何飛飛,吳小玲,吳愛平,楊 君*
(1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院;2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,長沙410128)
工業(yè)“三廢”排放,城市化進(jìn)程加快,以及農(nóng)用化學(xué)品大量施用,全國約有3×107hm2農(nóng)田土壤受重金屬污染[1]。果園土壤以及果產(chǎn)品重金屬含量超標(biāo)也有加重趨勢[2~4]。
As:As制劑的施用是果園土壤As含量增加的主要原因之一[5,6],但果實(shí)中 As含量超標(biāo)的報(bào)道不多[7,8],這與果樹 As富集能力以及 As在果樹中轉(zhuǎn)運(yùn)能力不強(qiáng)有關(guān)[9]。目前果園As含量有隨園齡和樹齡以及土壤剖面深度的增加而逐漸增加的趨勢[10~13],As應(yīng)是果園嚴(yán)控對象。
Cd:Cd污染問題在中國比較普遍,而且在有些地區(qū)相當(dāng)嚴(yán)重。深圳市23%的果園和29%的林地土壤Cd含量超過國家三級土壤標(biāo)準(zhǔn)[4]。膠東半島蘋果園采樣區(qū)普遍存在Cd輕度污染現(xiàn)象[14]。果園土壤Cd含量分布極為不均,樣品間變化較大。這與果園的經(jīng)營管理方式不同有關(guān)[2]。
Hg:現(xiàn)有研究表明,盡管不同產(chǎn)區(qū)果園有Hg檢出,但其土壤尚屬清潔級[15~17]。也有關(guān)于果園土壤受到Hg輕度污染,果實(shí)中Hg檢出率達(dá)100%的報(bào)道[18]。
Pb:北京市果園土壤Pb濃度超標(biāo)率為21.4%,高于其他類型農(nóng)業(yè)用地[19],并且有自城區(qū)向外逐漸降低的趨勢[20]。離污染源的距離是影響土壤Pb濃度的重要因素[17],也與含Pb殺蟲劑以及磷肥施用有關(guān)[21]。
Cr:Cr為難遷移元素,容易在土壤中積累[11,22]。福建、陜西果園表層土壤Cr含量已達(dá)污染警戒水平[17,22]。在外源Cr輸入較少時(shí)Cr會(huì)隨樹齡線性遞增[3],并且在土壤剖面下層逐漸增加[13]。成土母質(zhì)是土壤中Cr含量的主要影響因素[23],合金以及電鍍產(chǎn)生的含Cr廢水和廢氣是污染源附近土壤Cr升高不可忽視的重要原因[24,25]。
Cu:Cu是植物的必需元素,但Cu的攝入超過臨界值會(huì)產(chǎn)生危害。由于Cu的來源廣泛,果園土壤的Cu含量較高,特別是近郊區(qū)土壤。山東蘋果園土壤Cu含量達(dá)44.8 mg/kg[26];天津郊區(qū)葡萄園Cu累積量高達(dá)216.7 mg/kg[27]。不同果園土壤樣品的Cu濃度空間分異比較大[3],這與經(jīng)營種植方式,如制劑的使用量以及使用時(shí)間等以及土壤母質(zhì)等有關(guān)[28]。
Zn:Zn也是植物的必需元素,但環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域通常將其視為重金屬污染元素。據(jù)北京的調(diào)查顯示,果園土壤Zn平均含量為70.0 mg/kg,但分布極不均勻[29]。人類活動(dòng)是Zn含量升高及變異大的一個(gè)重要因素,含Zn肥料(禽畜糞便、過磷酸鈣)和含Zn 農(nóng)藥(代森鋅)均會(huì)使土壤 Zn 含量升高[6,30]。
目前果園土壤重金屬污染主要呈現(xiàn)復(fù)合污染特點(diǎn)。這與重金屬污染來源廣泛有密切關(guān)系。
果園重金屬污染治理的常用技術(shù)包括:推行無公害栽培,在生態(tài)環(huán)境良好的地方建園,合理施用農(nóng)藥化肥,推廣普及果實(shí)套袋;施用有機(jī)物或石灰等堿性物質(zhì)改變重金屬在土壤中的存在形態(tài),降低其在土壤中的空間有效性和生物有效性。本文將從新型化學(xué)固定修復(fù)材料、篩選和培育重金屬污染預(yù)防品種(PSCs)、植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述。
隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展,微米材料、納米材料、聚丙烯酸鹽等由于其更強(qiáng)的吸附能力和水熱穩(wěn)定性成為國際研究的熱點(diǎn)和前沿。微米級生物炭能顯著降低土壤中NH4NO3浸提態(tài)Cd、Cu、Pb 含量[31]和增加殘?jiān)鼞B(tài)Cd、Pb比例[32]。納米羥基磷灰石不僅顯著提高Zn、Cd、Pb的非殘?jiān)鼞B(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化,還能提高微生物多樣性指數(shù)[33];共沉淀法合成的納米級土壤氧化礦物能更好地吸附土壤重金屬[34]。聚丙烯酸鹽能顯著降低土壤水溶性重金屬的含量,同時(shí)提高微生物數(shù)量和土壤酶活性[35]?;瘜W(xué)吸附固定材料對重金屬的吸附固定能力與原材料以及生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。以生物炭為例,木屑在400℃下轉(zhuǎn)化的生物炭能減少93%的Cd和Zn淋失量,但在200℃下轉(zhuǎn)化的生物炭反而促進(jìn) Zn和 As的淋失[36];松木條轉(zhuǎn)化的生物炭對Cd和Pb生物有效性降低的改良效果為700℃ >500℃ >300℃[37];稻稈生物炭對 Pb(Ⅱ)的吸附容量為 300℃ >400℃500℃ >600℃[38]。因此開發(fā)高效、廉價(jià)的吸附劑將是研究的重要方向,同時(shí)吸附劑的再生和二次污染也是吸附法處理重金屬土壤中應(yīng)該著重考慮的問題。
植物種間和種內(nèi)不同基因型間對重金屬的吸收和積累存在著顯著差異。石榴葉對重金屬的吸收能力高于枇杷葉和柑橘葉,并且3種果樹葉片對Fe、Pb、Mn、Zn的遷移轉(zhuǎn)化能力強(qiáng),果實(shí)對Fe的轉(zhuǎn)化能力最強(qiáng),對Cd的轉(zhuǎn)化能力最弱[39];對土壤鎘的抗性為梨樹>李樹>杏樹,對土壤鉛的抗性為李樹>梨樹>杏樹[40];不同品種柑橘果實(shí)富集重金屬的差異明顯[41]。因此篩選和培育具有低吸收、低積累土壤重金屬特征的果樹種類或品種對于當(dāng)前大面積的重金屬中、輕程度污染果園的可持續(xù)利用和果產(chǎn)品食品安全無疑具有重大的推動(dòng)作用。然而重金屬污染土壤往往是復(fù)合污染,因此在不同土壤類型和環(huán)境下開展多種重金屬元素的復(fù)合篩選將是今后的研究方向之一。
超積累植物修復(fù)是綠色、廉價(jià)且對環(huán)境無干擾的原位修復(fù)技術(shù)。目前果園林下種草,通過果樹—超積累植物復(fù)合模式來實(shí)現(xiàn),栽培上間作或套種富集植物,降除特定重金屬[42]。我國已發(fā)現(xiàn)10多種對 As[43,44],Cd[45,46],Cu[47],Mn[48],Zn[49]有富集能力的超富集植物。然而目前發(fā)現(xiàn)的富集植物高效的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒能力大多只在盆栽試驗(yàn)中表現(xiàn)出巨大的潛力,在實(shí)際的修復(fù)試驗(yàn)中,植物提取效率大為降低。因此篩選本地超富集植物,包括具有吸附重金屬能力的轉(zhuǎn)基因植物是目前重要的研究方向。
