我國(guó)耕地土壤污染面積廣，污染情況復(fù)雜，農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)問題已經(jīng)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。常用的物理化學(xué)修復(fù)方法成本高，不適用于大面積的中低污染農(nóng)田。植物提取修復(fù)方法成本低，環(huán)境友好，但修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，推廣困難。總的來講，基于重金屬移除的諸技術(shù)在解決農(nóng)田重金屬污染方面還沒有太大優(yōu)勢(shì)。相較而言，農(nóng)田安全利用在不移除或緩慢移除土壤重金屬的條件下，以生產(chǎn)安全農(nóng)產(chǎn)品為目標(biāo)，具有更加堅(jiān)實(shí)的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。種植低吸收農(nóng)作物是安全利用的重要措施，基因工程手段在低吸收農(nóng)作物品種篩選中具有巨大的潛力，但其可能帶來的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)使得這些通過基因工程得到的低吸收作物的田間種植面臨著巨大挑戰(zhàn)。土壤添加劑可以改變土壤重金屬形態(tài)，降低重金屬的生物有效性，但會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。微生物尤其是土著微生物的利用越發(fā)受到關(guān)注，改變微生物的生存環(huán)境與基因工程手段能夠強(qiáng)化微生物的鈍化效果。施肥、水分管理、間作等農(nóng)藝措施也能改變土壤重金屬的形態(tài)，抑制作物對(duì)重金屬的吸收。未來以加強(qiáng)推廣為目的，多種技術(shù)手段的聯(lián)合應(yīng)用是重金屬污染農(nóng)田安全利用的重要發(fā)展方向，其中以生物技術(shù)為核心的利用模式具有十分重要的意義。
我國(guó)耕地資源十分緊缺, 2016年底耕地面積為1.35億hm2(20.24億畝), 人均占有量不及世界平均水平的1/2, 且總體質(zhì)量不高, 中低產(chǎn)田達(dá)到了2/3。此外, 由于建設(shè)占用、災(zāi)毀、生態(tài)退耕、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等原因, 我國(guó)耕地面積保有量近年總體有所下降。與此同時(shí), 土壤污染加劇了耕地資源的緊張。據(jù)2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》, 我國(guó)農(nóng)田土壤受到了廣泛的重金屬污染, 其中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。重金屬污染不僅減少了可利用耕地面積, 而且降低了耕地質(zhì)量。另有研究發(fā)現(xiàn), 我國(guó)部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超標(biāo)現(xiàn)象, 威脅到了人體健康。由此可見, 我國(guó)重金屬污染耕地土壤修復(fù)刻不容緩。
土壤重金屬污染修復(fù)分為兩種技術(shù)路線, 一是將重金屬?gòu)耐寥乐刑崛〕鰜? 減少其在土壤中的含量, 稱為提取修復(fù); 二是降低土壤重金屬的生物有效性, 抑制其進(jìn)入生物鏈, 稱為固化修復(fù)。提取修復(fù)方法主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)與生物修復(fù)(主要為植物提取修復(fù))。
物理、化學(xué)修復(fù)方法(表1)能夠有效地去除土壤中的重金屬, 且修復(fù)時(shí)間短, 但由于其對(duì)修復(fù)設(shè)備與技術(shù)的要求高, 修復(fù)成本高, 且會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響, 故其主要適用于污染嚴(yán)重、面積小的場(chǎng)地污染。
植物提取利用超積累植物或累積能力較強(qiáng)的植物吸收富集污染土壤中的重金屬并在地上部積累, 收割植物地上部分從而達(dá)到去除重金屬的目的, 具有環(huán)境友好、修復(fù)成本低的特點(diǎn)。但其修復(fù)周期長(zhǎng)(表2)。用于修復(fù)的植物往往沒有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出, 在沒有政府補(bǔ)貼的情況下, 農(nóng)民的參與度不高, 不利于推廣應(yīng)用。
植物提取利用超積累植物或累積能力較強(qiáng)的植物吸收富集污染土壤中的重金屬并在地上部積累, 收割植物地上部分從而達(dá)到去除重金屬的目的, 具有環(huán)境友好、修復(fù)成本低的特點(diǎn)。但其修復(fù)周期長(zhǎng)(表2)。用于修復(fù)的植物往往沒有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出, 在沒有政府補(bǔ)貼的情況下, 農(nóng)民的參與度不高, 不利于推廣應(yīng)用。
1 低吸收作物種植
1.1 現(xiàn)有低吸收品種
