■ 新聞緣起

由于工礦企業(yè)的發(fā)展、污水灌溉等，中國乃至世界的土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重。植物修復(fù)技術(shù)是目前重金屬污染治理最有效的方法之一，而該技術(shù)成功的關(guān)鍵在于尋找超富集植物。日前，中國科學(xué)院華南植物園土壤生態(tài)與生態(tài)工程研究組博士研究生張杏鋒在導(dǎo)師夏漢平研究員的指導(dǎo)下，首次提出了用土壤種子庫—重金屬濃度梯度法來篩選重金屬超富集植物，并成功找到一種鎘的超富集植物——少花龍葵。

少花龍葵是怎么發(fā)現(xiàn)的？如何采用新方法尋找超富集植物？植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)際推廣應(yīng)用過程中又要注意些什么？帶著這些問題，筆者采訪了中國科學(xué)院華南植物園研究員夏漢平。

——— 土壤病了 ———

我國受污染的耕地面積達(dá)2000萬公頃

陜西鳳翔鉛污染、湖南瀏陽鎘中毒、山東臨沂砷污染……土壤重金屬污染強(qiáng)烈刺痛人們的神經(jīng)。

全國究竟有多少土地已被重金屬污染，或身臨污染的懸崖？

隨著礦山開采以及一些工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量的不斷惡化，土壤重金屬污染問題已成為世界各地關(guān)注的焦點(diǎn)。自2009年以來，中國連續(xù)發(fā)生了30多起重特大重金屬污染事件。據(jù)報(bào)道，中國受污染的耕地面積達(dá)2000萬公頃，約占耕地總面積的1/5，其中重金屬污染約占污染面積的30%—40%左右。中國每年因土壤污染而減少的糧食產(chǎn)量高達(dá)1000萬噸，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100多億元。

重金屬一般是指比重大于5的金屬，從環(huán)境污染方面所說的重金屬通常是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的金屬。近十多年來，珠江三角洲地區(qū)的重金屬含量呈逐年遞增的趨勢，造成了較為嚴(yán)重的污染問題。在我國，總體來看，鉛、鋅、鎘等重金屬所造成的污染較為嚴(yán)重。

當(dāng)問到土壤重金屬污染的主要來源時(shí)，夏漢平研究員解釋說：“礦山開采、金屬冶煉、電鍍、化工、電池等行業(yè)是排放重金屬的主要工業(yè)源，一些工廠、企業(yè)偷排出來的‘工業(yè)三廢’使得周圍土壤與水體中鉛、鋅、鎘的含量濃度嚴(yán)重超標(biāo)；此外，城市交通運(yùn)輸中汽車尾氣排放等也會影響土壤中重金屬的含量。”

——— 四個(gè)疑問 ———

植物修復(fù)土壤好在哪兒？

由于土壤重金屬污染存在污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、污染隱蔽、不可逆性等特點(diǎn)，使得它的治理工作變得十分困難。夏漢平研究員說：“目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家都在對重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究。在治理過程中，物理方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工，化學(xué)方法又容易造成二次污染。與傳統(tǒng)的治理方法相比，植物修復(fù)技術(shù)具有治理效果的永久性、治理過程的原位性、治理成本的低廉性、環(huán)境美學(xué)的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，因此使其成為重金屬污染治理的研究熱點(diǎn)。”

“植物修復(fù)技術(shù)就是把對重金屬有巨大提取潛力的植物種植于重金屬污染土地上，一段時(shí)間后收獲植物地上部分以達(dá)到清除土壤中重金屬污染的目的。此外，也有一些植物可使土壤重金屬固化，同樣可起到減輕重金屬毒害的作用”。提及植物修復(fù)技術(shù)的原理，夏漢平表示：“植物修復(fù)技術(shù)按其修復(fù)的機(jī)理和過程可分為不同的部分，其中與重金屬污染土壤植物修復(fù)有關(guān)的內(nèi)容主要包括植物萃取、植物固定、植物揮發(fā)以及根系過濾等。”

植物修復(fù)技術(shù)是否還存在一些自身的不足？夏漢平研究員笑了一下說：“當(dāng)然，這個(gè)世界上完美的東西太少了。不少超富集植物個(gè)體矮小，生長緩慢，修復(fù)重金屬污染土地需時(shí)太長；此外，植物修復(fù)土壤只能局限在植物根系所能延伸的范圍內(nèi)；還有，超富集植物對重金屬具有一定的選擇性，一般只對一種重金屬具有富集能力，而土壤重金屬污染多為幾種重金屬復(fù)合污染，且常常伴生有機(jī)污染等等。不過這些問題都有可能在接下來的進(jìn)一步研究中得到解決。”

