重金属污染水体的植物净化研究进展

陈进树

(漳州城市职业学院园林园艺系， 福建漳州 363000)

0 引言

随着工业化和城镇化的快速推进，伴随产生的含有重金属的工业废水、生活污水等被排放到环境中，农业生产中也存在大量施用含有重金属的化肥和杀虫剂，这些重金属会对环境生态和人身健康产生严重的影响.重金属是一类密度在5g/cm3以上的金属和类金属[1]，包括金、银、铜、铁、汞、铅、镉等，环境污染方面所说的重金属主要是指汞(水银)、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素.重金属污染可存在于空气、土壤和水体中，其中，空气、土壤中的大部分的重金属通过雨水的沉降或者农业浇灌等作用，最终进入到水体，并长期存在于水体和底部的淤泥中.重金属在自然界中具有相当高的稳定性，难以自然降解，可在环境中长期存在，通过食物链进入生态系统，对各种生物的生命及生理活动产生影响[2-9]，从而危害生态系统的生物多样性和稳定性，并最终进到人体内，对人类的健康产生严重的危害[10,11].所以对水体重金属的监测及去除研究，显得日益重要.

1 植物对水体重金属污染的监测

水体中的重金属污染通常具有扩散性、持久性和难治理的特点，尤其是其通常具有一定的联合生物致毒效应[12]，一旦进入环境中，由于其难以自然降解，与其他污染(如富营养化、抗生素污染等)相比，对环境的危害更甚，处理也更麻烦.因此，减少其危害首先是减少重金属的排放，及时监测环境中重金属含量.对水体重金属的定量监测主要采用化学分析，但水样中重金属的浓度具有可变性，因此直接通过水样检测水体中重金属元素浓度的方法效率较低[13].因此，科学家利用一些动植物对重金属胁迫比较敏感的特点，对环境重金属进行生物监测.可进行重金属监测的生物种类多样[14,15]，植物相对于其他生物，具有比较容易实验观察研究，对环境中重金属的胁迫比较敏感等特点，成本效益高，是一种很好的重金属水体污染生物监测材料[16,17]，因此更常被采用.运用植物监测环境重金属的研究中应用较多的是苔藓.苔藓个体小，种类繁多，生境分布也多种多样，多数苔藓植物耐受重金属的能力强于陆地上其他高等植物[18]，利用苔藓植物进行重金属环境监测是一种比较经济便利的方法，薄网藓(Leptodictyumriparium(L.))现已成为重金属监测的模式生物[19].以往利用苔藓植物主要是进行大气和土壤环境重金属监测.刘润等[20]应用树附生藓类监测晴隆二十四道拐地区的重金属污染.王慧慧等[21]应用银叶真藓(Bryumargenteum) 监测黔滇高速公路重金属污染.应用苔藓进行重金属监测的方法主要有化学分析法、移植比照法、生态调查法、大气净度指数法和苔袋法[22].这些方法，现在有的也应用到水体重金属的监测上.张转玲等[23]运用苔袋法(MossBag)监测贵州草海湖泊因大气沉降受7种重金属的污染状况，为草海的生态环境保护提供基础数据.由于苔藓植物大多生长在陆地，水生苔藓种类较少，分布也较稀疏，目前在水体重金属的监测应用还有待于进一步的研究.除苔藓之外，一些水生植物也常被用于水体的重金属监测研究[24-25]，也取得较好的监测效果.另外，重金属引起水体或者植物性状的改变，这种变化可为高光谱遥感监测感知，遥感监测能高效、无损、实时获取水体重金属变化的信息，能为评价修复效果提供有力的技术支撑[26-28].

2 植物对水体重金属的净化作用

2.1 利用人工湿地去除重金属

重金属进入水体后，虽然会随时间的推移而逐渐减少、毒性或活性也会逐渐降低，但由于重金属本身的理化特性，这个自然修复的过程能力较弱，所需要的时间也较长，它们大多是在水生生物和沉积物中积累下来[29].当水体中积累下来的重金属含量达到危害生态系统的稳定时，对水体重金属污染的治理就显得刻不容缓.水体重金属的人工去除方法，按照处理方式不同，主要有物理，化学，生物等方法[30].生物方法主要是利用植物对重金属的吸附净化，包括人工湿地和人工浮床等.人工湿地是人为设计和建造的，以基质、植物及微生物协同作用，通过物理、化学和生物作用进行污水处理的生态系统.根据处理污水的流动方向，可分为表面流和潜流人工湿地系统两种类型[31].人工湿地具有净化成本低廉及增加景观效果的特点，越来越受科学家的关注[32].葛光环等[33]研究表流人工湿地中芦苇对重金属的吸收，结果显示Zn、Cu和Cr在湿地芦苇中的质量分数沿着湿地入口的前3个采样点呈下降趋势.余关龙等[34]构建水平潜流人工湿地去除人工配制重金属的研究，结果显示该系统对Cd2+和Zn2+的去除效果明显.赵丹慧等[35]模拟人工湿地研究4种植物对污水中4种重金属的去除效果，结果表明Cr、Pb、Cu、Zn含量在减小，但不同植物对不同重金属的去除效果不一样.另外，不同植物的组合栽种方式(单一或混合)对不同的重金属净化效果不同[36].

