钻井挖矿、金属冶炼等活动过程中,重金属污染物的大量排放导致土壤污染,而重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和不可降解性等特点,致使生态环境面临着巨大的挑战。 目前,物理、化学和生物等对污染土壤的修复方法各有优点,但也存在着一定的局限性。 植物修复是生物修复的一部分,具有成本较低、不破坏土壤肥力和二次污染率低等优点[1-3]。 通常是利用自然植物或者遗传工程培育植物的生命代谢活动对土壤中的重金属进行吸收、降解、挥发或固定,从而降低重金属在土壤中的有效态含量或生物毒性,进而达到污染土壤环境进化或部分恢复原初标准稳定状态的目的[4-6]。 本文对我国近20年来的重金属超积累植物的种质资源进行了收集归纳,对农作物同超积累植物间套作种植这一基础修复应用实例进行了分析列举,且对超积累植物修复推广的限制因素进行了总结,并在此研究与应用现状基础上对超积累植物的界定、应用、种质资源的筛选和相关试验等一系列研究工作进行了展望,以期为超积累植物修复土壤重金属污染的进一步开发和应用提供实例参考和理论依据。
1 植物修复研究概述及超积累植物界定(Overview of phytoremediation research and the definition of hyperaccumulators)
1.1 植物修复研究概述
植物修复是近些年来在国内外逐渐兴起的一种低成本、有潜力的以太阳能为能源的绿色修复技术[7],利用植物来修复重金属污染的土壤可以根据治理机理和过程将其大概分为5 种技术,分别为植物挥发技术、植物萃取技术、植物稳定技术、根际圈生物降解和根系过滤[8-9]。 这些技术中植物萃取是目前研究最多且认可程度越来越高,而且是具有发展前景的植物修复方式,适合于植物萃取的理想植物就成了研究的重点和热点[10]。 超积累植物的首要特点有:其根部吸收能力较强、且根系具有向茎叶的转移能力、同时叶片有解毒和固定能力。 超积累植物是植物修复的理想对象。 1977年,Brooks 首先提出的超积累植物的概念,1983年美国科学家Chaney等提出运用植物来吸收去除土壤中重金属污染物的想法,1991—1992年,McGrath 和 Sidoli 首次在野外进行植物修复工作。 植物修复重金属污染土壤开始作为一种治理新技术被逐渐研究、应用和推广[11]。
1.2 超积累植物界定
区分超积累植物与相关的非超积累植物较为公认的基本界定如下。(1)地上部(主要指茎和叶)重金属含量特征:植物地上部重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100 倍,广泛采用的富集重金属临界含量参考值,Au 为1 mg kg-1,Cd 为100 mg·kg-1,Sb、Cu、Ni、Pb、Co 和 As 为 1 000 mg·kg-1,Zn和 Mn 为 10 000 mg·kg-1。(2)转移特征:植物地上部分重金属含量大于该植物地下部(根部)重金属含量。(3)耐性特征:植物对重金属具有较强的耐性;在实验条件由人为控制的情况下植物能正常生长,至少在土壤中重金属的含量使植物地上部重金属含量达到超积累植物应达到的临界含量时,地上部生物量(植物的茎、叶和籽实等地上部分干质量之和)没有下降。(4)富集系数特征:植物地上部富集系数＞1,至少在出现植物富集重金属含量达到临界含量与土壤中重金属的含量相当时,植物地上部富集系数＞1[12-14]。
2 种质资源(Germplasm resources)
植物修复重金属污染土壤,有着效率高、安全经济且与生态环境相协调等优点,对现有超积累或积累植物的探索和筛选是其应用的前提。 我国地域广阔、地形多样,植物类型十分丰富,为超积累植物的筛选提供了有利条件[14]。 虽然在这方面我国研究探索起步较晚,但近20年也是循序渐进,同时也取得了一系列成果。 黄会一和蒋德明[15]对某种旱柳品系可富集大量Cd 的研究报道,是对植物富集重金属的初探。 陈同斌等[16]提出世界上存在As 超积累植物的猜想,并随后开展调查研究,最终在中国境内首先发现As 超积累植物蜈蚣草。 唐世荣[17]、束文圣等[18]在矿石堆、古冶炼渣堆中发现并获得Cu 的超积累植物鸭跖草,2000年之后国内学者逐渐拉开探索筛选超积累植物的序幕,表1 中列出了近20年中国学者发现的超积累植物与其主要富集的重金属,以及地上部富集的重金属含量。