植物修復(fù)土壤的關(guān)鍵在哪兒？

研究人員指出，植物修復(fù)技術(shù)成功的關(guān)鍵在于尋找超富集植物。因此，篩選對重金屬耐受能力高以及具有富集和超富集能力的植物成為目前重金屬污染土壤的重要修復(fù)途徑之一。

“超富集植物是指可以超量累積某些化學(xué)元素的植物。一般而言，這些植物的地上部組織對該化學(xué)元素的吸收量，可超過普通植物的100倍以上，且不影響正常生命活動”。夏漢平研究員解釋道，“不過，目前全世界所發(fā)現(xiàn)的400多種重金屬超富集植物中，有相當(dāng)一部分種類生物量較少或者專一性較強(qiáng)，還有就是較難繁殖，因而難以真正大面積推廣應(yīng)用。因此，選擇高生物量、適應(yīng)性強(qiáng)、富集能力強(qiáng)、易栽培的超富集植物或吸收相對較大的植物種類，是目前和今后一段時(shí)間研究的重點(diǎn)所在。”

重金屬鎘的“植物克星”——少花龍葵是怎么發(fā)現(xiàn)的？

少花龍葵是中國科學(xué)院華南植物園的博士研究生張杏鋒在夏漢平研究員指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的一種鎘的超富集植物。談及自己的愛徒，夏漢平笑說：“張杏鋒自己都說，這一研究發(fā)現(xiàn)實(shí)屬偶然，她在華南植物園采集土壤用于一項(xiàng)牧草的重金屬修復(fù)研究時(shí)，突發(fā)奇想，或許可以用土壤種子庫來篩選對重金屬具有超富集特性的植物，然后通過重金屬濃度梯度實(shí)驗(yàn)對其超富集特性進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)她很興奮地跑來告訴我這一想法，我也覺得這種方法可行，于是接下來，我們就開始進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。”

在夏漢平研究員看來，采用土壤種子庫—重金屬濃度梯度法來篩選重金屬超富集植物與以往的常用方法相比，有一定的優(yōu)越性。

“據(jù)了解，目前國內(nèi)外用于尋找超富集植物的方法主要有兩種，一是野外調(diào)查法，即在重金屬污染的地方做野外調(diào)查，比如在礦山、工業(yè)污染區(qū)地帶尋找超富集植物；二是特殊植物法，即根據(jù)植物的一些特性選擇一些特殊的植物來測定它們對重金屬的富集特性。但這兩種方法都有一個(gè)較明顯的缺點(diǎn)，就是植物種類相對有限。這使得人們在研究中忽視了一些有修復(fù)潛力的植物。與之相對，土壤種子庫是植物繁殖體的儲備庫，它的植物種類非常豐富。利用它來篩選超富集植物，可以克服以上兩種方法的缺點(diǎn)，因?yàn)橥寥婪N子庫幾乎到處都有，只需采集具有豐富種子資源的土壤進(jìn)行測試即可，而且實(shí)驗(yàn)更簡單、操作更容易。”

少花龍葵修復(fù)土壤還要做點(diǎn)兒啥？

目前植物修復(fù)技術(shù)不少還停留于實(shí)驗(yàn)室模擬研究階段，從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H運(yùn)用，這中間還有不少的路程需要行走。

夏漢平說：“由于少花龍葵能耐高鎘污染并能富集大量的鎘，而且種源較易獲得，繁殖培育也較容易，生物量相對較大，所以比較適合修復(fù)高鎘污染地區(qū)，如工礦企業(yè)園及周邊地區(qū)。但目前還不宜進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用，因?yàn)榭蒲谐晒酵茝V應(yīng)用一般都需經(jīng)過中試過程。因此，少花龍葵也還需要到野外進(jìn)行中試，若能成功，就能證明該植物可運(yùn)用到解決目前備受鎘污染的土壤修復(fù)中來。”

——— 相關(guān)新聞 ———

蜈蚣草“吃”掉土壤中的重金屬砷

利用超富集植物修復(fù)重金屬污染土壤，在我國已有成功的先例。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的陳同斌研究員首先發(fā)現(xiàn)了重金屬砷的超富集植物——蜈蚣草，并帶領(lǐng)重金屬污染土壤植物修復(fù)團(tuán)隊(duì)于2001年在湖南郴州建立了世界上第一個(gè)砷污染修復(fù)基地，隨后又在廣西和云南建立了砷、鉛等重金屬污染及酸化土壤修復(fù)的示范工程，形成了超富集植物與經(jīng)濟(jì)作物間作的修復(fù)模式，實(shí)現(xiàn)了邊修復(fù)污染土壤、邊開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

