土壤重金屬污染問題嚴(yán)峻

      重金屬一般是指比重大于5的金屬，從環(huán)境污染方面所說的重金屬通常是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的金屬。而在我國的重金屬土壤污染中，鎘（Cd）污染是危害性zui大的。Cd元素已被環(huán)境規(guī)劃署列為性意義危害化學(xué)物質(zhì)。Cd污染不僅會引起土壤功能的失調(diào)、土質(zhì)的下降，還會不同程度的損害植物的生理發(fā)育，影響植株的生長代謝。Cd通過植物吸收，富集而轉(zhuǎn)移進(jìn)入食物鏈危害人類的生命和健康。

      如今，城市的土壤已經(jīng)多少附有了“金屬”污染的屬性，無論是煤炭燃燒排放廢氣中的重金屬物質(zhì)，或是汽車尾氣中大量的鉛化合物，都通過大氣回流“沉降”入土，并zui終以某種方式侵害居民的健康和加劇城市環(huán)境的污染。

      資料顯示，中國受污染的耕地面積達(dá)2000萬公頃，約占耕地總面積的1/5，其中重金屬污染約占污染面積的30%—40%左右。中國每年因土壤污染而減少的糧食產(chǎn)量高達(dá)1000萬噸，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100多億元。

      這些重金屬可通過農(nóng)作物吸收進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重影響食品安全并危及人類健康。據(jù)了解，造成土壤重金屬污染的原因復(fù)雜，包括工業(yè)排放、化肥農(nóng)藥使用及地礦開采等，目前通過物理和化學(xué)手段治理非常困難，也容易造成二次污染。

      植物修復(fù)土壤污染受推崇

      由于土壤重金屬污染存在污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、污染隱蔽、不可逆性等特點(diǎn)，使得它的治理工作變得十分困難。土壤修復(fù)的課題大部分是在做現(xiàn)在被污染土壤的修復(fù)，但是實(shí)際上如果沒有在源頭上斷絕污染，只是在末端做修復(fù)，這項(xiàng)工作沒有多大的意義 超積累植物對污染金屬元素具有*的富集和積累能力，是植物吸取修復(fù)的資源，但國內(nèi)外對重金屬污染土壤多年植物連續(xù)修復(fù)的研究鮮有報(bào)道。

      此外，盡管超積累植物單株生物量較小，但是當(dāng)大面積修復(fù)應(yīng)用時(shí)則會產(chǎn)生大的生物量，因此修復(fù)植物的安全處置也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田污染土壤成功修復(fù)的關(guān)鍵因素之一。

      中國華南植物園土壤生態(tài)與生態(tài)工程研究組夏漢平研究員曾表示，“目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家都在對重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究。在治理過程中，物理方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工，化學(xué)方法又容易造成二次污染。與傳統(tǒng)的治理方法相比，植物修復(fù)技術(shù)具有治理效果的*性、治理過程的原位性、治理成本的低廉性、環(huán)境美學(xué)的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，因此使其成為重金屬污染治理的研究熱點(diǎn)。”

      研究人員指出，植物修復(fù)技術(shù)成功的關(guān)鍵在于尋找超富集植物。因此，篩選對重金屬耐受能力高以及具有富集和超富集能力的植物成為目前重金屬污染土壤的重要修復(fù)途徑之一。

      “轉(zhuǎn)存隔離”新機(jī)制

       近日，合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院曹樹青教授課題組的研究成果“擬南芥MAN3基因通過谷胱甘肽依賴的途徑調(diào)控鎘耐受”，揭示了植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子調(diào)控機(jī)制。這一研究成果，在揭示了植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子調(diào)控機(jī)制，為土壤重金屬污染植物修復(fù)基因工程提供了新的技術(shù)途徑和基因資源。

