汞污染土壤植物修复技术研究进展.doc

汞污染土壤植物修复技术研究进展生态学杂志ChineseJournalofEcology2007,26(6):933937汞污染土壤植物修复技术研究进展米刘平仇广乐商立海(浙江省台州市黄岩区城建培训中心,浙江台州318020;中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳550002)摘要汞是一种全球性污染物,汞污染土壤的修复问题,一直倍受各国科学工作者关注,土壤汞污染的植物修复技术是近年来开展起来的新兴技术.其中,汞污染土壤的植物提取技术是最有开展前途的一种汞污染土壤植物修复技术.本文对国内外有关汞污染土壤的植物修复技术进行了系统分析,对有关汞污染土壤的植物修复应用技术,如植物挥发,固化及提取等修复方法进行了评述,探讨了植物修复技术在汞污染土壤修复中的应用前景.加快对汞超积累植物的筛选和植物体对重金属耐性机制的研究,对今后开展汞污染土壤的植物修复工作具有重要的现实意义.关键词土壤;汞污染;植物修复中图分类号X131.3文献标识码A文章编号10004890(2007)06093305Phytoremediationofmercurycontaminatedsoil:Areview.LIUPing,QIUGuangle,SHANGLihai(UrbanConstructionTrainingCenterofHuangyanDistrict,Tahou318020,Zhejiang,China;StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002,China).ChineseJournalofEcology,2007,26(6):933937.Abstract:Mercury(Hg)isconsideredasaglobalpollutant,andtheremediationofHgcontaminatedsoilalwaysposesworldwideconcern.Phvt0remediati0nisanewtechnologydevelopedrecentlvfortheremediationofHgcontaminatedsoil.inwhich,phytoextractionisakindofmostfavorablephytoremediationtechniques.ThispaperintroducedthephytoremediationtechniquesofHgcontaminatedsoilathomeandabroad,includingphyt0v0latilizati0n,phyt0stabilizati0nandphytoextraction,withtheirapplicationprospectsdiscussed.ItwasconsideredthatthestudyofHghypemccumulati0nplantsandtheirtolerancemechanismsisofsignificanceforthephytoremediationofHgcontaminatedsoil.Keywords:soil;mercurycontamination;phyt0remediati0n.汞是一种对环境危害较大,人体非必需元素.自工业化以来的大规模人类活动,导致了大量的汞被排放到环境中.例如,许多开展中国家的金汞齐技术采金活动,导致了周围土壤和水体的严重汞污染,兴旺国家中也依然存在着严重的汞污染问题,而且含汞废弃物仍在不断增加.在我国,随着经济的高速增长和城市化的不断提高,全国范围内汞污染土壤问题十分严峻(王起超,2004),典型地区的调国家自然科学基金资助工程(40503009).通讯作者Email:qiuguanglevip.skleg 收稿日期:200611-03接受日期:2007-04-06查结果说明,汞污染土壤已经对水环境和农产品质量构成了显着威胁(Horvateta1.,2003;Shieta1.,2004;Qiueta1.,2005).由于进入土壤中的无机汞,可以在硫酸盐复原菌或化学作用下,转化为毒性更大,能通过食物链产生生物放大效应的甲基汞(MeHg),进而可以导致汞的生物积累效应的发生(WHO,1990;Barnetteta1.,1995;Ravichandraneta1.,1998).因此,土壤中的汞不仅会直接破坏土壤和水体的功能,同时汞污染物尤其是甲基汞,还将会通过食物链而影响植物,动物,最终威胁人类的健康.目前,如何解决汞污染土壤问题以及污染土壤的修复,已成为世界各国一项十分紧迫的任务.许多国家都投入大量的人力,物力研究去除土934生态学杂志第26卷第6期壤汞污染的途径.传统修复方法有土壤挖掘,填埋,土壤清洗以及通过物理化学技术进行固化,提取等.这些方法效率低,本钱高,同时还破坏了土壤原有的生物环境.自20世纪80年代以来,一种新的生物技术一植物修复(phytoremediation),即利用绿色植物来原位修复和去除由无机废弃物造成的土壤污染的技术日渐兴起(Andersoneta1.,1993;Sykeseta1.,1999;Krimer&Chardonnens,2001).