一段時(shí)間以來，在湖南郴州、云南、廣西等地開展產(chǎn)業(yè)化示范工作的蜈蚣草種植已經(jīng)在被重金屬污染、無法耕種的土地上取得了成效，因此，“蜈蚣草”也被稱為“土壤清潔工”。蜈蚣草種植，作為“砷污染土壤植物修復(fù)技術(shù)”，首先由中科院地理科學(xué)與資源研究所的陳同斌研究員率先發(fā)現(xiàn)并開發(fā)出來。據(jù)了解，蜈蚣草吸收土壤中砷的能力相當(dāng)于普通植物的20萬倍，通過蜈蚣草的吸附、收割，三至五年內(nèi)，被污染土地就可“恢復(fù)健康”。

■ 延伸閱讀

尋找根治土壤重金屬污染的“植物克星”之路依然漫長

2009年，由于大量村民被體檢查出尿鎘超標(biāo)，湖南瀏陽鎮(zhèn)頭鎮(zhèn)一帶爆出鎘中毒事件。原來在靠近村子邊上的一家化工廠，由于環(huán)保措施不到位，冶煉礦渣露天堆放，工廠廢水偷排，一遇上下雨天，廠區(qū)含鎘廢水流出，不僅污染了附近大片農(nóng)田，而且流入了村民水井中，導(dǎo)致多人慢性中毒。“人病了還可以上醫(yī)院，農(nóng)田怎么辦？”依靠土地為生的當(dāng)?shù)剞r(nóng)民憂心如焚。

如何大面積修復(fù)重金屬污染農(nóng)田，一直是個(gè)世界難題。曾今在日本“痛痛病”的發(fā)源地——富士縣神通川流域，在修復(fù)被鎘污染農(nóng)田時(shí)，就是采取去表土15厘米、并壓實(shí)心土，結(jié)果在連續(xù)淹水的條件下，稻米中的鎘含量小于0.4mg/kg。但對于污染面積總計(jì)1萬多畝的湖南鎘污染農(nóng)田，運(yùn)用去土治理顯然也將工程巨大，更大的問題是：換出來的污染土層，又將放哪安全保存，從而避免二次污染呢？　　

為尋找一種安全、經(jīng)濟(jì)的重金屬污染農(nóng)田修復(fù)方式，1998—1999年間，陳同斌和他的科研團(tuán)隊(duì)在前期大量研究的基礎(chǔ)上，決定遵循進(jìn)化論思維，到南方去刻意尋找根治土壤重金屬污染的植物克星。“南方溫暖潮濕，生物多樣性高，從概率上講，在南方尋找到重金屬超富積植物的可能性要大”，陳同斌形容，這種植物既要對土壤重金壤具有超強(qiáng)吸收能力，同時(shí)還要易養(yǎng)活、生物量大，而通常植物身上，這兩者特性不能兼具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對國內(nèi)土壤重金屬污染治理的植物優(yōu)選品種，一度多達(dá)40多個(gè)。“真正適用的生物修復(fù)技術(shù)不多”，陳同斌透露。

五六年前，廣東華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、廣東省土壤研究所等一批科研機(jī)構(gòu)針對土壤重金屬污染治理，相繼展開物化、生物、微生物技術(shù)等方面研究。2005年，剛從日本留學(xué)回國的廣東省土壤研究所陳能場博士，則選擇了粵北進(jìn)行鎘污染農(nóng)田修復(fù)實(shí)驗(yàn)。在一塊約6畝大小的田地里，陳先后嘗試了硅肥和水分管理、葉片調(diào)理劑等多種方式嘗試，最終陳將一種高富集鎘的水稻引種過來，通過輪作和間作(高富集水稻與玉米等經(jīng)濟(jì)作物)的方式，來修復(fù)鎘中毒農(nóng)田。“從治理效果看，邊生產(chǎn)邊修復(fù)這種方式相對成熟”，目前仍在實(shí)驗(yàn)之中，陳能場表示。此外，專門針對鎘污染的另一種篩選植物——東南景天，在國內(nèi)已有上百畝實(shí)驗(yàn)基地。

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