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植物大战重金属:镉大米危机牵出土壤污染现实

2013年06月04日来源:南方日报编辑:陈剑锋我有话说

  愈演愈烈的镉大米危机,牵出了土地遭重金属污染的现实。中国水稻研究所与农业部稻米及制品质量监督检验测试中心2010年发布的《我国稻米质量安全现状及发展对策研究》称,我国1/5的耕地受到了重金属污染,其中镉污染的耕地涉及11个省25个地区。

  土壤重金属污染如看不见的幽灵一般渗透进了我们的生活。这些幽灵隐藏在土壤里,它们不仅使作物减产,还沿着植物根系攀缘,侵袭进入大米、蔬菜等各种常见的农作物,最终到达人体内,并累积到了足以致病的剂量,对人类健康造成严重危害。

  它们分散、范围广、隐蔽强,消灭它们是一项费时费力成本高的工程。经过近半个多世纪的摸索后,科学家们如今正在组建一个植物军团,用来抵挡重金属污染的攻击,它们是400多种超富集植物,善于从土壤中吸收各种重金属,对付不同类型的重金属污染时各有所长。配备了化学强化或者微生物强化的武器之后,它们的战斗力更加超群。

  但是,矿山废水、工业废水等污染源头如果没有得到遏制,重金属污染的幽灵就不会从大地上撤退,这将是一场永不停歇的战争,而人类和植物这一方,将永难获胜。

  用植物吃掉重金属

  植物修复技术是指利用植物的吸收、分解、挥发或固定土壤重金属作用,降低重金属在土壤中的含量和有效态含量,从而减小重金属的危害性

  中国科学院地理所研究员陈同斌曾在接受媒体采访时称,我国大多数城市近郊土壤受到了不同程度的污染,多地粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标或接近临界值。

  以各种化学状态或化学形态存在的重金属,在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移,造成危害。而它藏在土壤中更隐蔽,污染暴露的时滞较长,容易被人们忽视,比水污染和大气污染更危险。

  华南理工大学副校长、工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室主任党志介绍,对受到重金属污染的土地,修复的方法有很多种,主要是物理、化学和生物的方法。而实践证明单纯采用物理和化学的方法并不实用。

  物理的方法是指某个地方的土地污染了,就把这个地方的土地拿走,换上干净的土。这种方法工程量大、费用高昂,只对局部的企业用地污染有效,无法解决大面积的耕地污染问题。

  化学的方法是通过改变土壤的物理化学性质,使得重金属不能被植物吸收。“只有能溶于水的离子态和络合态的重金属才会被植物吸收,我们可以通过加一些化学物质比如石灰来改变土壤的PH值,让它呈碱性。重金属和氢氧根离子就能形成沉淀,变得不溶于水了,植物就不会吸收了。”党志说。但是,植物根部会不断分泌一些物质,这些分泌物大部分是酸性的,时间久了,加进土壤里面的碱就被中和掉,不能起作用。而且,也不能一直往土壤里面添加化学物质,会改变土壤的性质,作物也难以生长。

  “化学的方法最大的问题是,无论加什么东西,重金属仍然存在于土壤中,只是限制了它的活性,没有把它去除。”党志说。

  于是,植物修复技术在诸多修复被重金属污染土地的技术中脱颖而出,其中植物提取是目前研究最多并且最有前景的方法。

  植物提取是利用超富集植物的根系从土壤中吸取重金属,并将其转移、贮存到植物的地上部分,然后收割地上部分,连续种植超积累植物即可将土壤中的重金属降到可接受水平。

  植物提取的核心是战斗力超强的超富集植物。超富集植物是指能够超量吸收重金属并将其运送到叶片、果实等地上部位的植物。一般来说,它们在地上部分的重金属含量能够达到普通作物在同等条件下的100倍以上。