与传统的化学修复,物理和工程修复等技术手段相比,它具有投资低,操作简便,不造成二次污染以及具有潜在或显着经济效益等优点.植物修复更适应环境保护的要求,越来越受到各国政府,科技界和企业界的重视和青睐.因此,在我国,无论是从投资本钱还是管理等多方面考虑,采用植物修复技术是一条非常适合国情的土壤污染治理途径.近20年来,随着植物修复技术不断开展,植物修复技术已被广泛地应用于重金属污染土壤的修复.许多兴旺国家开展了大规模的试验,以美国为首的西方兴旺国家运用已发现的超积累植物,在铜,铅,锌,镍,镉以及金等污染土壤的植物修复方面,取得了较好的试验效果(Schnooreta1.,1995;Huangeta1.,1997;Andersoneta1.,1998;Petkewich,2004).我国学者也开展了铜,铅,锌,镉和砷等污染土壤的植物修复方法的研究,并成功地利用超积累植物一蕨菜,开展了砷污染土壤的修复工作(骆永明等,2000;陈同斌等,2002).然而,目前尚未发现汞的超积累植物.2汞污染土壤的植物修复植物从土壤中摄取汞的方式,主要是通过根部的吸收作用从土壤和土壤溶液中吸收和富集离子态,原子态和甲基汞(Cockingeta1.,1995;Bishop&Lee,1998).研究说明,植物根部和其它组织间存在很强的阻碍汞迁移的机理(Cavallinieta1.,1991;Patra&Sharma,2000;Schwesig&Krebs,2003),而且根部吸收的汞,很难迁移到植物的其它组织局部.尽管如此,植物根部和叶片之间亦存在一定的迁移,根部对叶片汞的奉献可达10%(Bishop&Lee,1998),而且根部汞的迁移可以加大叶片对汞的释放(Leonardeta1.,1998).另外,某些植物在吸收汞之后会在体内或通过向环境中分泌一些酶来促使其转化,从而使汞的形态发生改变.基于以上机理,目前对汞污染土壤的植物修复途径,主要包括:植物挥发,植物固化和植物提取等方法,采用转基因技术培育更经济,更有效的去除汞污染的绿色植物,是汞污染土壤的植物修复这一领域的主攻方向之一.2.1植物挥发修复局部研究者根据单质汞(Hg.)的易挥发特性,运用转基因技术把植物从土壤中吸收的汞在体内转化为易挥发的Hg.后,通过叶片蒸腾作用将Hg.挥发到大气中,以到达对汞污染土壤修复的目的.美国学者Meagher(2000),构建了汞复原酶(merA)和有机汞裂解酶(merB)的基因表达载体,试验获得了抗汞和使汞挥发的转基因植物一拟南芥(Arabidopsisthaliana).该转基因植物增强了对汞的吸收能力,将merB和merA同时转入拟南芥后,发现与非转基因型的拟南芥相比,转基因型拟南芥耐受有机汞的能力提高了50倍,并能有效的将甲基汞转化为无机汞,降低了汞毒性,耐甲基汞和其他有机汞化物的能力明显提高(Rugheta1.,1996;Heatoneta1.,1998;Bizilyeta1.,1999).研究者将merA基因转入白杨(Liriodendrontulipifel'a)后,转基因植物能在Hg含量高达500g?kg土壤中正常生长,与非转基因白杨相比,Hg的挥发能力提高了10倍(Rugheta1.,1998).除上述2种转基因植物外,merA和merB基因亦成功地被转入了芥菜(BFO.SSi.ca)和烟草(Nicotianatabacum)等植物.目前该向转基因的研究工作,已集中于对香蒲,野生水稻,米草以及其它湿地植物等的研究.尽管气态单质汞的毒性低于离子态汞和有机汞,但气态单质汞排放到大气中依然会产生新的问题(Moffat,1995).汞是唯一在大气中以气体形式存在,并通过大气环流进行跨越国界传输的全球性污染物,因此各国政府都在制定相应政策,控制人为活动向大气的排汞量,而利用转基因植物挥发污染土壤中的汞,虽然可以到达对污染土壤修复的目的,但它很可能会导致新的汞污染问题(Raskin,1996;Henry,2000;Cummins,2003;USEPA,2005).2.2植物固化修复最近一些研究说明(Greger&Landberg,1999;Robinsoneta1.,2000),具有高生物量和兴旺根系的树木也可从土壤中提取重金属,如柳树(Salixspp.)和白杨可以作为一种非常好的廉价的重金属污染土壤植物修复的材料.局部学者开展了利用人工诱导植物提取法,进行修复汞污染土壤研究.刘平等:汞污染土壤植物修复技术研究进展935瑞典学者Wang和Greger(2004)研究发现,柳树的根部能积累大量的汞,而且和其它植物如豌豆(Pisumsativum),小麦(Triticumaestivum),苜蓿(Medicagosativa)以及油菜(Brassicacampestris)等相比,其叶面未有向大气释汞的现象.研究说明,柳树体内绝大多数的汞是积聚在根部细胞壁中,只有0.45%0.65%的汞会转移到植物的地上局部(Gregereta1.,2005).当土壤中添加碘化物(KI)后,可以提高柳树对汞的吸收能力,其根部汞浓度是添加前汞浓度的8倍(Wang&Greger,2006).因此,他们认为,柳树尽管不能作为理想的污染土壤中的汞提取植物,但由于其生物量大,且根系兴旺,可以被用于土壤中汞的固化.2.3植物提取修复目前植物提取是应用前景最好的植物修复技术,而植物提取修复在较大程度上是依赖超积累植物来实现,迄今为止,尚未有汞的超积累植物的报道.