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植物法净化水体重金属污染
2006年03月04日 来源: 水利工程网 作者: 高俊宁 黄 英 黄 飞 浏览：
摘要 对植物净化水域重金属污染的方式及影响因素进行了较为全面的叙述，并总结了目前研究较多的几种植物，如水芹菜、凤眼莲、香蒲、芦苇、香根草以及巨型海藻海黍子、海带、孔石莼等的研究情况及其应用前景。水域中植物积聚重金属主要通过植物吸收、植物吸附、根际效应、根系过滤以及植物挥发5种方式，其影响因素包括金属离子的物化性质、植物本身的性质及植物所生存环境的性质等。对植物法中现存的问题及今后的研究重点提出了自己的看法。
关键词 植物修复 重金属 净化 超积累
Review on decontamination of heavy metals in water area by plants Gao Junning Huang Ying, Huang Fei. (Department of Applied Chemistry, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shanxi 710072)
Abstract: This paper carried on a relatively full review about the ways and factors of cleaning up heavy metals in water area via plants, and summarized several plants which researchers are most interested in, such as hyacinth, Oenanthe javanica, cattail, reed, vetiver grass, Sargassum kjellmanum, Laminaria japonica and Ulva pertusa, et al. Plants hyperaccumulate metals mainly through phytoextraction, rhizofiltration, phytovolatilization, phytostabilization and rhizodegradation. Generally there is a combination of all these ways. The factors that affect the ability of plants accumulating metals involve in three important aspects, including the physical and chemical properties of the compound, the environmental characteristics and the plant characteristics. And then, some questions in emergency of the phytoremediation were discussed.
Keywords: Phytoremediation Heavy metals Decontamination hyperaccumulation
重金属离子一般可用化学沉淀、离子交换、电渗析、膜分离等方法去除，近年来对活性污泥、微生物法的研究也常见诸刊物。但这些方法多针对某一种物质，或至多为某一类物质。植物法的优势在于不仅吸附效果较好、环境友好、经济及生态价值高，可同时富集多种重金属离子，且同时对水体富营养化、有机污染也有很好的治理作用。近年来，植物法作为一种净化重金属污染行之有效的方法已得到科研工作者越来越多的关注，人们进行了大量的探索。实践证明，无论是对土壤重金属污染还是水体重金属污染，植物法均显示了其无可比拟的优越性。本文对去除方式进行了较为全面的叙述，并总结了目前报道较多的几种植物如凤眼莲、水芹菜、香蒲、芦苇、香根草以及大型海藻类植物海带、孔石莼等的研究情况，最后对植物法中现存的问题及今后的工作重点提出了自己的看法。