由表1 可知,现有超积累植物特点为富集某一种金属的居多,富集2 种及以上的比较少,呈现出大部分超积累植物修复能力具有专一性这一特点;草本植物居多,乔木、灌木及藤本植物较少;菊科超积累植物最多占总表的22.4%。 张柏清发现的美洲商陆同薛生国等在2003年发现的商陆是同一种植物,均为垂序商陆(Phytolacca americana L.),是Mn 的超积累植物[79];2007年邵树勋发现的当时定名为遏蓝菜的植物,于2018年更名为碎米荠,向极钎等[80]对不同产区碎米荠进行DNA 序列分析和亲缘关系鉴定,最终确定其为堇叶碎米荠(Cardamine circaeoides Hook. f. et Thoms.)。
表1 我国近20年已发现的重金属超积累植物
Table 1 Hyperaccumulation plants found in China in the past 20 years
超积累植物Hyperaccumulator科Family类型Type富集的重金属Enriched heavy metals地上部金属元素含量Metallic element content of aboveground参考文献References鸭跖草Commelina communis 鸭跖草科 Commelinaceae 草本 Herb Cu 1 034 mg·kg-1 [18]蜈蚣草Pteris vittata 凤尾蕨科Pteridaceae 蕨类Fern As 4 384 mg·kg-1 [16,18-19]大叶井口边草Pteris cretica 凤尾蕨科Pteridaceae 蕨类Fern As 2 789 mg·kg-1 [20]东南景天Sedum alfredii 景天科Crassulaceae 草本Herb Zn 19 674 mg·kg-1 [21]宝山堇菜Viola lucens 堇菜科Violaceae 草本Herb Cd 4 825 mg·kg-1 [22]土荆芥Dysphania ambrosioides 苋科Amaranthaceae 草本Herb Pb 3 888 mg·kg-1 [23]金钗凤尾蕨Pteris fauriei 凤尾蕨科Pteridaceae 蕨类Fern As 3 224 mg·kg-1 [24]斜羽凤尾蕨Pteris oshimensis 凤尾蕨科Pteridaceae 蕨类Fern As 1 335 mg·kg-1 [24]井栏边草Pteris multifida 凤尾蕨科Pteridaceae 蕨类Fern As 3 890 mg·kg-1 [24]圆锥南芥Arabis paniculata十字花科Brassicaceae草本Herb Pb、Zn、Cd 14 769 mg·kg-1 77 442 mg·kg-1 3 509 mg·kg-1[25]龙葵Solanum nigrum 茄科Solanaceae 草本Herb Cd 101.1 mg·kg-1 [26]李氏禾Leersia hexandra 禾本科Poaceae 草本Herb Cr P(Y 1 786.9 mg·kg-1) [27]美洲商陆Phytolacca americana 商陆科Phytolaccaceae 草本 Herb Mn Y 47 060 mg·kg-1 [28]球果蔊菜Rorippa globosa 十字花科Brassicaceae 草本Herb Cd 130 mg·kg-1 [29]短萼灰叶Tephrosia candida豆科Fabaceae灌木状草本Shrubby herb Pb 2 200 mg·kg-1 [30]水麻柳Debregeasia longifolia 荨麻科Urticaceae 小乔木Small arbor Pb 2 000 ~4 000 mg·kg-1 [31]叶用红忝菜Beta vulgaris cicla 苋科Amaranthaceae 草本Herb Cd 159.79 mg·kg-1 [32]水蓼Polygonum hydropiper蓼科Polygonaceae草本Herb Mn Y 24 447.17 mg·kg-1 J 10 343.52 mg·kg-1 [33]长柔毛委陵菜Potentilla griffithii velutina蔷薇科Rosaceae草本Herb Zn 27 600 mg·kg-1 [34]堇叶碎米荠Cardamine circaeoides十字花科Brassicaceae草本Herb Cd、Se 550 mg·kg-1 995 mg·kg-1 [35]小鳞苔草Carex gentiles 莎草科Cyperaceae 草本Herb Pb 1 834.17 mg·kg-1 [36]紫轴凤尾蕨Pteris aspericaulis 凤尾蕨科Pteridaceae 蕨类Fern As 4 036 mg·kg-1 [37]齿翅井栏边草Pteris multifida serrulata凤尾蕨科Pteridaceae蕨类Fern As 3 634 mg·kg-1 [37]紫茉莉Mirabilis