  早在1848年,科学家们就发现,在一种被命名为“贝托庭芥”的植物叶片里,镍的含量达到了7900mg/kg。不过直到1977年,生物学家布鲁克斯(Robert Richard Brooks)才首次提出了“超富集植物”的概念。

  党志介绍,从上个世纪七十年代以后,尤其是八十年代,在美国,超级基金(super fund,污染场地管理与修复基金)开始通过这种生物的方法,对矿山污染、重金属污染和有机物污染的土壤进行修复,有了很多成功的案例。

组建超富集植物军团

  目前很多人都在从事利用植物修复技术来进行土壤污染修复的研究,寻找更经济更适宜的超富集植物,并探索植物—化学和植物—微生物联合修复技术

  随着研究的深入,人们发现,重金属被植物吸收以后,绝大部分都聚集在植物的根部,地上部分收割完后,重金属仍然随着根部的腐烂又回到了土壤中。因此,研究者们提出,超富集植物需要满足3个条件:植物地上部分富集的重金属达到一定的量;植物地上部分的重金属含量应高于其根部;高重金属含量下植物生长没有受到明显抑制。

  1989年生物学家Baker等人制定了筛选超富集植物的“临界含量”,其中锌和锰为10000mg/kg,镉100mg/kg,金1mg/kg,铜、铅、镍、钴均为1000mg/kg。

  目前发现的对重金属具有超积累能力的植物有45科约400多种,其中73%为镍的超积累植物。十字花科遏蓝菜属是一种锌和镉的超积累植物,是超富集植物军团中的“作战高手”。

  根据研究者的实验,遏蓝菜地上部分锌和镉含量可分别达36000mg/kg和1140mg/kg,且地上部分锌含量高达26000mg/kg时植物尚未表现中毒症状。在镉浓度为19mg/kg的工业污染土壤种植收割天然遏蓝菜6次,即可将土壤中的镉下降至3mg/kg。

  不过,并不是善于吸收重金属就能够被实际应用在重金属土壤的修复工程中。什么样的植物能够获得认可加入“超富集植物军团”呢?科学家们有一套严格的筛选标准。

  能用于污染土壤植物修复的超积累植物应具备以下几个特性:即使在污染物浓度较低时也有较高的积累效率;能在体内积累高浓度的污染物;能同时积累多种重金属;生长快、生物量大;抗虫抗病能力强等等。

  党志介绍,目前有很多人都在从事利用植物修复技术来进行土壤污染修复的研究,寻找筛选更经济更适宜的超富集植物,并探索植物—化学和植物—微生物联合修复技术。

  党志介绍,植物种下去以后,只有离子态的和络合态的重金属被植物吸收了,但其他态体不被植物吸收,检测浓度仍然很高,研究者们采取了植物—化学强化联合修复技术,通过添加一些化学物质,使得土壤里其他态体的重金属转化为活性状态。有些微生物在生长过程中会分泌出一些生物表面活性剂,可以活化重金属。通过筛选出这样的微生物,或者从微生物中将产生的活性剂提取出来,投放到土壤里,就是植物—微生物联合修复技术。

  2011年,由党志主持的一个名为“污染物在土壤中的环境化学行为与修复机理研究”的项目,获得了广东省科学技术奖自然科学类一等奖,其中一项研究就是通过种植玉米加上化学强化来修复镉污染的土壤。

  “西方国家人少地多,所以他们主要采用超累积的草本植物对污染土地进行集中治理,但是这条道路在我国行不通。”党志说,我国人多地少,希望既能够治理污染,也能给农民带来收益。因此,他们把目光转向玉米、向日葵、烟叶等经济作物。

  课题组经过2年多的反复试验,从20多个玉米品种中筛选出来“超甜38”,该品种能够将土壤中的重金属元素吸收到茎和叶中。

  党志说,当时他们考虑了好几种植物,其中一种是向日葵,它吸收重金属能力也很强。还有一种是玉米,“我们找了几十种玉米,种玉米做实验,最后确定一种玉米,对重金属吸收能力很强,加上化学强化机制,在白云区的蔬菜基地做了实验,修复效果不错。”

  遭遇战还是持久战?