1 植物净化重金属污染的方式
植物在重金属胁迫下会产生抗性，通过调节自身的生命活动来适应不良环境。但若金属离子浓度过高，超过植物抗性的极限则会引起植物生命活动衰减直至死亡，因而植物法一般只能处理较低浓度的重金属废水。表1列举了一些重金属对植物生命活动的影响[1]。
环境条件会改变植物的耐受性，pH、微生物、络合剂等均可产生影响。关于植物的耐受性机制，科研人员进行了积极的探索，普遍接受的看法是植物体内的含硫化合物参与了作用[2]，由于腐殖酸具有很强的结合金属离子的能力，一些研究者提出聚集重金属时植物体内的腐殖酸发挥了重要作用[3]。在植物耐受性机制的研究中，大量运用了x射线吸收光谱及相关技术：X射线近边结构（XANES）、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）及X微探针，用以确定金属在植物体内的分布，以及结合方式、存在形式等[1]。
表1 重金属对植物的主要影响
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金属种类 |
影响结果 |
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Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn |
降低种子萌发率、油脂含量及植株生长，促使植物鳌合肽的合成 降低酶活性及植株生长，导致膜损伤、萎黄及根损伤 限制光合作用、植株生长及繁殖，降低类囊体表面积 降低光合作用活性、水的吸收及抗氧化酶的量，积聚苯酚和脯氨酸 降低种子萌发率、蛋白质及叶绿素和酶的合成、增加自由氨基酸含量 减缓叶绿素合成及植株生长，增加超氧化歧化酶含量 减缓Ni的毒性及种子萌发，增加植株生长及ATP/叶绿素比率 |
植物积聚重金属离子的方式主要有以下5种：
（1）植物吸收
植物吸收也称植物过滤或植物萃取，是指植物把水体或土壤中的金属元素吸收到根部并在植物体内传导的过程。重金属在水体中可通过扩散方式、质体流作用或者随水体流动靠近植物根部，从而被植物吸收。植物吸收发生在金属离子来不及被迅速或完全地降解以致在植物体内聚集时。
（2）根际效应
植物根系既能分泌一些营养物质，如糖类、磷酸、蛋白质等供微生物生存，又能分泌一些特殊的化学物质，如有机酸、酚类等。根分泌物直接影响根际微生物的种类和数量分布，不同植物或在不同土壤种植的植物或同一植物的不同发育阶段根分泌物的种类和数量不同，从而有选择性地影响着根际微生物[4]。微生物能通过自身的生命活动积极地改变金属离子的形态并且能够影响植物的生长状态，参与净化重金属离子的过程[5]。如从印度芥末的根际环境中分离出来的对镉耐受性良好的细菌大都含有1－氨基环丙烷－1－羧酸酯（ACC）脱氨基酶，而ACC是促进根系生长不可或缺的营养物质。芥末通过分解ACC加速植株生长以提高耐受性，从而提高其富集Cd的能力。同样的情况也适应于Zn、Cu、Ni 和 Co等其他几种重金属离子[6]。植物根系也能分泌出一些对其自身具有毒性的物质，如生物碱、氰糖甙、多环芳香物等，来抵御一些细菌、真菌的入侵。
（3）根系过滤
根系过滤是指植物根系范围内呈溶解态的金属元素被植物的根系吸收或在植物根系的影响下沉淀在根系外表面。由于净化重金属离子污染时多选用生长繁殖快、耐污力强且根系发达的植物，其庞大的根系是一个天然的拦污网，可促使污染物沉积。
（4）植物吸附
吸附一般直接发生在植物根茎叶的表面。表面吸附是由螯合离子交换和选择性吸收等物理和化学过程共同作用的结果，不要求生物活性，在死去的植物体表面也可以发生。表面吸附可能是水体去除重金属最快的一步。对于沉水植物和浮叶根生植物而言，植物吸附是其去除重金属的主要方式[7]。
（5）植物挥发