      該課題組負(fù)責(zé)人曹樹青教授介紹說，“通過植物修復(fù)基因工程技術(shù)，即使土壤受到重金屬污染，植物茂盛生長，同時(shí)將土壤內(nèi)的重金屬吸收后儲存至液泡中。通過種植這種用遺傳工程手段獲得的具有重金屬高積累和高耐受的植物，即可吸收土壤重金屬。對植株進(jìn)行處理，即可降低土壤中重金屬含量。 ”

      目前，該課題組正在進(jìn)行針對砷、鉛等其他重金屬的植物響應(yīng)重金屬信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子調(diào)控機(jī)制研究，并致力于其產(chǎn)業(yè)化研究。

      排斥、沉淀和螯合

      重金屬東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳琪郭曉瑞2014年5月在漢斯《植物學(xué)研究》學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的文章中強(qiáng)調(diào)，Cd所引起的污染具有隱蔽性、性和不可逆性，同時(shí)Cd又極易進(jìn)入水體和大氣，從而影響食品安全，危害生命保障。在Cd脅迫的危害下，植物也產(chǎn)生了相應(yīng)的抗性對策，以達(dá)到通過避開或耐受重金屬污染而繼續(xù)生存的目的?，F(xiàn)階段，所發(fā)現(xiàn)的方式主要有排斥、沉淀和螯合。

      金屬排斥是植物抑制重金屬進(jìn)入其體內(nèi)，或吸收后排出，或阻礙轉(zhuǎn)運(yùn)過程的現(xiàn)象。有研究表明，植物的細(xì)胞脂膜具有選擇特異性，是限制Cd2 利用跨膜運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重要屏障。另外，依據(jù)對耐性植物的金屬吸收與代謝關(guān)系的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，植物的原生質(zhì)膜能夠利用轉(zhuǎn)運(yùn)器運(yùn)載主動將重金屬排除體外。

      植物對Cd的沉淀主要是通過細(xì)胞壁和液泡來完成的，通常被沉淀后的Cd會失去毒性。細(xì)胞壁是植株阻礙Cd2 進(jìn)入植物細(xì)胞的*道屏障，通過利用細(xì)胞壁的沉淀發(fā)揮功能，Cd2 在穿過細(xì)胞壁時(shí)會部分與細(xì)胞壁上的基團(tuán)結(jié)合、沉淀、絡(luò)合或吸附，從而阻止了大量Cd2 進(jìn)入原生質(zhì)體內(nèi)，降低Cd毒害。

      螯合作用是通過誘導(dǎo)合成金屬配位體，并形成金屬配位體復(fù)合物，且在器官、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平區(qū)室化分布，來降低Cd的毒性?，F(xiàn)階段研究結(jié)果表明，主要起作用的金屬螯合蛋白有金屬硫蛋白（Metallothionein，MTs）和植物螯合素（Phytochelatins，PCs）；是衡量植物是否能超級累重金屬的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它們能結(jié)合植物吸收的Cd2 并去毒化轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡儲存，有效減少游離態(tài)Cd。

      另一方面，研究人員指出，自然界中的重金屬污染主要是多元素復(fù)合污染，Cd在與其它金屬交互作用中，表現(xiàn)為協(xié)同、累加或拮抗等特性，其中以拮抗作用對植物的生長zui為有利，研究價(jià)值zui大。

      Cd在與Cu的復(fù)合污染中，會通過競爭吸附位點(diǎn)表現(xiàn)出拮抗效果，而相對有效降低Cd的富集；在Cd與Zn的復(fù)合污染土壤研究中發(fā)現(xiàn)，Cd會與Zn競爭土壤膠體中的吸附點(diǎn)，釋放土壤中的化合態(tài)Zn，從而提高土壤中Zn的有效性，減少Cd進(jìn)入植株體的幾率；Ca與Cd在土壤中的相互作用，主要呈現(xiàn)出顯著抑制吸收的拮抗作用，更好地提高了植株的耐受性，Ca拮抗Cd的主要方式在地上部分，通過有效運(yùn)轉(zhuǎn)Cd到地上進(jìn)行消耗或排解。