因此,汞超积累植物的筛选和找寻,是该项技术开展的关键所在.最近,新西兰学者Moreno等(2004)利用人工诱导技术,对豆类植物和芥菜等在参加诱导剂的条件下对汞的吸收能力进行了研究,发现羽扇豆(Lupinsp.)和芥菜(B.juncea)在添加了人工诱导剂后,可以有效地吸收矿山尾渣中的汞.在人工诱导剂一硫代硫酸氨参加的条件下,其根部和地上局部汞的含量比对照植物对应局部汞的含量增加了6倍,同时硫代硫酸钠的参加,亦可以增加植物地上部分汞含量.研究发现,人工诱导剂一硫代硫酸盐可以使汞的活性增强,并形成汞一硫代硫酸盐络合物,该局部汞络合物可以被植物有效地吸收,并能迁移,高倍富集于其地上局部(Morenoeta1.,2005a).野外现场试验说明,当尾渣参加5g?hm硫代硫酸钠时,每茬?hmI2(34个月)植物便可以吸收25g金属汞(Morenoeta1.,2005b).该研究还发现,诱导植物在体内吸收汞的同时,其自身亦活化了土壤中的大量的汞,该局部汞会通过土一气界面释放到大气中,研究说明,试验田可以向大气排放约500g?hmI2的汞,该排放量占试验田中汞去除总量的95%(Morenoeta1.,2005b).由此可见,该种人工诱导条件下的植物提取修复,由于参加诱导剂后受植物活化作用的影响,土一气界面间的汞挥发成了去除汞的主要途径,植物自身提取的汞量,却只占总的汞去除量的20%.该方法依然导致了大量的单质汞被排放到大气中.3我国汞污染植物修复研究早在20世纪80,90年代,我国学者曾在汞的植物修复方面做过研究.加拿大杨(Populuscanadens)和红树(Rhizophoraapiculata)等树木对土壤汞的吸收及储存能力较强,在试验条件下,加拿大杨树生长期内对高汞含量土壤中的汞吸收能力为对照树种的130倍(林治庆和黄会一,1989;陈荣华和林鹏,1989).另外,据龙育堂等(1994)研究说明,苎麻(Boehmerianivea)能有效吸收土壤中的汞,将水稻田改种苎麻后,土壤汞的年净化率高达41%,总汞残留系数由0.94降为0.56,使污染土壤修复到背景值水平的时间大大缩短.He等(2001),Tian等(2002)利用转基因技术,将经人工改造的merA基因和merB基因序列转入烟草(Nitotianatobacum),使转基因烟草对二价汞转化为单质汞的能力提高了58倍,获得了能够将离子汞挥发和高抗有机汞的转基因烟草.最近研究表明(田吉林等,2004),当用含氯化甲基汞营养液处理后,大米草(Spartinaanglica)植株体内有机汞总量在增加,营养液中有机汞总量在减少,而无机汞总量那么明显增加;在实验条件下,大米草对营养液中氯化甲基汞(MeHgCI)毒性的临界浓度为15moI.L.,是烟草的3倍.大米草对汞的积累作用和把有机汞转化为无机汞的转化作用,在环境污染的植物修复方面有重要的利用价值.4问题与展望汞是一种全球性污染物,汞污染土壤的植物挥发技术的推广,无疑会使大量的气态汞进人大气,然后随着大气循环和干,湿沉降而导致更大面积的汞沉降现象.因此,汞污染土壤的植物挥发修复将会产生新的汞污染问题.目前,汞的植物提取技术是最有开展前途的一种汞污染土壤的植物修复技术.把具有抵抗汞毒性能力的天然植物应用于汞污染土壤的植物修复,既经济有效,又有利于保护生态环境.但是,目前还存在以下问题:1)一般植物的耐汞能力较低,利用植物去除汞污染时会被其耐力所限制;2)尽管世界各国已发现400余种不同重金属超积累植物,迄今尚未发现汞的超积累植物;3)植物的叶面具有挥发气态单质汞的能力,单质汞进人大气参与全球循环,因而会导致新的汞污染问题;936生态学杂志第26卷第6期4)土壤溶液中汞的含量通常较低,而且多数为活性较弱的化合态.受上述诸多影响因素,使得人们必须去寻求提高和改良植物去除汞污染能力的新途径.因此,在某些具有独特地质背景和长期的汞矿山开发的汞污染区,加快对超积累植物的筛选和植物体对重金属耐性机制的研究,开发和完善转基因植物对环境平安性评价的技术体系,加快汞污染土壤的植物提取技术的研发,是具有重要科学意义的探索性工作.参考文献陈荣华,林鹏.1989.红树幼苗对汞的吸收和净化.环境科学,9(2):218221.陈同斌,韦朝阳,黄泽春,等.2002.砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征.科学通报,47(3):207210.林治庆,黄会一.1989.木本植物对汞耐性的研究.生态学报,9(4):315319.龙育堂,刘世凡,熊建平,等.1994.苎麻对稻田土壤汞精华效果研究.农业环境保护,13(1):3033.骆永明,严蔚东,ChristieP,2000.铜锌交互作用和土壤y一辐射对大麦和黑麦草生长的影响.土壤,2:9598.田吉林,诸海焘,杨玉爱,等.2004.大米草对有机汞的耐性,吸收及转化.植物生理与分子生物学,30(5):577582.王起超.2004.汞污染:一条看不见的毒链EB/OL.2004-618. 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