2.2 利用生态浮床去除重金属

虽然人工湿地对重金属的去除效果明显，但其受植物种类(水生植物)及水体环境条件的制约.当受污染水体的地理条件不适合建造人工湿地，或者没有合适的水生植物时，建造人工生态浮床是一个很好方法.生态浮床又称生态浮岛，是一种人工设计建造的漂浮在水面用来种植植物的结构.其净化水体的原理与人工湿地一样，也主要是利用栽种的植物进行污染物的吸收转移.蒋丽娟等[37]在浮床栽种木本植物，研究其对重金属污水的净化作用，结果显示，浮床栽种的3种木本植物对重金属Hg、Cd、Cr、Cu具有较强的富集力，对Mn、Zn和Pb具有超富集潜力.生态浮床虽然对恶劣环境条件(如大风浪)的抵抗力较弱，但建造成本较低，具有原位修复和增加景观效果的功能，适合应用在城区污染水体的净化处理.随着研究的逐步深入，今后将更好的应用于重金属污水的处理.

3 增强植物净化水体重金属的方法

3.1 选择合适的植物

植物只有在适应环境的前提下才能去除净化环境污染物，植物对水体重金属的去除也是如此.因此，要发挥植物的净化作用，首先要深入研究各种植物对各类重金属的耐受机理，以及这些作用受其他因素的影响.据研究，当水体重金属较低时，植物生长基本不受影响，甚至有的还有促进作用.而当浓度超过一定值时，则会对植物的生命活动产生明显的抑制作用，严重时甚至会引起死亡[38，39].以往的研究表明，不同的植物对重金属的耐受能力不同，因此，在不同的地区，不同的污染物，选择合适的植物显得非常重要.

3.2 添加菌根

菌根技术作为一种生物强化技术应用于重金属污染的植物修复已引起研究者的广泛关注.菌根是真菌侵染植物根系后在植物根部形成的共生结构.已有大量研究表明菌根能强化植物对重金属的转运、富集及根系稳定化过程,并通过促进营养物质的吸收利用、稳定细胞内氧化还原平衡、调控抗逆性相关基因的表达以及改善根际微生态环境等方式提升寄主植物的抗逆性，对植物净化修复重金属有极其重要的辅助作用[40-43].栽培基质不单影响植物根系的生长，也影响根系周围的微生物种群，从而影响植物的生长，最终影响植物吸收净化水体重金属的能力.

3.3 选择合适的基质及添加物

以往的研究表明，不同的栽培基质对植物吸收净化水体重金属影响显著[44].另外，基质中添加生物质碳等材料的基质有助于促进植物生长和增强净化水体重金属的能力，这主要是因为生物质碳是具有比表面积大、官能团丰富、稳定性高等特点，可直接吸附重金属和促进植物生长发育的作用[44-46].

4 展望

(1)加强研究植物对水体重金属的监测水平，及时发现水体重金属的浓度变化，在重金属对整个生态系统造成比较大的危害之前发出预警，减轻其危害性.这一方面应当进行筛选和驯化植物，提高其对水体重金属的监测能力.另一方面应当加深研究植物对重金属反应的遥感监测，提高监测的实时性和便利性.

(2)加强受污染水体的净化处理能力研究.植物净化重金属污染水体的能力受多种因素的影响，具有重金属超富集能力的植物，其净化能力较强，生长状态良好的植物，其净化能力也强.所以，如何筛选、驯化重金属超富集能力的植物，筛选适合植物生长基质，添加生物基质、新型纳米材料的等方法，是增强人工湿地和生态浮床植物净化去除水体重金属的重要研究方向.

(3)利用分子工具更深入的研究理解植物和微生物对金属的吸附、迁移、隔离和耐受机制，从分子水平进一步了解植物和微生物对水生生态系统中的生物修复机理，从而提升植物净化重金属的能力.