      然而，施加Cu、Zn、Ca等元素模擬自然狀態(tài)下復(fù)合污染處理，通過有效提高耐受性或富集性，使植物擁有種植在超越其忍受限度的更高濃度的Cd污染土壤上的機(jī)會；顯示了其巨大的利用植物修復(fù)手段去治理更高濃度重金屬污染的潛能。且達(dá)到金屬治理金屬污染的雙重解決優(yōu)勢。在改善環(huán)境土壤污染方面具有深遠(yuǎn)意義。

      鎘的“植物克星”——少花龍葵

      少花龍葵是中國華南植物園的博士研究生張杏鋒在夏漢平研究員指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的一種鎘的超富集植物。在夏漢平研究員看來，采用土壤種子庫—重金屬濃度梯度法來篩選重金屬超富集植物與以往的常用方法相比，有一定的*性。

      夏漢平說：“由于少花龍葵能耐高鎘污染并能富集大量的鎘，而且種源較易獲得，繁殖培育也較容易，生物量相對較大，所以比較適合修復(fù)高鎘污染地區(qū)，如工礦企業(yè)園及周邊地區(qū)。但目前還不宜進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用，因?yàn)榭蒲谐晒酵茝V應(yīng)用一般都需經(jīng)過中試過程。因此，少花龍葵也還需要到野外進(jìn)行中試，若能成功，就能證明該植物可運(yùn)用到解決目前備受鎘污染的土壤修復(fù)中來。”

      上海探索高富集木本植物選育

      上海交大農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院劉群錄副教授說，對于土壤污染的治理國內(nèi)外已有過不少探索，從治理的手段上分為物理、化學(xué)和生物措施。物理和化學(xué)措施主要采用直接換土法、電化法、穩(wěn)定固化法等方式。但劉群錄強(qiáng)調(diào)：“物理和化學(xué)措施只適用于有*空的土壤治理，大規(guī)模采用該方式成本太高，也不便于實(shí)施。”而生物措施則主要利用動物、植物、微生物的生物作用，所用設(shè)施相對簡單，成本低廉，更適合大規(guī)模的應(yīng)用。

      劉群錄在報(bào)告中提到，傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)是利用重金屬超富集植物（多為草本植物）的種植吸收土壤內(nèi)的重金屬元素，但在實(shí)際應(yīng)用中存在較大限制，且需要每年進(jìn)行種植和收割，增加了土壤修復(fù)的成本。而現(xiàn)在提出使用木本植物，如柳樹和楊樹，它們的維護(hù)成本也更低，更適合作為土壤重金屬污染修復(fù)的材料。此外，木本植物在吸收重金屬污染物之后，通常用作林木資源或生物燃料，不會和人類的食物鏈發(fā)生關(guān)聯(lián)。但劉群錄說，目前在木本植物中發(fā)現(xiàn)并經(jīng)證實(shí)具有重金屬高富集能力的還很少，而且在某些地區(qū)實(shí)驗(yàn)效果較好的樹種，也并不一定適應(yīng)其他地區(qū)的生長，所以，尋找和培育重金屬高富集能力的木本植物成為一個亟待解決的問題。

      據(jù)了解，木本植物用于修復(fù)城市污染土壤的工作在中國尚處于實(shí)驗(yàn)階段，但劉群錄透露，他所在的課題組已經(jīng)在著手準(zhǔn)備高富集木本植物的篩選和培育。他們將在廣泛調(diào)研各類樹種的基礎(chǔ)上，確定合適的目標(biāo)樹種，然后在實(shí)驗(yàn)室將樹種幼苗放入含重金屬的營養(yǎng)液中水培，進(jìn)而對樹體各個部分重金屬的聚集量進(jìn)行測量分析，希望發(fā)現(xiàn)對重金屬具有較強(qiáng)富集能力、且適合上海地區(qū)生長的木本樹種。