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农田重金属污染土壤植物修复技术研究

发布时间:2018-11-19 浏览数:1577

土壤是重要的农业生产资源,与当今人类面临的粮食、资源和环境等问题密切相关。农田土壤重金属污染引发的农产品质量安全问题和群体性事件逐年增多,是重要的民生问题。

植物修复具费用低、二次污染低等优点,是农田土壤修复目前最有发展前景的修复方法之一。

1 植物修复技术及机理

植物修复技术是通过重金属经超富集植物根系吸收后,转移、储存到植物茎叶,通过刈割茎叶,达到去除土壤重金属元素的目的。超富集植物具有三个特点:①对重金属的提取量比普通植物高100倍以上;②植株地上部重金属含量高于地下部;③植物本身对重金属有一定的耐性,不会表现出毒害现象[1]。

植物修复机理表现为:

  • ①根系对重金属的活化和吸收,植物根际分泌物含低分子有机酸、铁载体、酚类化合物及质子等,可活化根际重金属或与重金属形成络合物,促进对重金属的吸收;

  • ②超富集植物对重金属运转,重金属从植物根系进入到植物体内,主要是通过共质体实现将重金属运输至木质部,木质部存在大量能与重金属离子结合的有机酸和氨基酸,产生的络合物是重金属在木质部运输的主要形式。随着木质部中蒸腾的作用,超累积植物完成对重金属从根部到地上部的输运;

  • ③地上部分对重金属的耐性和富集,超富集植物通过改变、抑制重金属的物化活性来实现解毒,具体包括:

    a:将重金属沉淀于非生理活动区——细胞壁。

    b:有机酸与重金属离子螯合,降低重金属毒性。植物在重金属的胁迫下产生特定的抗逆蛋白。

    c:区室化分布。植物将重金属离子储存在质外体和液泡中,从组织水平上来说,重金属主要存在于表皮细胞、亚表皮细胞及表皮毛中[2]。

2 植物修复技术的影响因素及强化措施

2.1土壤性质及其强化措施

(1)土壤pH

土壤pH对重金属在土壤中的化学行为及生物有效性有着重要的影响。一般而言,中性至碱性的土壤pH有利于抑制重金属离子在土壤中的扩散。

(2)氧化还原电位

土壤的氧化还原电位(Eh)的改变会引起重金属化学价态的变化,当土壤Eh升高时,土壤中硫化物结合态的重金属元素发生氧化而被释放,导致土壤中的溶解性重金属含量提高。合理调整土壤氧化还原电位,可提高植物提取修复效率。

(3)土壤含水率

土壤中的水分能够影响土壤中的氧化还原电位,含水率越高,还原性就越强,土壤中有效态重金属含量会相应变化。

2.2 重金属形态及其强化措施

土壤中重金属的形态通常分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰酸盐结合态、有机、硫化物结合态、残渣等。通过添加外来物质改变土壤的化学性质,或直接与重金属相结合,改变重金属的赋存形态及生物有效性等,最终强化作物对重金属的吸收。常见的添加物主要有螯合剂、表面活性剂、酸碱调节剂、有机物料等。

2.3 植物自身因素及其强化措施

迄今为止,国际上报道的重金属超富集植物已有400多种,但多数存在生物量小、根系浅及选择性高等问题。因此,针对特定污染的植物筛选及培植高生物量的超累积植物是农田土壤植物修复的重要保证。

2.4 农艺技术及其强化措施

调控植物的生育状况,改善超富集植物的生长发育状况,促进植物对重金属的吸收,可提高超富集植物的修复效率。包括:

  • ①植物搭配种植,对于复合型污染农田,根据重金属污染程度的不同,采用间作或套作方式,可缩短土壤修复时间,提高修复效率;

  • ②养分控制,如采用化肥对农田土壤进行养分调控,可有效的促进植物生长,提高其生物量。且化肥中的K+、SO42-、Cl-具有活化土壤中的重金属污染物的作用[3];

  • ③植物生长剂调节,通过喷施叶面调整剂可调控植物生长,提高超富集植物的修复效率。叶面调整剂主要有无机营养剂、腐殖酸及生长素等。

3 存在问题及发展方向

3.1 超富集植物的筛选

目前,世界上共发现的超富集植物中,主要是镍的超富集植物,且主要适宜生长在干旱的矿区周围。采用植物提取技术修复重金属污染农田过程中,筛选新的能富集多种金属,且生长快、生物量大、适用范围广的超富集植物是重要的发展。

3.2 螯合剂的筛选和研制

螯合剂的添加可提高土壤中溶解性重金属含量,促进超富集植物对重金属的吸收和富集,但使用过程中,多存在螯合剂在土壤中停留时间长、难降解、地下水污染等问题,且对重金属的选择性差。因此,研制生物可降解的螯合剂是今后植物修复的研究重点之一。

3.3 超富集植物的处置

目前,对超积累植物的产后处置有焚烧法、压缩填埋法、堆肥法、高温分解法、灰化法和液相萃取法等[4],主要将修复植物作为垃圾或者危险物进行处置,存在占用土地、处理成本高、渗滤液污染等风险。因此,富集后生物体的处置也是植物修复技术发展需面对的重要问题。

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