植物挥发是指重金属通过植物作用产生毒性小的挥发态物质后将其转移到茎叶部，最终挥发到植物体外并进入大气的过程。目前在这方面研究最多的是金属元素汞和类金属元素硒。植物可与微生物协同作用，将毒性较大的硒转化成毒性较小的、具一定挥发性的二甲基硒，汞则可由毒性较大的甲基汞被转化成有一定挥发性的游离态汞。
2 植物净化重金属离子的影响因素
影响植物净化重金属离子的因素很多，归纳起来主要有三个方面[8]。
2.1 金属离子的物化性质
包括离子的水溶性、价态、蒸汽压、存在形态以及分子量等。植物对金属离子的吸收是有选择性的，这不仅表现在对不同的金属具有不等的吸收量上，也表现在对同一金属离子的不同形态吸收效果存在显著差异上。金属离子可以络合态、沉淀态或游离态的形式存在于环境中，不同存在形态的金属毒性不一样，如Cr3+为人畜必需的微量元素，而Cr6+则是一种毒性很大的致畸、致突变离子；Hg2+对动物的危害很大，而游离Hg(0)毒性则小很多，Hg2+在环境微生物的作用下可转化成MeHg，MeHg是植物最易吸收的形式。从目前科研人员业已进行的大量工作来看，植物最易吸收的金属元素是Ni、Zn、Cu，常见的近400种超积累植物（金属在植物干重中所占比例大于0.1％即可称之。但由于铬、镉对植物的毒性远大于其他金属，Baker等[9]认为超富集植物的定义应视具体植物而定。对于镉，植物干重中含量达0.01%，铬达 0.05%即可认为该物种为镉或铬的超富集植物）中的绝大多数都较易吸收这3种元素。
2.2 植物生存环境的性质
包括水域的水力环境（如水体的泥沙浓度和粒度、温度、pH、紊动强度、目标物的起始浓度、盐度、有机物等）、季节、气候、地域等。植物的生长具有地域性的特点，季节和气候因素对植物修复有着相当关键的影响。在一项针对收割季节对芦苇富集重金属离子能力及其收割后对植株生长量的影响的研究中发现，收割可提高芦苇叶子的生长量，同时植株高度和茎的直径则会降低，重金属储藏能力也有所下降，持续的六月收割会使植株的生命力变弱。综合来看，七、八月收割较为相宜 [10]。植物富集重金属的能力一般随着温度的上升而上升，而随盐度的递增则呈相反的变化趋势[11]。pH值不仅决定了金属的存在形态，且对植物的富集能力有显著的影响。如在pH小于4时，马尾藻聚集Cu、Pb、Cr、Ni的效率均随pH值的增加大幅上升，pH大于4后则变化趋于平稳，对于海带，这个分界点为3[12]。环境中的一些有机物如腐殖酸是金属良好的螯合剂，可以促进金属离子的去除。
2.3 植物本身的特性
植物按照其自身对金属离子积累能力的不同分为超富积植物和一般植物两种。不同种类的植物往往具有不同的根系结构，不同的生长特点，具有的生物量不一样，有不同的外观形态，产生不同的分泌物，且对金属的耐受性存在很大的差异。植物的这些特性决定了差异显著的根际环境。如 “1.2”所述，根际环境对植物聚集金属的能力有很大的影响。此外，植物可通过内部通气组织传递氧气，氧化根际环境，改变金属的价态[13]，而植物的分泌物则可影响根系周围的微生物，促进其适应和改善生存环境，从而更有效地发挥功用。
3 净化重金属污染的几种常见植物
自然界中植物种类繁多，目前人们已发现的大概有400多种金属离子的超富积植物，更多具有开发潜能的植物还有待人们的进一步探索。这里所列举的只是国内相关刊物上科研人员报道较多的几种植物，以求达到管中窥豹的作用。
3.1 凤眼莲
凤眼莲又名水葫芦、水浮萍、水生风信子等，为多年生漂浮水生草本植物，原产南美，根系发达，生长繁殖速度极快，喜高温湿润气候，喜群生，耐碱、耐肥、抗病能力强，在pH为9时仍能正常生长。最早作为一种花卉引入，可作动物祠料、绿肥。蔡成翔等发现凤眼莲是低浓度含铅废水生态治理的优良植物，也可用于低浓度含镉废水的处理，但其短期净化速率不如铅，对铜离子的耐受性很差，因此可作为铜污染废水的指示性植物[14]；达良俊等的研究表明在凤眼莲对重金属的富集作用中根部的贡献远大于茎叶部，其倍数关系大致为：镉和铬10多倍，铜100倍左右，而锌竟达300多倍[15]；另有人研究了用凤眼莲根内金属硫肽检测水体重金属污染的可行性 [16]。
然而，凤眼莲扩展蔓延速度快，可在短时间内成为单优群落，对生态环境造成巨大的危害，已进入国家于2003年公布的第一批外来入侵物种黑名单。对于凤眼莲的问题主要是如何趋利避害，减小损失，达到转移支付的目的[17]。目前，已有许多人进行了积极的探索。
