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《生命世界》

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《生命世界》杂志由中国科学院主管,中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办,于2...

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种植物,收金属

2009-12-24 19:51:48

  20世纪50年代,在日本富山县神通川流域的居民中出现了一种怪病,患者骨骼严重畸形、剧痛,身长缩短,骨脆易折,严重的可致死亡。医生也说不清病发的原因。鉴于此病以疼痛开始,以剧痛结束生命,他们就把这种病称为“痛痛病”。直到十年以后,人们才查明这种病原来与神冈炼锌厂排放的含镉废水有关。废水污染了饮用水和灌溉水的同时,使附近的居民不得不长期食用含镉稻米和含镉水,怪病由此而来。


土壤重金属污染的植物修复原理

  重金属对人体造成的危害可见一斑。直到现在,由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致的环境污染还很常见。为了修复重金属污染的土壤并改善水质,保护人们的身体健康,人们想了各种办法来阻止重金属危害,其中一种就是在污染地种植超富集植物。

  顾名思义,超富集植物就是能够吸收和蓄积重金属,而且比普通植物多得多。1583年,意大利西沙尔比诺首次发现“黑色的岩石”上生长的特殊植物,1814年,迪斯华斯将其命名为庭荠属,1848年,有关学者测定该植物叶片含镍高达7900毫克/千克。1977年,布鲁克斯将这类植物命名为“超富集植物”。1983年,查尼提出利用植物提取土壤中的污染物,通过收割植物带走土壤中污染物的设想。

  现在,超富集植物的概念已扩大到植物对所有重金属元素的超量富集现象,即能够超量积累一种或同时积累几种重金属元素的植物。


蜈蚣草对砷有强大的解毒富集作用,积累砷的能力最高可达其他普通植物的几十万倍

  与普通植物相比,学术界认为,超富集植物一般应具备4个基本特征:首先,临界含量特征,即植物地上部如茎或叶重金属含量应达到一定的临界含量标准,如锌、锰为10000毫克/千克;铅、铜、镍、钴、砷均为1000毫克/千克;镉为100毫克/千克;金为1毫克/千克。

  其次,转移特征,即植物地上部重金属含量大于根部重金属含量。

  第三,耐性特征,即植物对重金属具有较强的耐性。其中对于人为控制试验条件下的植物来说,是指试验中与对照相比,植物茎、叶、籽、实等地上部分的干重没有下降。对于在自然污染状态下生长的植物来说,是指植物的生长从长相来看没有表现出明显的毒害症状。

 
天蓝遏蓝菜和龙葵对土壤中的镉具有非常强的吸收能力

  第四,富集系数特征,即植物地上部富集系数(植物地上部重金属含量与根部含量的比值)大于1。一般来讲,植物体内重金属含量随土壤中含量的增加而提高。比如,铅的超富集标准是1000毫克/千克,如果当土壤中铅含量小于1000毫克/千克时,植物地上部铅含量大于1000毫克/千克,那没有问题。如果土壤中是1万毫克/千克,植物才富集1000毫克/千克,富集系数就很低了,其作用就值得怀疑了。

  超富集植物的4个基本特征也是我国科研人员在超富集植物修复上的一个理论贡献。

  世界上已发现超富集或具有超富集性质的植物多达几百种,涉及十字花科、凤尾蕨科、菊科、景天科、商陆科、堇菜科、禾本科、豆科、大戟科等。在我国,科研人员已经发现了蜈蚣草、东南景天、龙葵、宝山堇菜、商陆、圆锥南芥、李氏禾等砷、锌、镉、锰、铅、铬等超富集植物,并以这些植物为基础,开展了相关研究。

  人们利用植物对重金属的超富集现象来去除污染土壤中的重金属,这也是环境科学领域常说的植物修复技术。这种方法主要利用超富集植物在重金属污染土壤上的生长,从污染土壤中超量吸收一种或几种重金属,并因其自身的超富集现象,将重金属转移、贮存到茎、叶等地上部器官,随后将植物整体(包括部分根)收获并集中处理,然后再连续种植,以便使污染土壤中重金属含量降低到可以接受的水平,从而使污染土壤得以修复。


叶用红菜植株生长强健,叶片、叶柄均为紫红色或鲜红色,对镉具有较高的富集系数和转移系数

  超富集的重金属包括镍、砷、镉、铅、锰、锌、铜等。在超富集植物修复实践方面,我国科研人员建立了砷、锌、镉等重金属污染土壤植物修复示范工程。在湖南郴州建立的占地一公顷的砷污染土壤植物修复示范工程,是世界上第一个砷污染土壤植物修复示范工程,已稳定运行达7年。应用植物修复成套技术将推动我国污染土壤修复,并可能形成一个新的产业。美国、加拿大等国家的植物修复技术已进入产业化初期阶段。

  不过,植物修复技术还存在一个主要问题,超富集植物的种类有待丰富和富集能力有待提高。现在,世界范围内都还缺少有效的、统一的“特效筛选方法”。尽管国际上已发现超富集植物400多种,但同时超积累多种重金属的植物很少。这种情况下,面对自然界超过50万种的已知植物,20多万种的种子植物,生态学家普遍面临“大海捞针”的困境。


东南景天不仅能忍耐土壤中高浓度的重金属,而且具有很强的吸收和转移大量锌、镉到地上部的能力

  另外,对植物富集后的生物量处理还不够妥善。现在的处理办法是将超富集植物烧成灰后,当做特殊垃圾深挖、填埋,或是运到铅、锌等重金属矿区的尾矿库中与尾矿渣一起贮存,但是重金属没能提炼出来以得到进一步利用。

  作为主要的环境介质之一的土壤受重金属污染程度越来越大,仅西欧约140万个污染土壤位点中,重金属污染便占绝大多数。根据1997年我国环境状况公报报道,我国耕地有1000多万亩受到不同程度的污染,其面积约占当年耕地面积的7.34%。2000年对全国30万亩的基本农田保护区土壤有害重金属的抽样调查表明,重金属超标率达12.1%;23个省(市区)共发生农业环境污染事故891起,污染农田4万亩,直接经济损失达2.2亿元。我国的城市污染土壤主要分布在工业企业及其周边土壤,主要污染物包括铅、镉、铬等重金属和多环芳烃、多氯联苯等有机污染物。矿区污染土壤表现在石油、煤矿、金属矿等开采及废渣造成的重金属与有机污染,污染面积也达几百万亩。我国耕地面积有限,将上述这些污染土壤弃之不用是不可能的,为保证我国粮食生产安全和人民的身心健康,对污染土壤的修复无疑是我国的重大战略需求。


凤眼莲对水体的锌、钼、铅、铜等都有较大的吸收富集能力

  然而,综观世界污染土壤修复技术,虽有一些已比较成熟,如客土法、玻璃化法、电化学法、热处理法、淋洗法等,但对于污染面积巨大的土壤,在经济上则难以承受,在技术方面也较难实施。植物修复技术普遍被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不易造成二次污染等优点,是一项很有发展前途的修复技术,已成为当前国内外环境科学热点问题和前沿研究领域。又由于植物修复具有操作相对简单,经济上和技术上能够大面积实施等优势,几乎成为污染程度较轻且面积巨大的污染土壤修复的不可替代技术,在我国有着广阔的应用前景。

  自2000年以来,在我国成功举办了3届土壤污染和修复国际会议,就重金属污染土壤植物修复等多方面的研究进行广泛的交流,我国在重金属污染生态修复研究方面已走在世界前列。

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