重金属污染土壤的植物修复技术研究进展及案例分析

引言：随着现代化社会的进步，工业化进程及城市建设使得许多生态环境问题显现出来，其中因重金属污染导致的土壤环境问题越来越突出。重金属在土壤中很难自我消解，且会通过食物链途径积累到人体，危害人体健康和生态环境安全。传统的物理法和化学法在一定程度上会缓解土壤重金属污染，但是使用化学法会增加成本，使用物理法会造成二次污染，基于其绿色、可持续及效益性等方面考虑，植物修复法逐渐成为解决重金属污染土壤的热点研究领域。

一、植物修复重金属污染土壤的机制

1.1 植物提取

植物提取重金属是解决土壤中重金属污染的手段之一。它是借助植物根系吸附土壤中的重金属转移到其体表，收获后将其从土壤中去除的方法。其中，起关键作用的是植物对重金属的高富集能力而不引起不良反应或症状的耐富集能力，它称为超富集。植物之所以能够具有超富集作用，主要是其具有发达的根系、极快的吸收和转运以及解毒能力，能够把土壤中的重金属吸收到其体表，转运到其体上。

1.2 植物稳定

而稳态植物是指植物通过其根系生成的代谢物质和与其共生的微生物对土壤重金属进行固定，降低土壤重金属在土壤环境中的迁移能力和生物有效性，从而降低重金属对环境、生物的毒害性。植物的根系可以分泌有机酸、氨基酸、糖类等化合物，可以和重金属离子形成稳定络合物，将重金属固定于根周围，同时根周围微生物也能够参与重金属的固定过程，通过生物吸附、生物沉积进行。此外，植物稳定作用在修复重金属污染土壤中起着重要的作用，尤其是对无法用植物提取与去除的重金属如铅、镉等起着降低土壤中重金属活性，减少重金属进入地下水和地表水、降低重金属对植物毒害作用的作用。

1.3 植物挥发

植物挥发是指植物所吸收的重金属通过转化成蒸气等方式释放到外界环境中。利用该原理比较适用挥发性重金属离子，如 Hg、Se。有些植物体内存在特殊的酶系统，能把重金属转化为可挥发的化合物。例如，某些植物可把 Hg 转化为无色 Hg 蒸汽或甲基Hg，从而挥发进入大气。另外，虽然植物挥发作用可将土壤中的重金属迁移出，但是植物也会将重金属运输到大气中，形成大气二次污染现象。所以在实际应用过程中我们应该综合考虑，一般要结合其他修复技术，减轻对大气环境产生的负作用。

1.4 根系过滤

植物的根系对水中重金属的吸收拦截的作用被称之为“根部拦截”作用。湿地生态系统中植物根系可以形成立体网状结构，进而可以使得含重金属的水通过植物的根系时被根系的表面捕获点吸引并捕获其中的重金属物质，降低水中重金属浓度。利用根部拦截作用处理污水、建设人工湿地以及修复被重金属污染的土地和水体。

二、影响植物修复重金属污染土壤效果的因素

2.1 土壤性质

其中土壤质地也被认为是决定植物修复效果的重要因素之一。就土壤来说，土壤pH 影响着重金属在土壤中的形态及可生物利用性，通常情况下酸性土壤将使重金属更容易溶解且生物活性增加，进而使植物能很好地吸收他们，但在碱性土壤中因为重金属可能会发生沉淀作用而导致其生物可用性降低；此外土壤的质地、有机质含量变化和营养元素态的变化也会直接或间接影响植物的发育生长和其对重金属的吸收能力。如过高土壤黏重度会阻碍植物根部生长并减低重金属迁移，而土壤中的有机质则可能跟重金属结合成复合物进而降低其生物活性等。

