基本介紹
- 中文名：螯合誘導植物修復
- 外文名：chelate-induced phytoremediation
- 螯合劑：EDTA、檸檬酸等
- 影響因素：螯合劑、超富集植物、pH等
- 存在問題：二次污染、元素淋失、影響生態
- 展望：與其它技術相結合
簡介,影響因素,螯合劑的選用,超富集植物的篩選,土壤pH值的調節,田間條件的影響,存在問題,展望與建議,
簡介
土壤和徑流中存在的重金屬來源於自然構成和人類活動（採礦、冶煉、金屬加工、污水灌溉、尾氣排放等）。Cu、Zn、Fe等一些重金屬是生命必需的元素，因為它們可以提供金屬蛋白和酶，而另外一些高濃度的重金屬（如Cd、Hg）則會對生物分子的功能基產生毒害作用，更會改變生物分子的活性，對高等生物有機體和微生物也會產生毒性。
土壤重金屬污染植物修復機理
土壤重金屬污染植物修復機理土壤重金屬污染植物修復技術研究主要集中在植物的土壤修復機理以及修復植物的篩選(即超富集植物)兩大方面。植物修復技術不僅包括對污染物的吸收和去除，也包括對污染物的原位固定和轉化。其修復技術主要包括植物固定、植物揮發和植物提取技術，機理如圖所示。重金屬超富集植物是指能夠吸收土壤中過量的重金屬並能轉運和富集在地上部分的一類植物。
土壤重金屬污染治理工作僅使用植物修復技術難以快速達到預期效果，需輔以其他技術手段，如：根際微生物克服其自身生物學缺陷；通過化學修復技術(如絡合劑、土壤改良劑)等增加目標重金屬的生物有效性，提高植物吸收速率，進而提高土壤重金屬污染修復效率；通過轉基因技術最佳化植物本身性能。目前在強化植物修復效率方面，研究者正致力於開發增加植物生物量的同時又大幅提高對重金屬絕對吸收的技術，主要包括基因工程、螯合誘導(螯合劑、表面活性劑)、根系強化、菌根強化植物修復技術。
研究表明，向土壤中施加螯合劑(如EDTA、檸檬酸等)能夠活化土壤中的重金屬，提高重金屬的生物有效性，促進植物吸收。這種施用螯合劑或配位基誘導或強化植物超富集作用的方法被稱為化學/螯合誘導修復技術。螯合劑具有多齒狀的配位基，能與單一金屬離子形成雜環化學複合物，通常被作為土壤微量元素提取劑或化學肥料而使用。螯合劑能夠從Fe-Mn等有機物中將金屬離子解吸出來，增加土壤中重金屬的溶解度，促進重金屬自根系向地上部轉運。因此，螯合是植物對細胞內重金屬解毒的主要方式之一。當部分金屬離子穿過細胞壁和細胞膜進入細胞後，能和細胞質中的蛋白質等形成複雜的穩定螯合物，它們能使重金屬的毒性降低。
考慮到在植物蒸騰作用旺盛時加入螯合劑能夠促進金屬的吸收，通常在植物收穫的前幾天向土壤中施入螯合劑，這樣也可以避免施入高濃度的螯合劑引起植物中毒死亡。人工螯合劑的毒性會對土壤環境造成潛在影響，如果能對螯合劑的潛在影響加以跟蹤和控制，就可以更好地完善這一修復技術。
影響因素
螯合劑的選用
螯合劑的選用是影響螯合誘導修復效果的關鍵一環。不同螯合劑對不同種類重金屬的活化作用各異，因此螯合劑的選用對於能否成功實施螯合誘導修復技術具有極其重要的作用。
EDTA是目前被廣泛套用的一種螯合劑。EDTA能夠活化Pb、Cu、Zn、Cd等重金屬離子，促進植物對金屬離子的吸收。Vassil等通過水培試驗發現，經Pb和EDTA處理的印度芥菜，其地上部分能同時積累ED-TA和Pb，且以Pb-EDTA的形式向上運輸，植物體內EDTA與Pb的比例關係為1:0.67。吳華龍等也發現，在印度芥菜收穫前10d，向Cu污染的根際土壤中加入EDTA（3.15 mmol·kg）後，水溶態Cu由對照土壤的0.18 mg·kg增加到22.5mg·kg，增加幅度達125倍；土壤交換態Cu也增加10.9倍。