jalapa 紫茉莉科Nyctaginaceae 草本Herb Cd 539.87 mg·kg-1 [38]苋菜Amaranthus tricolor 苋科Amaranthaceae 草本Herb Cd 212 mg·kg-1 [39]蓖麻Ricinus communis大戟科Euphorbiaceae草本或草质灌木Herb or herbaceous shrub Cu 2 186.41 mg·kg-1 [40]小飞扬草Euphobia thymifolia大戟科Euphorbiaceae草本Herb Cd J 202.086 mg·kg-1 Y 189.365 mg·kg-1 [41]缨绒花Emilia jaranica 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 404.23 mg·kg-1 [42]三叶鬼针草Bidens pilosa 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 119.1 mg·kg-1 [43]续断菊Sonchus asper 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 387.5 mg·kg-1 [44]孔雀草Tagetes erecta 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 345.75 mg·kg-1 [42]杨桃Averrhoa carambola 酢浆草科Oxalidaceae 乔木Arbor Cd 615 mg·kg-1 [45]艾蒿Artemisia argyi 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 105.59 mg·kg-1 [46]
续表1
超积累植物Hyperaccumulator科Family类型Type富集的重金属Enriched heavy metals地上部金属元素含量Metallic element content of aboveground参考文献References滇苦菜Picris divaricate Asteraceae 草本 Herb Cd、Zn 3 919 mg·kg-1 12 472 mg·kg-1 [47]菊科白莲蒿Artemisia stechmanniana密毛白莲蒿Artemisia sacrorum messerschmidtiana菊科Asteraceae菊科Asteraceae半灌木状草本Semi shrubby herb Pb 1 511.96 mg·kg-1 [48]半灌木状草本Semi shrubby herb Pb 2 857.86 mg·kg-1 [48]金丝草Pogonatherum crinitum 禾本科Poaceae 草本Herb Pb 3 789.84 mg·kg-1 [49]柳叶箬Isachne globosa 禾本科Poaceae 草本Herb Pb 3 411.56 mg·kg-1 [49]假苍耳Iva xanthifolia 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 474.30 mg·kg-1 [50]铁皇冠Microsorum pteropus水龙骨科Polypodiaceae蕨类Fern Cd G (10 652.53±2 477.74) mg·kg-1 Y (3 738.39±348.03) mg·kg-1 J (3 086.10±749.29) mg·kg-1 J2(2 511.93±285.47) mg·kg-1[51]五色梅Lantana camara马鞭草科Verbenaceae灌木或蔓性灌木Shrub or trailing shrub Cd 105.91 mg·kg-1 [52]杠板归Polygonum perfoliatum 蓼科Polygonaceae 草本Herb Mn 41 540 mg·kg-1 [53]一年蓬Erigeron annuus 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 159.6 mg·kg-1 [54]牛膝Achyranthes bidentata 苋科Amaranthaceae 草本Herb Mn 18 809.91 mg·kg-1 [55]壶瓶碎米荠Cardamine hupingshanensis 十字花科Brassicaceae 草本Herb Cd 131 mg·kg-1 [56]短毛蓼Polygonum pubescens Blume伴矿景天Sedum