對(duì)于重金屬吸收富集能力的差異, 既存在于植物物種之間, 也存在于同一物種的不同品種之間, 即同時(shí)具有種間差異和種內(nèi)差異。自低吸收品種的概念提出以來, 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了眾多相關(guān)的試驗(yàn)篩選研究, 且大多數(shù)來自于亞洲尤其是中國(guó)(表3)。已篩選的作物涵蓋小麥(Triticum astivumL.)、水稻(Oryza sativaL.)、玉米(Zea maysL.)、大麥(Hordeum vulgareL.)等糧食作物, 白菜(Brassica pekinensisL.)、芹菜(Apium graveliensL.)、辣椒(Capsicum annuumL.)等蔬菜作物, 大豆(Glycine maxL.)等油料作物以及煙草(Nicotiana tabacumL.), 針對(duì)的重金屬包括Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr、Hg等。部分研究發(fā)現(xiàn)在污染農(nóng)田種植低吸收品種使農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量達(dá)到了國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 低吸收作物篩選
尋找新的低吸收作物品種一直是污染農(nóng)田安全利用的主要發(fā)展方向。低吸收品種除了保障對(duì)重金屬的低吸收外, 還應(yīng)該具有如下特征:
1) 當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性。由于農(nóng)田土壤的類型、理化性質(zhì)、污染程度、氣候等存在差異, 同一作物品種在不同地區(qū)之間可能存在重金屬吸收能力的差異。因此, 當(dāng)在某地區(qū)種植低吸收作物時(shí), 需要對(duì)已知的低吸收品種進(jìn)行重新驗(yàn)證或重新篩選適合當(dāng)?shù)氐牡臀掌贩N。
2) 多金屬抗性。我國(guó)土壤多為重金屬?gòu)?fù)合污染。若某Pb-Cd復(fù)合污染地區(qū)的小麥品種僅對(duì)Pb低吸收, 而Cd含量超標(biāo), 那此地出產(chǎn)的小麥仍不能進(jìn)入食物鏈流通。此外, 我國(guó)部分地區(qū)土壤還存在著有機(jī)污染、干旱、鹽堿、低溫等脅迫, 尋找新的作物品種時(shí)還應(yīng)考慮其對(duì)多種脅迫因素的耐受性。
3) 產(chǎn)量不受太大影響。我國(guó)人口數(shù)量巨大, 耕地資源稀缺, 必須要保障農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn); 高產(chǎn)帶來的高經(jīng)濟(jì)收益也有利于新的低吸收品種在農(nóng)民中的推廣應(yīng)用。此外, 由于人們對(duì)生活質(zhì)量的要求不斷提高, 生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更加豐富的農(nóng)產(chǎn)品也是尋找低吸收作物品種的目標(biāo)之一。
當(dāng)前, 我國(guó)低吸收作物品種的篩選主要集中在水稻、小麥等糧食作物上。除了糧食, 重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)作物如煙草、油料、中草藥等也是重金屬進(jìn)入人體的重要途徑, 且我國(guó)擁有大面積種植這些農(nóng)作物的產(chǎn)區(qū), 因此對(duì)油料、中草藥、棉麻等作物進(jìn)行低吸收品種的篩選也十分必要。
1.3 基因工程應(yīng)用
基因工程改造是另一個(gè)獲得具有優(yōu)良性狀的低吸收品種的途徑。目前, 生物體內(nèi)的部分與重金屬抗性相關(guān)的基因已經(jīng)被確認(rèn)和驗(yàn)證(表4)。這些基因表達(dá)產(chǎn)生植物鰲合肽合成酶(phytochelatins, PCs)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、還原酶等, 通過鰲合、轉(zhuǎn)運(yùn)、區(qū)隔化等作用降低重金屬的毒性和調(diào)節(jié)對(duì)重金屬的積累。通過基因工程技術(shù)改變這些基因在植物體內(nèi)的表達(dá)量可以顯著影響植物對(duì)重金屬的抗性和吸收。例如, 轉(zhuǎn)入AKR4C9基因或MsALR提高了大麥對(duì)Cd和As的抗性; 過表達(dá)TaGolS3基因提高了水稻對(duì)Zn的抗性; 轉(zhuǎn)入AtACR2基因提高了煙草對(duì)As的抗性并降低了地上部As的濃度; 過表達(dá)OsHMA3基因或者敲除OsNramp5、OsHMA2或OsLCT1降低了水稻地上部或籽粒對(duì)Cd的積累量。
通過基因工程技術(shù)可以使農(nóng)作物對(duì)重金屬的積累量顯著降低, 但復(fù)雜的田間因素與轉(zhuǎn)基因作物可能帶來的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及公眾對(duì)轉(zhuǎn)基因作物安全性的爭(zhēng)議, 使得這些通過基因工程得到的低吸收作物的田間種植面臨著巨大挑戰(zhàn)。
