入植物體內(nèi)后，會(huì)被貯存在根系細(xì)胞或被轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部，在植物體內(nèi)多以游離態(tài)為主，植物體自行或主動(dòng)地將鉛轉(zhuǎn)入液泡中隔離鉛，降低鉛毒，跨膜運(yùn)輸?shù)街参锛?xì)胞或組織內(nèi)。鉛主要貯存于植物細(xì)胞間隙中，細(xì)胞壁和液泡次之，細(xì)胞質(zhì)最低。鉛在植物體組織器官內(nèi)的分配規(guī)律為：根＞莖＞葉＞籽粒。
1.4植物對(duì)重金屬的耐性
植物對(duì)土壤鉛的防衛(wèi)方式有兩種：一是阻止鉛進(jìn)入細(xì)胞或組織；二是通過植物抗氧化性避免細(xì)胞受到氧化損傷。植物通過根系分泌粘液為鉛提供配位基團(tuán)來沉淀鉛離子或?qū)U離子吸附到細(xì)胞壁上，阻隔土壤鉛離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，使植物體免受鉛的毒害，還能通過細(xì)胞壁局部增厚及組分的變化來降低鉛的生物毒害，與細(xì)胞壁的解毒機(jī)制有關(guān)。
02
工程性應(yīng)用植物篩選現(xiàn)狀
Brook等在1977年最早提出了超富集植物(Hyperaccumulator)的概念，一般認(rèn)為超富集植物最主要的特征就是地上部的重金屬含量大于地下部的含量，地上部的含鉛量（干重）臨界值為1000mg/kg，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)應(yīng)大于1。常用篩選方法有野外采樣法和盆栽模擬試驗(yàn)法，大多數(shù)的重金屬超富集植物主要通過野外采樣法發(fā)現(xiàn)的；盆栽模擬試驗(yàn)可以觀察植物的生長(zhǎng)狀況及控制栽培條件等方式探究植物與污染物的反應(yīng)機(jī)制及毒理反應(yīng)，而富集、超富集植物大都通過生物進(jìn)化或工程培育等方式形成，因生物量小、生長(zhǎng)速度緩慢、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)不被廣泛利用。本文參照相關(guān)文獻(xiàn)，大致將具有修復(fù)鉛能力的植物分為四大類：地上部富集型、根部囤積型、規(guī)避型及指示型，如表1所示。
鉛地上部富集型植物是植物地上部富集鉛含量明顯高于地下部鉛含量，即地上部與地下部的鉛含量比值大于1。在表1中所示的鉛地上部富集型植物主要有：淡黃香青、五葉草、車前、魯白、蔗茅、筆管草、莎草、千里光、鳳毛菊、鳳尾蕨等10種植物。劉月莉等在四川甘洛鉛鋅礦區(qū)發(fā)現(xiàn)鳳尾蕨、蔗茅中根部含鉛量高達(dá)1%。
鉛根部囤積型植物是植物富集鉛的主要部位為地下部，有鬼針草、細(xì)毛鴨嘴草、長(zhǎng)蒴母草、漸尖毛蕨、斑茅、毛軸莎草、木賊、東方香蒲等8種植物。鬼針草能夠在高濃度鉛土壤上正常生長(zhǎng)，將土壤中的鉛富集在其根部，降低鉛在土壤中的含量。張樹金等在三合鉛鋅礦發(fā)現(xiàn)華中蹄蓋蕨能將鉛大量地囤積在根部，根系最高鉛含量為15542.1mg/kg。王學(xué)禮等在三明金屬礦中發(fā)現(xiàn)一年蓬對(duì)鉛的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，烏蕨（Stenolomachusana）、千金子、二歧飄拂草、柔枝莠竹、短葉水蜈蚣、狗娃花等6種植物能在研究礦區(qū)土壤上正常生長(zhǎng)、繁殖，生物量大，可做為修復(fù)尾礦的先鋒植物。
鉛規(guī)避型植物是植物對(duì)鉛具有高度耐性，抵制或者降低植物根系對(duì)重金屬的吸收，鉛基本沉淀在根系表面，只吸收少量土壤鉛。在表1中有類蘆、鹽膚木、大葉醉魚草、小鱗苔草、野艾蒿、裂葉喜林芋、叢毛羊胡子等7種植物。大葉醉魚草能夠在高濃度鉛污染土壤中正常生長(zhǎng)，植株含鉛量為24.2mg/kg。白楊樹會(huì)隔絕對(duì)鉛的吸收。
除上述三種類型植物外，還有鉛指示型植物。在鉛污染土壤中，對(duì)土壤鉛污染最為敏感的是過氧化氫酶和脲酶活性，而馬唐對(duì)過氧化氫酶、脲酶活性具有較好的恢復(fù)作用，可有效地改善鉛污染對(duì)于土壤酶的破壞。馬唐在土壤鉛濃度為0~500mg/kg下能正常生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)狀況及土壤酶的組成成分可作為制定相應(yīng)的補(bǔ)救措施的重要依據(jù)，有效地提高補(bǔ)救時(shí)間效率。
工程應(yīng)用性植物的基本要求是：生物量大，能正常生長(zhǎng)，富集重金屬和具有一定觀賞價(jià)值。在表1中的植物中，按其生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)特點(diǎn)、株高、地下部鉛積累和地上部分鉛積累、景觀價(jià)值以及是否有經(jīng)濟(jì)效益等7個(gè)指標(biāo)，采用Topsis法進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。其中規(guī)定，有藥用價(jià)值給2分，無藥用價(jià)值1分；生長(zhǎng)類型為多年生加2分，一年生為1分；觀賞效果好的加3分，中等加2分，差加1分。從Topsis法評(píng)價(jià)結(jié)果表明具有工程應(yīng)用的植物主要有車前、斑茅、鳳毛蕨、柳葉箬、毛軸莎草、木賊、鬼針草、漸尖毛蕨、千里光、五葉草等8種植物。在上述8種植物中，車前草、五葉草在每公頃干草產(chǎn)量分別為120～150kg、4500～10000kg，則車前草、五葉草地上部每公頃可以吸收鉛量分別為0.224～0.281kg、6.129～13.62kg，五葉草每年可以刈割2～3次。
03
結(jié)論
本文主要根據(jù)植物不同部位對(duì)鉛的富集類型及指示效應(yīng)分為鉛地上部富集型、鉛根部囤積型、鉛規(guī)避型和鉛指示型植物等4種植物類型。采用Topsis法進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，得出表1中適宜修復(fù)鉛污染土壤工程應(yīng)用的植物有車前草、金絲草、斑茅、鳳毛蕨、毛軸莎草、木賊、鬼針草、漸尖毛蕨、千里光、五葉草等8種植物。在上述植物的篩選原則中可考慮當(dāng)?shù)刂参锓N植條件、經(jīng)濟(jì)效益等問題。在植物修復(fù)后期，可進(jìn)一步探究植物處置方式，避免發(fā)生第二次污染，了解鉛的賦存形態(tài)；還可采用質(zhì)氣化等方法，對(duì)鉛進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)資源化利用；還可探究經(jīng)濟(jì)作物對(duì)鉛潛在富集能力，以避免其對(duì)鉛的積累和富集進(jìn)入食物鏈。
來源：全國能源信息平臺(tái)
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