  土壤修复的课题大部分是在做现在被污染土壤的修复,但是实际上如果没有在源头上断绝污染,只是在末端做修复,这项工作没有多大的意义

  虽然植物修复技术在治理重金属污染方面是一条经济有效的途径,但仍然面临着许多待解决的问题。比如说一种植物通常只能忍耐或吸收一种或两种重金属元素,对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状,从而限制了植物修复技术在重金属复合污染土壤治理中的应用。

  而且植物是活的有机体,需要有适宜的生长条件,对土壤肥力、气候、水分、盐度、排水与灌溉系统等自然条件有一定的要求,植物受病虫害袭击时会影响其修复能力。另外,植物根系一般较浅,对浅层土壤污染的修复最为有效,对深层土壤污染修复能力较差。

  还有一个问题也在困扰着党志这样的研究者,“土壤修复以后,这么多的植物怎么办呢?”党志说,这些含有大量重金属的植物必须把它处理掉。目前的处理方法只是烧掉,并将灰烬作为危险废弃物去填埋。但这显然并不是一个令人满意的处理方法。

  党志认为,向重金属污染土壤开战,不仅仅是技术上的问题,更大程度上是社会管理的问题。“土壤修复和大气、污水等修复有区别,比如工厂污水将河流污染了,工厂有处理这些污水的义务,大气污染物电厂也可以自己处理。但是土壤不一样,因为被污染的土壤都是公共的地方。”

  “如果耕地需要让农民出钱来修复,这绝对是不可能的。找不到谁对污染的土壤负责,最后只好政府买单。有时政府愿意,农民也不愿意,他们害怕影响生产。”党志表示,“在现实的国情下,不要说大面积的修复,连大面积的种植都不可能实现。”

  由于土壤污染的隐蔽性,一直以来国家对土壤重金属污染的投入远远赶不上对水污染和大气污染投入的力度。但党志说,近些年来,国家也已经加大了对土壤污染修复的投入力度,成立了很多土壤修复的课题,他也参与了好几个。

  “这些课题大部分是在做现在被污染土壤的修复,但是实际上如果没有在源头上断绝污染,只是在末端做修复,没有多大的意义。”党志研究发现,土壤中的重金属最主要的来源还是矿山,进行源头的治理才是治本之道。

  他透露,包括广州在内,全国有很大比例的耕地都是采用污水灌溉。没有经过处理的矿山废水、工业废水等污水将重金属源源不断地灌入到土壤中。以他在白云区的蔬菜基地做的调查为例,如果再不使用污水灌溉,所种植的一些蔬菜都有可能将土壤中的重金属吸收到低水平,土壤能得到自然的净化。

  “假如我们上面把矿山治理好了,我们在下面就不用做修复的工作了,就不用投那么多钱了。”党志说,土壤、大气、水体三种环境介质中,修复土壤的费用是最高的,而且效果最慢、最差,一旦被污染,修复将是一个长期工程。

  植物修复的优势

  1

  技术相对简单、费用较低,可以大面积实施

  2

  经植物修复过的土壤可再利用,符合可持续发展的要求

  3

  不造成污染场地的二次污染,具有美化环境的作用

  4

  不破坏场地结构,对环境扰动少,为公众所欢迎

  5

  如不再次污染,利用植物的提取或降解作用可以永久性地解决土壤污染问题

  植物修复

  的局限性

  1

  对于污染程度过重、污染物分布为植物根系所达不到、不适于植物生长的污染土壤的修复并不适用

  2

  对于复合污染土壤,采用一种修复植物或几种修复植物相结合的修复方式往往也难以达到修复要求

  3

  修复周期较长,难以满足快速修复污染环境的需求

 

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