plumbizincicola蓼科Polygonaceae景天科Crassulaceae草本Herb Mn 15 207 mg·kg-1 [57]肉质草本Succulent herb Cd、Zn 9 609 mg·kg-1 [58]野古草Arundinella anornala Steud 禾本科Poaceae 草本Herb Sn 124.2 mg·kg-1 [59]芝麻Sesamum indicum 芝麻科Pedaliaceae 草本Herb Cu J 480 mg·kg-1 Y 580 mg·kg-1 [60]狗尾草Setaria viridis 禾本科Poaceae 草本Herb Sb 12 270 mg·kg-1 [61]豨莶Sigesbeckia orientalis 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 192.92 mg·kg-1 [62]忍冬Lonicera japonica忍冬科Caprifoliaceae半常绿藤本Semi evergreen vine Cd ≈300 mg·kg-1 [63]荩草Arthraxon hispidus 禾本科Poaceae 草本Herb Sb 1 336 mg·kg-1 [64]红果黄鹌菜Youngia erythrocarpa 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 317.87 mg·kg-1 [65]一点红Emilia sonchifolia菊科Asteraceae草本Herb Cd、Pb 114.5 mg·kg-1 1 315.5 mg·kg-1 [66]牛筋草Eleusine indica 禾本科Poaceae 草本Herb Sb 2 120 mg·kg-1 [67]牛膝菊Galinsoga parviflora 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 205.62 mg·kg-1 [68]藿香蓟Ageratum conyzoides 菊科Asteraceae 草本Herb Cd 121.50 mg·kg-1 [69]垫状卷柏Selaginella pulvinata 卷柏科Selaginellaceae 草本Herb Pb 1 061.65 mg·kg-1 [70]巨尾桉Eucalyptus grandis ×urophylla桃金娘科Myrtaceae Arbor Mn J 29 018 mg·kg-1 Y 5 676 mg·kg-1 [71]乔木聚合草Symphytum officinale紫草科Boraginaceae草本Herb Pb、Zn 1 388 mg·kg-1 17 795 mg·kg-1 [72]
续表1
注:根据Baker 和Brooks[78]提出的参考值及公认界定筛选收集;地上部金属元素含量均为自然生长或人工试验等所得的满足公认界定条件的最高值,其中P 为平均值,J 为茎或叶柄,J2 为根状茎,Y 为叶片或羽片,G 为不定根。
Note: Select and collect according to the reference value and recognized definition proposed by Baker and Brooks[78]; metallic element content of aboveground is the highest value of aerial parts obtained by natural growth or artificial test and other research methods that meet the recognized and defined conditions, in which “P” is the average value,“J” is the stem or petiole,“J2” is the rhizome,“Y” is the blade or pinnae,and “G” is the adventitious root.