3.2 水芹菜
水芹菜对环境条件的适应性较广，抗逆性强，喜冷凉，较耐寒，适于冷凉、短日照季节生长，生长适温
水芹喜寒而凤眼莲喜温，可结合应用。另外，近来凤眼莲巨大的生态危害已引起人们越来越多的关注，因而水芹对重金属的聚集能力虽较凤眼莲略弱，但在净化重金属污染时仍不失为一种综合性能良好的物种，有待科研工作者进一步的研究。
3.3 香 蒲
香蒲为多年沼生、水生或湿生草本植物，根系发达。香蒲的最佳适生pH为7～8, 6～7和8～9也能较好地生长。我国香蒲植物资源南北分布广泛，以湿带地区种类较多，共有11种。阳承胜等报道了重金属在宽叶香蒲人工湿地系统中的分布与积累，通过对Pb、Zn、Cu和Cd含量进行分析, 发现植物体内的分布呈现一致的规律性，即根>凋落物>地下茎>地上茎>叶[20]；在保加利亚东北部的Tulenovo油田通过在人工建造的沼泽地种植阔叶香蒲、窄叶香蒲、芦苇、水葱、灯心草类和不同的藻类来处理含原油和有害重金属(Cr、Cu、Pb、Mn和Fe)的水，取得了满意的效果[21]；凡口铅锌矿通过建立人工湿地系统，经过十几年的努力，目前矿区内已发展成水体动物、植物以及鸟类和兽类等组成的相互联系的复杂的生态系统，综合效益良好，香蒲即为其中的主体植物之一[22～24]。
香蒲对工矿废水具有很强的抗性，不仅可净化污水水质，其发达的根系还可盘生紧固湿地泥沙，综合利用效益好。
3.4 香根草
香根草又名岩兰草，为多年生大型禾本科植物，根系发达可深入地下数米，产于我国南方和印度、巴西等国热带、亚热带地区，既能长时间经受水淹，又可在极度干旱贫瘠的士地甚至沙地、砾石土中生长。香根草耐病虫害、火烧、旱涝、污染的能力均很强，且因其主要通过分蘖繁殖，花而不实，不会成为杂草。科研人员对香根草的重金属耐受性进行了研究[25, 26],认为香根草也是重金属离子的超富积植物。
香根草目前主要是作为一种独特的水土保持植物受到人们的关注。除了其优异的护坡、护林、护堤、护田、防风固沙功效外，还可作为编织、造纸、香料工业的原料，具有其它植物无法比拟的优越性。但作为净化重金属污染的超富积植物，目前研究还不够，潜力有待发掘。
3.5 芦苇
芦苇为多年生禾本科挺水植物，植株高大，分生性强，适应能力好，具有发达的通气组织，与香蒲同为人工湿地中常用植物。可用于造纸、编织、药材等行业。
湿地系统中微生物的活性十分重要，研究发现，同香蒲一样，芦苇也具有明显的根际效应，其根际亚硝酸细菌的生长量要高于香蒲[27]；另有研究表明芦苇对不同的金属离子富集效果不一样，且积聚量依赖于季节，春、夏、冬三个季节积聚量大，秋季则少一些[28]；芦苇对重金属的迁移能力一般较弱，但研究发现它对类金属元素硒的迁移能力较强，富集后的硒主要集中在芦苇的茎叶部，而根部较少[29]。
3.6 海 藻
藻类对金属的富积作用机理与一般植物略有不同，它的研究目前尚处于初级阶段 [30]。
吸附重金属离子的海藻可分为多细胞藻和单细胞微藻。单细胞微藻需要人工培养。微藻培养完毕难以与溶液分离，清洗和离心分离时均需反复进行，微藻极易流失且能耗高，成本高，产量低。因而采用多细胞巨型藻具有更大的优势。常秀莲等[31]研究了海黍子、海带、孔石莼等几种巨型海藻对Cd2+的吸附，发现Cd2+与海藻中的Ca2+发生了离子交换，交换率占总吸附量的 33%～34%，吸附容量排列顺序为海黍子＞海带＞孔石莼＞节荚藻＞刺松藻＞内枝藻，海黍子的吸附量高达181 mg/g，并研究了pH的影响并得出了重要结论；尹平河等[32]通过研究几种大型海藻对铅、铜、铬的吸收发现，海藻的吸附容量与离子交换树脂相当，海藻对水溶液中重金属离子的吸附速度较快，在10min内去除率达到90%；徐鲁蓉等[12通过研究海带和马尾藻发现其对重金属的吸附有如下关系：Pb2+>Cr2+>Cu2+>Ni2+，证明海藻对重金属离子具有选择性吸附的特点，且吸附量受温度的影响]；林荣根等[33]发现HCl和EDTA可作为海带和海黍子吸附重金属离子后的有效洗脱剂。