螯合劑的品種很多，一類是人工合成的螯合劑，如：EDTA、DTPA、EGTA和 EDDS；另一類是天然的螯合劑，主要是一些低分子有機酸，如檸檬酸、草酸和酒石酸等。已經證明 EDTA 對 Pb 的活化能力最強，而 EGTA 對鎘的活化能力最強，但兩者對U的活化能力較弱，而檸檬酸對 U 有較強的活化能力。Huang等發現，施加 0.2 g·kg-1HEDTA 後，土壤溶液中 Pb 含量 由 4 mg·L-1 增加到 4000 mg·L-1，玉米和豌豆地上部分 Pb 含量由 500 mg·kg-1 增加到10000 mg·kg-1。周建民等研究顯示，當 NTA 添加量為10 mmol·kg-1 時，Cu的提取效率和轉運效率分別提高了4.75 倍和 2.28 倍，Zn 則分別提高了3.88 倍和 2.68 倍，這一結果表 明，NTA 能顯著促進玉米對土壤中 Cu 和 Zn 的吸收和積累，並且能使金屬提取效率和轉運效率顯著提高，是一種高效的用於鰲合誘導植物修復的鰲合劑。楊仁斌等利用不同的有機酸（檸檬酸、酒石酸、草酸、天冬 氨酸、谷氨酸）對不同重金屬（Cu、Zn、Cd、Pb）的活化效應發現，低濃度的有機酸對重金屬的活化不大，只有在高濃度條件下才對土壤中的重金屬有較強的活化能力。由此可見，天然形成螯合劑相對人工合成螯合劑活化重金屬的效果較弱。
超富集植物的篩選
超富集植物能夠超量吸收重金屬並將其運移到地上部的植物。為反映植物對重金屬的富集能力，Chambcrlain曾定義過"富集因子"的概念，並得到一定認可，即：富集因子=植物中的金屬含量/基質中的金屬含量。顯然，富集因子越高， 表明植物對該金屬的吸收能力越強。
超富集植物的特點為：（1）超富集植物的富集因子>1；（2）植物地上部分的重金屬含量與根中的重金屬含量比值>1；（3） 超富集植物對重金屬具有耐性能力，能解除重金屬對植物造成的毒性。
20 世紀 70 年代末至 20 世紀 80 年代初，人們開始研究超富集植物，並廣泛地尋找和篩選這些植物， 到目前為止，已發現的超富集重金屬植物至少有 45 個屬，400 余種。研究較多的超富集植物多集中在十字花科蕓薹屬、庭芥屬以及遏藍菜屬。不同的超富集植物對不同種類金屬具有不同的富集性，針對不同種類的重金屬污染選對超富集植物，對於合理治理重金屬污染土壤具有舉足輕重的作用。
土壤pH值的調節
研究表明，降低土壤 pH 值通常會提高土壤溶液重金屬的濃度，有利於“螯合誘導修復”過程的實施。 pH 值下降後，交換態 H+增多，大量的重金屬離子從膠體和粘土礦物顆粒解析出來進入土壤溶液。這一過程也打破了重金屬離子的溶解-沉澱平衡，促進重金屬離子的釋放。降低土壤 pH 值的方法通常有 2 種，一是直接酸化土壤，如直接加入稀 H2SO4，降低土壤 pH 值。另一種是通過施加酸性營養劑，達到間接降低土壤 pH 值的目的。pH 值的調節要有限度，以不影響植物的正常生長為限度。並不是所有的重金屬在低 pH 值都有利於活化，As 就是例外，這是因為 As 在土壤 中通常以 AsO43+ 或 AsO33+ 形態存在，若 pH 值升高, 土壤膠體所帶正電荷減少，且對 As 的吸附力降低, 使土壤溶液中 As 的含量不斷增加。可通過添加生石灰或施用硝態氮肥等措施來提高土壤 pH 值。此外，土壤氧化還原電位以及土壤中其他競爭離子的調節作用也會顯著影響土壤作物系統中重金屬離子的活性。