超积累植物Hyperaccumulator科Family类型Type富集的重金属Enriched heavy metals地上部金属元素含量Metallic element content of aboveground参考文献References小藜Chenopodium ficifolium 苋科Amaranthaceae 草本Herb Cd 179.73 mg·kg-1 [73]雪里蕻Brassica juncea十字花科Brassicaceae草本Herb Ni、Zn 1 515 mg·kg-1 18 823 mg·kg-1 [72]蔓长春花Vinca major 夹竹桃科Apocynaceae 草本Herb Cd 190.82 mg·kg-1 [74]黄腺香青Anaphalis aureopunctata 菊科Asteraceae 草本Herb Pb P 1 863.2 mg·kg-1 [75]西南木荷Schima wallichii 山茶科Theaceae 乔木Arbor Mn 10 946.3 mg·kg-1 [76]盐肤木Rhus chinensis漆树科Anacardiaceae Small arbor Cr J 298.33 mg·kg-1 Y 36.48 mg·kg-1 [77]小乔木
3 重金属超积累植物推广限制因素(Limiting factors for the promotion of hyperaccumulators)
虽然国内超积累植物的探索和研究取得了一定的成果,但是超积累植物推广使用仍存在着以下的限制因素。
(1)首先重金属超积累植物种类相对较少,而且植物修复的普遍特点就是修复周期长。 大多数的超积累植物植株矮小,生长缓慢,生物量低,个体修复率低,耗时长。 现已经发现的超积累植物以草本为主,根系不够发达,所以深入修复的范围有限,难修复土壤深层,且不易机械化作业。 对于时间与植物自身条件的考量就成为大面积推广的限制因素[81-82]。
(2)目前发现的超积累植物大多对某一种重金属具有超积累性,还未大量发现具有广谱重金属超积累特性的植物。 超积累植物往往会对重金属具有选择性,但是土壤的污染大多是2 种或2 种以上重金属共存的复合污染。 如果使用单一植物修复,则达不到效果;如果使用多种植物修复,则实际操作性降低。 所以对于土壤污染的特点与超积累植物资源的考量成为使用的限制因素[83-84]。
(3)超积累植物多为野生型植物,对环境因素与生物因素的要求相对比较严格,区域性分布较强,影响引种成功率。 新区域的各种不可控因素可能使得植物无法正常运行超积累机制。 如果重金属污染的浓度过高,超积累植物无明显的修复效果。 对于不同环境的不稳定性考量成为推广的限制因素[85-86]。
(4)超积累植物存在一定的隐患,有部分超积累植物可以食用,可能会导致食物链污染。 植物完成超积累后,在其生命周期里如果不及时收割处理,叶片掉落也会产生二次污染[87]。
(5)针对其“生长缓慢、生物量低”所采用的基因克隆技术发展较为缓慢,人工培育理想新品种需要更多的时间。 虽已开发多种诱导剂提高植物对污染土壤修复的有效性,但在生态环境安全方面未得到保证。 其次植物回收后,处理方式单一,重新提纯的技术成本比较高,技术不够成熟[88]。
4 农作物同超积累植物间套作应用现状(Application status of inter-cropping crops with hyperaccumulators)
我国重金属污染较为严重,土壤污染导致粮食减产或出现粮食安全问题。 但直接利用超积累植物来修复污染土壤耗时较长,土壤修复期间农民不能继续农业生产,导致农业生产中断,农田资源被浪费,不符合我国的基本国情,随着我国对超积累植物的研究取得一定成果,我国研究者则尝试利用超积累植物与农作物间套作或混作以提高其修复效率[89-90]。 例如,采用粮食作物玉米、水稻,经济作物向日葵、烟草等与超积累植物间套作来实现对重金属-有机物复合污染的土壤修复。 间套作是运用了群落的空间结构原理,充分利用水能、光能等自然资源,同时充分利用植物生长的空间和时间,从而提高农作物的产量。 间套作体系应用于土壤修复且获取符合国家标准农产品的方法,是一条符合可持续发展战略同时立足于我国人多地少、只能边生产边修复国情的新途径。
4.1 超积累植物同农作物间套作在农田中的应用
4.1.1 单一重金属污染应用参考性实例
陈同斌研究团队[91-92]先后将蜈蚣草(Pteris vittata)与桑树、甘蔗和柑橘进行间作,研究结果表明,间作后经济作物产量与没有污染区域产量基本持平,而产出桑叶、蚕丝和蔗汁的重金属含量均达标,达标率均超过95%,柑橘果实重金属含量未超过国家食品重金属含量标准,同时促进了蜈蚣草对土壤中As的吸收。 2012年邓华[57]研究发现,玉米与超积累植物短毛蓼(Polygonum pubescens Blume)间种,首先,在一定程度上提高短毛蓼的生物量,其次,还能够促进短毛蓼对土壤中重金属Mn 的吸收,体内Mn 累积量增2 倍多。 王秀娟[93]利用玉米和伴矿景天(Sedum plumbizincicola)进行间作,研究表明,玉米籽粒Cd 含量低于国家食品镉含量标准,而且伴矿景天对土壤中Cd 的去除率达到35.20%,对农田的Cd 修复效果显著。 李素霞等[94]通过利用苋菜(Amaranthus mangostanus)与小白菜混作,不仅能够降低小白菜体内的重金属含量,同时一定程度上提高质量和产量,对土壤中 Cd 的吸收也非常显著。 魏树和等[95]通过将龙葵(Solanum nigrum)与大葱进行间作,既能修复Cd 污染土壤,同时产出符合我国农产品安全无公害质量标准的大葱。 王吉秀等[96]利用超积累植物小花南芥(Arabis paniculata)与玉米间作体系,不仅促进超积累植物小花南芥富集Pb,同时减少农作物玉米植株体内Pb 含量,提升玉米的产量,是一种可行的修复模式。