重金屬污染土壤多是復(fù)合污染,而富集植物通常只能選擇性吸收1~2種重金屬元素。建議根據(jù)土壤污染狀況,將幾種具有不同修復(fù)功能的富集植物搭配種植,這樣既可以提高修復(fù)效果又可以節(jié)省修復(fù)時(shí)間。但間種或套種植物間不僅存在互惠,也存在競爭,也有可能沒有影響,其相互關(guān)系比較復(fù)雜。如Cd超富集植物龍葵和As超富集植物大葉井口邊草間作后龍葵地上部吸收Cd和大葉井口邊草地上部吸收As含量分別是單作龍葵和大葉井口邊草的1.3倍和1.4倍[50],東南景天與玉米套種促進(jìn)了東南景天對鋅和鎘的吸收,同時(shí)降低玉米籽粒的鋅、鎘含量[51]。因此,需加大果樹與富集植物種間相互作用的研究,為重金屬污染果園提供新的修復(fù)技術(shù)。
通過微生物對土壤重金屬進(jìn)行高效的生物轉(zhuǎn)化和生物固定。菌株 Vibriopacinii和 Vibrio alginnolyticus能顯著降低培養(yǎng)液上清液中Cd2+的含量[52];一種酵母菌對Cr(VI)具有較高的抗性,對Pb,Cu,F(xiàn)e 以及復(fù)合重金屬 Pb+Cu,Cu+Fe,Pb+Fe,Pb+Cu+Fe 也具有抗性能力[53];一種碳酸鹽礦化菌在底物誘導(dǎo)下能礦化固結(jié)反應(yīng)體系中游離Cu2+[54];利用產(chǎn)表面活性劑根際菌 (Pseudomonas sp.LKS06)與龍葵協(xié)同作用,龍葵根和地上部鎘的總累積量最高的分別比對照增加了36.7%和42.4%[55]。微生物對重金屬進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的主要機(jī)制是微生物通過氧化、還原、甲基化和脫甲基化、溶解作用以及有機(jī)絡(luò)合配位降解轉(zhuǎn)化重金屬以改變其毒性。對重金屬的生物固定作用機(jī)制是細(xì)胞表面存在有負(fù)電荷,以及氨基、羧基、羥基、醛基、硫酸根等多種官能團(tuán),可通過靜電吸附和絡(luò)合作用固定重金屬離子,主要表現(xiàn)在胞外絡(luò)合、胞外沉淀和胞內(nèi)積累3種方式上。微生物修復(fù)目前還處于研究階段和田間試驗(yàn)階段,因?yàn)榧尤氲奈⑸锟赡軙?huì)競爭不過土著微生物,導(dǎo)致加入的微生物數(shù)量減少或代謝活性降低從而喪失修復(fù)能力。今后應(yīng)加強(qiáng)具有高效修復(fù)能力微生物的研究,如高效土著菌株篩選、轉(zhuǎn)基因工程菌構(gòu)建和微生物表面展示技術(shù)。同時(shí)加強(qiáng)微生物修復(fù)技術(shù)與其它修復(fù)技術(shù)的集成,如植物修復(fù)技術(shù)、環(huán)境調(diào)控技術(shù)(土壤改良劑、絡(luò)合劑、螯合劑)和生物刺激技術(shù)(營養(yǎng)物質(zhì)),優(yōu)勢互補(bǔ),以增加目標(biāo)微生物的競爭力和修復(fù)效果。
果園土壤的重金屬污染多屬復(fù)合污染,對其治理尚沒有良好的對策,必須堅(jiān)持以預(yù)防為主,綜合治理的方針,重在控制和消除污染源。對于已受污染的果園,客土由于耗資巨大,大面積治理難以推廣??梢愿鶕?jù)果園內(nèi)重金屬污染的程度和特征,在施用化學(xué)改良劑、螯合劑或微生物制劑降低重金屬生物毒性的基礎(chǔ)上,根據(jù)植物抗(耐)性、收獲部位以及利用方式的差異,采用綜合防治措施,因地制宜,盡可能安全高效地利用被污染果園土壤。采用生態(tài)工程的方法,實(shí)行不同富集特性(草本)植物與果樹結(jié)合,形成復(fù)合型的果園生態(tài)結(jié)構(gòu),充分利用污染土地和光熱資源,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境效益的統(tǒng)一。因此,果園土壤重金屬污染的治理修復(fù)應(yīng)該從新型化學(xué)改良劑、螯合劑或微生物制劑的研制,以及富集植物+果樹復(fù)合模式的篩選方面進(jìn)行深入研究。
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