不同研究者的研究均表明环境条件对海藻吸附重金属有较大影响，如温度和pH。实验证明，作为一种有效的生物吸附剂，海藻的开发前景十分广阔。一些大型海藻的吸附量远高于其它同类生物，有的甚至比活性炭、天然沸石的吸附容量还要高，和离子交换树脂相当[32]。海藻类生物具有价廉易得、种类繁多的特点，一些大型海藻因是人们喜欢的蔬菜而被大量种植，而自然界中的存在也十分广泛，用于富积重金属离子成本十分低廉。
3.6 其 他
理论上凡具良好耐污性，生物量大，可大量积累重金属的物种均可应用于重金属污染水系的净化。自然界中这类植物的存在是广泛的，目前已有报道的亦有400多种，如象草、菹草、灯心草、草芦、绿萍、慈姑、荸荠、水花生、紫花苜蓿、益母草、百喜草、互花米草、蓖麻、向日葵等等。此外，一些重金属富集能力强、生物量大且生长快的陆生植物可通过在水域中培养驯化使其适应水体环境，为净化水域重金属污染服务。Banuelos等[34]进行了在水体中栽培印度芥末，并利用其实现对锌和铅的有效富积的研究；Dushenkov等[35]则研究了玉米、菠菜以及高梁等从水中移除重金属的情况。两个课题组均获得了较理想的实验结果。
实际应用当中往往是根据植物各自的特性由多个物种组成一个系统协同作用的，如目前研究者们普遍关注的人工湿地和氧化塘。一个典型的范例就是成都市活水公园的人工湿地塘床系统[36]。
4 植物法净化重金属污染的发展与存在的问题
植物法具有高效、廉价、环境友好的特点，综合经济、社会、生态效应良好，而近年来兴起的植物修复技术在环境污染治理中更是因其具有明显的生态效益、经济效益和景观功能而得到了研究者的青睐。但是植物法也有许多待改进的地方。主要体现在以下几个方面：
（1）自然界中植物的种类繁多，目前科研人员所研究的只是其中相当少的一部分，更多性能良好的超富积植物还有待人们的发现；水生植物多耐寒性差，需寻找耐寒性好的植物；此外，由于超富积植物通常生长繁殖速度快、环境适应能力强，极易在短期内形成单优群落，破坏生态平衡，带来巨大的经济损失，如凤眼莲和水花生[37]。因此，积极展开对综合效益好、生态副作用小的植物的研究是科研工作者的当务之急。
（2）除积极寻找重金属积累量高的植物外，还可利用现代生物技术、化学方法对已知物种进行改性或创造更有利的环境。Martha等[38]在紫花苜蓿（alfalfa）富集Pb时分别加入一定浓度的EDTA/IAA（吲哚-3-乙酸）和EDTA，与直接处理相较，发现前者可使苜蓿叶部的Pb浓度提高28倍，后者可提高6倍；由于EDTA不可降解且严重影响植株生长，Evangelou等[39]进行了利用腐殖酸强化植物聚集重金属能力的研究，结果表明腐殖酸可对植物的提取效率和金属的生物活性产生积极影响；Wang等[40]通过对植物根部接种真菌提高了植物对金属的耐受性并且增大了植株的生物量；而日本电力中央研究所新近开发出一种转基因烟草，它能从土壤中大量吸纳镉[41]。加入络合剂、在植物根部接种真菌以及利用基因技术开发对重金属抗性好的转基因植物用于富集重金属离子已引起越来越多的科研工作者的兴趣。对于藻类生物，则可应用化学方法增加细胞表面的吸附位点，提高吸附性能。
（3）重金属对生物的毒性机制以及生物体对重金属富积机理的研究有待深化。
（4）植物修复目前尚处于起步阶段，大部分工作主要在实验室进行，虽不乏实际应用的范例，但离大规模产业化还有相当的距离。
（5）被重金属饱和后植物的后处理是摆在人们面前的又一大难题。目前多采用填埋的方法。由于植物属于有机垃圾，可产生大量的可燃性气体和垃圾渗滤液，且该方法只是起到了污染转移的作用，并没有根治，不是一种理想的方法。因此，如何有效地回收重金属离子，实现尽可能大的环境和经济价值的问题也是十分迫切的。
我国是一个幅员辽阔的国家，气候及地形地域跨度较大，为种类繁多的植物生长提供了广阔的空间。尽管植物法还存在诸多问题，在生态与环境问题已引起越来越广泛的忧虑与关注的今天，利用植物净化水域重金属污染必将成为一种有广阔发展前景的方法。
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