4.1.2 复合重金属污染应用参考性实例
武帅等[97]利用伴矿景天(Sedum plumbizincicola)与雷竹间作来修复Zn-Cd 复合污染的土壤,将Zn-Cd 复合污染的土壤修复至国家土壤质量环境二级标准所需要的时间大大缩短,同时这种“边修复、边生产”的模式不仅能稳步降低土壤中的重金属污染,而且增加了农作物的产量。 宓彦彦[98]将超积累植物伴矿景天与茄子进行间作试验发现,伴矿景天地上部Zn、Cd 吸收量显著增加,分别上升54.7%和16.9%,且植物修复效率较高,Zn 为3.17%,Cd 为28.4%。 同时,在该处理下,茄子果实 Cd 浓度为0.08 mg·kg-1。 秦丽等[99]利用超积累植物土荆芥(Dysphania ambrosioides)和农作物玉米、蚕豆进行间作,结果显示,土荆芥体内Cd 含量上升了21% ~134%,Pb 的含量增加10% ~85%,3 种植物的生物量都有所提高。 此间作方法既抑制了农作物吸收重金属,同时提高了超积累植物的重金属吸收量。 杨崎峰等[100]利用重金属超积累草本植物与木本花卉间作修复污染土壤,刺槐和柔毛堇菜(Viola fargesii)经过间作修复后,农田中 Cd、As、Pb、Cu、Zn 等的降解率分别为 96.37%、72.56%、75.45%、46.28%、50.59%,同理腊肠树与野菊(Chrysanthemum indicum)间作对农田中重金属元素的降解率显著提高,此修复方式既降低了土壤中的金属含量,同时也具有一定的经济效益。 姚春霞等[101]将玉米秸秆加进Pb-Cd 复合污染土壤中得到基质,再在此基础上间作蓖麻与伴矿景天,结果显示,蓖麻地上部的重金属含量未超出食品中污染限量,且可达到3 686.7 kg每公顷一季,伴矿景天对土壤中的重金属去除率也比较显著。
4.2 超积累植物同农作物间套作在城市中的应用(城市湖泊、河道等的污泥处理)
Wu 和Jiang[102]采用遏蓝菜(Thlaspi caeulescens)与玉米修复城市中Cd 或Zn 超标的污泥,经过半年的处理,污泥体积变小为原来的1/4,通过EDTA 浸取测定,Zn 含量明显降低,而且产出的玉米经过多次试验检测,符合食品卫生标准。 刘颂颂[103]通过玉米与东南景天套种的处理方式,使污泥中的Zn 含量明显降低。 黑亮等[104]通过超积累植物东南景天和玉米套种对污泥进行修复试验,结果表明,套种显著提高了超积累植物东南景天提取Zn 和Cd 的效率,其中,东南景天中Zn 含量达9 910 mg·kg-1,是单种的1.5 倍,而且玉米的籽粒重金属含量符合食品卫生标准。 丘锦荣[105]采用香芋和东南景天套种方式修复城市污泥,发现城市污泥中的全Zn 和全Cd 的含量有显著降低(Zn 下降了16.32%,Cd 下降了8.54%),且收获的香芋总产量是18.1 t·hm-2,此方法可以将城市污泥中的Zn、Cd 和K 富集在不同植物体内从而回收利用。
5 展望(Prospects)
5.1 超积累植物的界定
超积累植物一直在比较公认的界定范围内进行筛选,但还没有精确的界定。 有研究表明,Cd 超积累植物相对比较少,Cd 超积累植物的临界含量标准应降为50 mg·kg-1[26];魏树和等[106]认为超积累植物的界定还应当加上:(1)植物体内富集的重金属含量一定要大于土壤中的重金属含量,即富集系数(enrichment coefficient, EC)要＞1;(2)超积累植物必须具有较强的耐性特征。 2005年聂发辉[107]发表对超积累植物新的理解,认为传统超积累植物定义只考虑植物体内的重金属含量和转运系数这2 点存在缺陷,随后提出2 项新的评价指标——生物的富集系数(吸收系数)和转运量系数,新指标将传统超积累植物的定义扩大了,即某植物富集质量分数虽未达某一水平,但生物量达到要求也可定义为超积累植物。 综上,应该对超积累植物的界定进行多层次深入研究,进行标准统一划分,最终筛选出更具实际应用价值的超积累植物。
5.2 超积累植物的修复对象
