土壤重金属与植物提取技术

 

植物提取技术的土壤重金属与植物提取技术

 

植物提取技术(Phytoex traction) 又称植物萃取技术，是近年来兴起的一门新技术，也是目前研究最多且最有发展前景的植物修复技术。植物提取技术是指采用超积累植物将土壤中过量的重金属元素大量地富集并搬运转移到植物根部可收割部位和地上茎叶部位 (特别是地上部)，从而修复土壤的技术。适用植物提取技术的污染物包括：各种金属，如银、镉、钴、铬、铜、汞、锰、钼、镍、铅、锌；类金属，如砷、硒；放射性核素，如90Sr、137Cs、239Pu、238U、234U等；非金属，如硼等；各种有机物质。

“植物提取技术”通常也被称为“植物修复技术”。其本质是通过植物的光合作用，将分散在土壤中的污染物泵吸出来，转移到植物地上茎叶部位，最后通过收获植物地上器官并处理这些器官达到环境治理、变废为宝目的。收获植物中的重金属元素还可以回收利用。植物提取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊超积累植物。目前已经发现的500多种超富集植物广泛分布于45个科，其中Ni的超富集植物最多，主要是十字花科的庭荠属。据报道，红根苋可富集cs，对切尔诺贝利核电站1986年泄露后大面积土壤的核污染进行植物修复有较大潜力。美国Viridian环境公司用植物修复技术净化镍污染土壤，每年甚至可以从金属镍的回收中获取2500美元/hm²的收益。

 

重金属只有溶解在土壤溶液中，才有可能被植物所吸收利用，因此，根际土壤中重金属活性与生物有效性的研究非常重要。根际土壤中重金属的活性与生物有效性与根际环境中pH值、Eh、根际分泌物、微生物以及土壤本身的理化性质等有关。酸度是影响土壤中重金属元素生物有效性的主要因子。但在超积累植物吸收研究中，众多研究者都发现在种植超积累植物与非超积累植物之间、以及种植超积累植物前后根区pH并没有显著的变化，根际与非根际土在整个生长过程中pH也没有差别。

重金属在根际土壤与非根际土壤中的形态转化，也影响其活性和生物有效性。因交换态具有较大的溶解性，较其他形态更易于被植物吸收，但碳酸盐结合态也同样易于溶解。

在根系这个特殊的微环境里，由于根系分泌物及微生物的活动，碳酸盐结合态的生物有效性很容易得到提高。但在不同的根际微环境中，碳酸盐结合态的有效性也可能不同，pH值可以通过改变碳酸盐结合态的有效性而影响重金属元素的生物有效性。 

1、植物修复的优势

与物理修复和化学修复方法相比，植物修复的优势主要表现在以下几个方面：

（1）技术相对简单、费用较低，可以大面积的实施；

（2）利用植物的提取作用或降解作用可以永久性地解决环境污染问题；

（3）不造成污染场地的二次污染，具有美化环境的作用；

（4）不破化场地结构，对环境扰动少，为公众所欢迎；

（5）经植物修复过的土壤或水体可再利用，符合可持续发展的要求。

2、植物修复的特点

植物修复是利用植物的生命活动来完成的，因而与其他修复技术相比具有如下特点：

（1）植物修复以太阳作为驱动力，能耗较低；

（2）从形式上看植物修复工艺比较简单，但受外界影响因素较多；

（3）植物修复技术的研究与应用，具有多学科交叉性；

（4）植物修复时间比较长，研究周期也比较长。

3、植物修复的局限性

（1）对于污染程度过重、或污染物分布为植物根系所达不到，甚至不适于植物生长的污染土壤或水体的修复并不适用；

（2）对于复合污染土壤或水体，采用一种修复植物或几种修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要求；

（3）修复周期较长，难以满足快速修复污染环境的需求。

 

在被重金属污染的土壤上，植物对重金属的吸收由于环境浓度差异大而存在被动吸收。但超积累植物对土壤溶液中的金属离子的吸收可能存在主动吸收过程。超积累植物T.caerulescens在浓度1000μmol/L Zn和200μmol/L Cd处理下，植物地上部Zn和Cd的浓度分别达到了33600 mg/kg和1140 mg/kg。Knight等在7种被重金属污染的欧洲土壤上种植超积累植物T.caerulescens，当土壤溶液中Zn的浓度低时(<0.1mg/L)，植物地上部积累的Zn随土壤溶液中Zn浓度的增加而迅速增加；但当土壤溶液中Zn浓度较大时(>0.1mg/L)，增加土壤溶液中Zn的浓度并不能增加植物对Zn的吸收。这种现象符合主动吸收的载体学说，离子载体与离子的结合未达到饱和，所以吸收离子的速率随外界溶液浓度的增加而增加；但当外界溶液浓度高时，离子载体容易饱和，所以提高外界溶液浓度，离子吸收也不会随之增加。

 

重金属对植物吸收的影响 

植物可以活化土壤中不溶态的重金属。植物根际分泌物可以活化土壤中的某些重金属，从而增加植物对土壤中重金属的吸收。根际分泌物对Cd有明显的活化作用，研究结果表明，新鲜根系分泌物可减少土壤对Cd的吸持，因而在根系伸长区由于主要分泌小分子分泌物，可能增加重金属的水溶性与扩散性；根冠分泌的大分子有机物较多，能络合重金属，从而对根尖生长点可能起到某种保护作用。根际袋试验表明，土壤中可移动态Zn含量的下降占超积累植物T.caerulescens吸收Zn总量中的不到10%，说明T.caerulescens可以将土壤中的Zn从不溶态转化为可移动态。植物的根系可以分泌质子，从而促进植物对土壤中元素的活化和吸收。种植T.caerulescens和非超积累植物T.ochroleucum后，根际土壤中可移动态Zn含量均较非根际土壤高，这可能与根际土壤pH值较低有关，试验结束时，根际土壤pH值较非根际土壤低0.2～0.4，但2种植物对根际土壤的酸化程度没有显著差异。Bernal等对Ni超积累植物A.murale和萝卜的对比研究表明，两者根际土壤pH值的变化相似，主要与阴阳离子的吸收有关，而与重金属的含量无关。