田間條件的影響
大田環境對於“螯合誘導修復技術”順利、有效的實施具有十分重要的作用。土壤是超富集植物生長溫床，合理翻耕土壤，確保污染土壤翻到土壤表層植物根系，是“螯合誘導修復”技術的關鍵。播種是確定植物生長密度的一環，對於重金屬污染的土壤，以撒播方式較好，這樣可以擴大植物根系與重金屬的接觸面積。灌溉和施肥是植物生長的促進因子，在植物生長過程中合理進行水肥供應，可促進超富集植物的生長，一定程度上也促進了植物對重金屬離子的吸收。 Borinson等對 Ni 超富集植物 Berkheya coddii 的研究發現，向土壤中增施氮肥能促進植物對 Co 和 Ni 的吸收。廖曉勇等田間試驗發現適量施加磷肥可提高蕨類植物蜈蚣草的生長速度和生物量。施磷量為 200 kg·hm-2 時,蜈蚣草對 As 的富集量最高,分別是對照和施磷量為600 kg·hm-2 時的2.4倍和1.2倍。
存在問題
“螯合誘導修復”技術一出現就很快成為環境領域的熱點研究課題，螯合劑的施用促進了重金屬形態向更有利於植物吸收的形態活化。然而治理重金屬污染方面則處於剛剛起步的狀態，在很多領域還存在種種問題與不足，主要集中在：
（1）二次污染的發生。 土壤重金屬的二次污染主要集中在 3 個方面：①土壤溶液中重金屬離子在未被植物完全吸收的條件下，易隨水分淋失進入地下水體，造成地下水的二次污染；②植物收割後未及時回收處理也易造成重金屬的二次污染；③螯合劑的施用 一定要適量，在施用螯合劑的同時，務必進行環境風險評價，估計對環境的潛在危害，以免殘存螯合劑造成新的污染。
（2）大量元素的淋失。 由於現有螯合劑對多種重金屬不具有較高的耐性，造成了螯合劑除活化重金屬離子，也同時能活化其他金屬離子，在降雨和灌溉的條件下，引起根系 Ca、Mg、 Fe、Mn 等大量元素的淋失。
（3）生態系統的影響。 螯合劑一方面對土壤微生物（如真菌）和土壤微型動物（如線蟲）數量和生物多樣性產生影響，從而可能對土壤生態系統產生影響。 另一方面，動物食用了修復植物，對水-土-植物-動物-人等食物鏈也會產生破壞。
展望與建議
目前，螯合誘導植物修復重金屬污染土壤已經取得一些研究成果，主要集中在螯合誘導最大修復效率和修復效果的影響因素方面。對於螯合誘導植物修復的內在機理，特別是螯合劑使用導致的環境風險研究很少，尚有以下問題需要進一步深入研究。
（1）應深入探究螯合劑誘導植物累積重金屬的機制，同時加強對螯合劑使用環境風險的研究，儘可能多地開展野外實地實驗，為螯合劑的安全使用提供科學依據。
（2）應繼續研究螯合誘導技術最適宜的環境條件， 根據植物生長規律探求最合適的給藥時機，開發與螯合劑協同作用的土壤改良劑，最大程度地提高螯合誘導效率; 同時減少螯合劑在環境中的暴露時間和暴露劑量，減輕對環境的潛在威脅。
（3）螯合誘導修復一定要用到植物，為避免使用 外來物種帶來的問題，應誘導高產量本地植物的金屬富集能力，使非超積累植物隨蒸騰作用富集高濃度可溶性金屬螯合物。
（4）還需進行螯合誘導植物修復技術的經濟可行性評估和環境影響評價。對螯合誘導技術的實施及有關技術進行規範與示範;建立植物修復安全評價標準。
（5）螯合誘導植物修復技術應與其他技術(如分子生物學轉基因技術、根部微生物學強化技術以及根部土壤金屬化學調控技術等)結合起來，以提高重金屬污染土壤的修復效率。