超积累植物的研究绝大多数是对土壤的重金属污染进行修复,但是国内水体的重金属污染也非常严重,水是动植物和人类不可或缺的资源,水体的污染更容易进入食物链造成污染,直接威胁人体健康。在超积累植物筛选中,水生植物或湿生植物作为试验对象的研究相对较少,表1 中的超积累植物筛选中有水蓼、野古草和铁皇冠可作为水体修复的植物。其中,野古草[59]在修复Cr 污染水体中表现出比修复土壤更强的富集能力。 综上,应该关注水体重金属污染情况,对水生植物超积累植物进行充分的探寻筛选以及合理利用,为水体的重金属污染修复提供新的思路和方法,从而适当避免传统修复方式的弊端。
5.3 土壤修复与土地利用的矛盾
中国地少人多的情况显著,本文中列举的超积累植物同农作物、经济作物套间作不仅达到修复目的,同时收获了安全的作物,这样的治理方法既能满足人民的需求带来实际效益,又在一定程度上缓解了土壤修复与土地利用的矛盾。 在城市中的土壤修复与土地利用矛盾更为突出,我国学者针对此类情况进行了探索研究,如周睿人等[108]利用四季春(Ligustrum malongense B. S. Sun)来修复重金属污染的土壤,四季春是一种观赏植物,能够修复Cd、Pb 和As 单一污染或复合污染的土壤,同时达到一定的景观效应,具有广泛的应用前景。 魏朝丹等[109]利用观赏植物白雪姬(Tradescantia sillamontana)来修复重金属Pb 污染的土壤,对Pb 的污染表现出极强的耐性和良好的富集作用,同时产生一定的景观效益。 综上,推广此类重金属污染土壤修复方式,对缓解土壤修复与土地利用的矛盾具有指导意义。
5.4 高富集植物的处理处置
从许多植物修复的应用文献中发现,非超积累植物具有重金属超积累的能力,甚至富集量超过了超积累植物。 例如,荣伟英等[110]发现千屈菜(Lythrum salicaria)是类似Cr 超积累植物,能降低水体中Cr 的浓度来达到净化水体的效果。 宁平等[111]发现密蒙花(Buddleja officinalis Maxim)对Pb 具有超积累特性以及较强的耐性,对轻度或重度Pb 污染土壤的治理修复具有良好的应用前景。 综上,对重金属土壤修复效果显著的植物我们应该注重应用试验,而不是判定试验。
5.5 多金属复合污染土壤修复中的植物品种选择
在目前发现的超积累植物中,对某一种重金属具有超积累性的植物占大多数,但是土壤的重金属污染大多是2 种或2 种以上产生的复合污染[83]。 已有学者发现有些植物对复合重金属污染的土壤具有良好修复作用。 张少卿[112]发现野茼蒿(Crassocephalum crepidioides (Benth.) S. Moore)具有超积累能力,对Pb 和Zn 具有一定的耐性和富集能力,对此类复合重金属污染土壤具有一定的修复作用。 祝鹏飞等[113]通过对钻形紫苑(Aster subulatus)地上部分重金属的富集系数和体内重金属含量研究发现,在复合污染的土壤中钻形紫苑具备As-Pb-Cd 超积累植物的基本特征。 综上,对于多金属复合污染的土壤,可以合理选择具有良好修复作用的植物品种进行修复,从而达到一定的治理效果。
5.6 修复效率和修复周期问题
植物修复的普遍特点就是效果慢并且修复周期长[81]。 姚春霞等[101]发现玉米秸秆加进 Pb-Cd 复合污染土壤中制成基质,通过玉米秸秆的协同修复作用,能够在一定程度上提高伴矿景天对土壤中重金属的修复效率。 铁皇冠在20 mg·L-1Cd 浓度下暴露仅3 d,植物体内Cd 富集量就趋于最大值,对水体Cd 的净化能力达到40% ~60%,具有净化能力强、修复周期短等显著优点[51]。 综上,充分利用植物的协同修复或利用植物在修复中显著优势来达到提高修复效率、缩短修复周期的目的。
5.7 超积累植物的资源探索
自然环境中的稀土元素由土壤和水进入食物链从而进入人体。 儿童在生长发育阶段,生理屏障还未完全成熟,身体里的解毒、代谢功能还未完善,对有毒物质的吸收率高,敏感性也比其他年龄段强,摄入稀土元素将导致儿童发育障碍、儿童智力和记忆力下降等,如果长期摄入稀土元素或者低剂量暴露,可能会造成儿童神经系统、消化系统等多方面的损害,尤其是中枢神经系统,即使低剂量的稀土暴露也会导致中枢神经或周围神经系统的损伤[114]。 目前可以利用的修复稀土元素污染土壤的植物资源较少,且可利用植物也表现出生物量小、生长缓慢和修复范围窄等问题。 张世熔等[115]利用巨桉(Eucalyptus grandis)修复稀土元素La 污染土壤,巨桉表现出很强的耐性,在土壤中La 浓度为350 mg·kg-1时,巨桉对La 的富集量最大为10 883 mg·kg-1,富集效果显著。 综上,可以发掘稀土元素的富集植物或超积累植物资源,从而降低稀土元素对人类健康的危害。
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