2.2 植物因素

植物自身的特性的优劣将决定恢复效果的高低。不同的植物对重金属的吸附能力与耐受程度不同，即使是同一种类，不同物种间也会可能存在较大差异。此外，植物所处生命阶段、大小、根系等都会对植物对重金属的吸收积累带来影响。一般而言，植物在成活旺盛的阶段吸收重金属最多；生物量大的植物能有效吸收重金属；具有发达的根系将增大与土层的接触面积，进而提高重金属的富集效率。

2.3 环境条件

自然环境如光照、温度、湿度、气候等均会影响到植物治理效果。适宜的光照和温度能有利于植物光合作用、生长代谢的进行，从而使得植物对重金属具有较强的吸附能力。水作为植物的营养物，过高的土壤水分或者水分不足均会影响植物发育和植物对重金属的吸附效率。例如过多的水分会使得土壤通气能力差，影响植物根系的呼吸，而水分又过少则会影响植物的生长发育，从而影响植物的重金属吸附效率。此外，气候如降雨、风力等也会影响土壤重金属迁移能力以及植物体健康状况。

三、提高植物修复重金属污染土壤效率的策略

3.1 植物联合修复技术

植物联合治理是指联合应用两个或两个以上植物修复的方法或将植物修复与其他修复技术(如物理、化学、微生物等)结合的综合技术，以提高重金属污染土地修复效率的方法，例如植物-微生物共生修复技术是利用植物根系为微生物提供生存环境和养料，促进微生物繁殖和生命活动；同时微生物释放出一些物质，改变土壤中重金属的特性，增强其生物活性，进而提高植物对重金属的吸收。植物-化学-生物学联合修复技术是在土壤中添加一些化学物质如螯合剂、改良剂等，增加重金属的生物活性和刺激植物从其中富集重金属的能力。

3.2 优化植物种植管理

植被合理栽植和养护措施可以增强植物的健康生长状况和植物对重金属的吸附能力。例如，选择适宜的播种密度来保证植物有充足的生活空间和养分资源；定期浇水和施肥使植物满足所必需的水分和养分；采取适当修剪、收摘等方式有利于植物的生长及植物体内重金属的积累。还可通过间作、套种等方式增加土壤肥力及生态多样性，以提高植物的净化能力。

3.3 基因工程改良植物

基因工程改良植物特性以栽培更耐污染的转基因植物被认为是提高植物的去除效率的主要途径。将影响重金属吸收、转运、代谢排毒的基因转入植物体内，以增强植物对重金属的吸收、运输和储存能力及抗重金属性能。例如转进金属转运蛋白基因以扩大植物对重金属通过细胞膜的运输能力；将抗氧化酶基因引入植物以增强植物对由重金属所造成的氧化胁迫的抵抗力。但在基因工程改良植物的应用中，应充分考虑基因的安全及环境问题，确保转基因植物的稳定性及可预测性。

3.4 土壤改良措施

对重金属污染的土壤进行治理修复，改善其土壤理化性质是促进植被生长修复的有效环节。例如，施用有机肥料能增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土壤蓄水及养分能力，有机物质能够与重金属形成络合物，降低其生物有效性。施用石灰、磷酸盐等进行土壤调理剂调节土壤酸碱度，使重金属离子形态向沉淀转变，使重金属离子减弱对环境产生影响的效能。或者施以土壤深翻或者深耕措施，改善土壤通气条件、土体透气及渗水性，促进植被生长根系发展及重金属迁移。

结束语：植物修复技术是一项环境友好的具有潜力的治理土壤重金属污染技术。该技术已经取得了很大的突破，在基础原理研究及应用上进行了相关探索，但其问题还是层出不穷，如高浓度植物的资源有限、受诸多因素影响的修复效果不佳等。针对诸多问题的困境，我们应进一步挖掘植物修复原理，大力开发高浓度植物资源，尝试不同修复手段的组合方式及考虑应用基因改造植物存在环境安全隐患的诸多方面的问题。这样才能使植物修复技术在治理重金属污染土壤中做出更大贡献，以维护环境和人类健康。

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