值得注意的是, 有些作物品種地上部能夠積累大量的重金屬, 而可食用部分如籽粒中的含量不超過安全標(biāo)準(zhǔn), 這樣的農(nóng)作物被稱作cropaccumulator。種植cropaccumulator既可以減少土壤重金屬的含量, 也能夠保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與安全, 是一種很有前途的污染土壤的安全利用方式。通過基因工程技術(shù)將外源基因轉(zhuǎn)入到作物中, 增強(qiáng)作物對(duì)重金屬的抗性和積累能力被認(rèn)為是一種獲得cropaccumulator的方法。Luo等鑒定出了影響水稻Cd積累量的數(shù)量性狀基因位點(diǎn)(quantitative trait locus, QTL)CAL1。CAL1能夠調(diào)節(jié)葉片中Cd的積累, 而對(duì)Fe、Zn、Cu等其他營(yíng)養(yǎng)元素和籽粒中的Cd無顯著影響。這為cropaccumulator的尋找提供了有力的基礎(chǔ)。
2 土壤添加劑應(yīng)用
土壤添加劑可以改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)與生物有效性, 進(jìn)而影響植物對(duì)重金屬的吸收。因此, 利用土壤添加劑鈍化土壤重金屬是污染農(nóng)田安全利用的一種重要措施。常被用于土壤重金屬鈍化修復(fù)的添加劑如下。
2.1 石灰性材料
大量研究表明重金屬在土壤中的生物有效性與土壤pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 提高土壤pH可以鈍化土壤重金屬。石灰的主要成分為CaCO3, 能夠顯著提高土壤pH, 常被用來改善酸化土壤。多種含有石灰的材料, 如煅燒的貝殼、鋼爐渣、磷灰石、海泡石等已被用來進(jìn)行土壤重金屬鈍化修復(fù)。但土壤pH升高也會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)元素的有效性和土壤酶活性的降低, 降低農(nóng)作物生物量。
2.2 磷酸鹽材料
磷酸鹽能夠與重金屬形成穩(wěn)定的磷酸鹽沉淀, 降低重金屬在土壤中的遷移性。Chen等發(fā)現(xiàn)磷酸鹽能夠?qū)⑼寥乐械腜b、Zn、Cd由可交換態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為磷氯鉛礦等殘?jiān)鼞B(tài), 進(jìn)而降低油菜(Brassica campestrisL.)中這些重金屬的含量。
2.3 有機(jī)廢棄物
農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等常常作為有機(jī)肥為植物提供營(yíng)養(yǎng)元素。研究表明向土壤中施加糞肥、作物秸稈等能夠降低重金屬的生物有效性, 減少植物對(duì)重金屬的吸收。這主要有如下幾個(gè)原因:首先, 施加糞肥、秸稈等能使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加, 這些有機(jī)物通過絡(luò)合作用吸附重金屬, 降低重金屬的生物有效性; 其次, 施加有機(jī)廢棄物能夠提高土壤pH, 進(jìn)而降低重金屬的生物有效性; 此外, 施加有機(jī)廢棄物能夠提高土壤有效磷的含量, 而磷能夠有效鈍化土壤重金屬。
2.4 生物炭
生物炭具有非常高的比表面積, 可高達(dá)65.85 m2·g-1, 且?guī)в胸?fù)電荷, 有利于其吸附重金屬離子。此外, 生物炭表面含有大量的—OH、—COOH等官能團(tuán), 可與重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。生物炭多呈堿性, 施用生物炭能夠提高土壤pH, 強(qiáng)化對(duì)重金屬離子的鈍化。
2.5 黏土礦物
膨潤(rùn)土、蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物具有較高的陽(yáng)離子交換量, 能夠通過離子交換作用將土壤重金屬離子吸附于其表面上, 進(jìn)而降低重金屬的遷移性。重金屬還能與礦物晶體通過共價(jià)鍵形成專性吸附, 很難再?gòu)酿ね恋V物上解吸下來。Sun等、徐奕等在Pb、Cd污染土壤中施入膨潤(rùn)土后, 土壤中Pb、Cd主要由可交換態(tài)轉(zhuǎn)化為了殘?jiān)鼞B(tài), 且水稻體內(nèi)的Pb、Cd濃度顯著降低。
土壤添加劑在土壤重金屬污染修復(fù)中也存在著一些問題。(1)過量施用添加劑會(huì)改變土壤性質(zhì)。長(zhǎng)期施用石灰等堿性物質(zhì)會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 造成土壤板結(jié)和養(yǎng)分流失, 也會(huì)對(duì)土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。(2)添加劑可能會(huì)引入新的污染物質(zhì)。有機(jī)廢棄物可能會(huì)攜帶大量重金屬、有機(jī)污染物、病原菌等有害物質(zhì), 如果不經(jīng)處理直接施用會(huì)對(duì)土壤造成二次污染, 并降低土壤質(zhì)量。(3)添加劑對(duì)重金屬的鈍化效果會(huì)隨土壤環(huán)境的改變而改變。有機(jī)添加劑容易被降解, 被其固定的重金屬會(huì)重新釋放出來, 因此, 需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。(4)添加劑可能會(huì)降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。Sun等研究發(fā)現(xiàn)在堿性土壤中施加0.5%~5%的海泡石會(huì)降低菠菜(Spinacia oleraceaL.)地上部的生物量。
3 微生物調(diào)控
微生物能夠改變土壤中重金屬的賦存形態(tài), 影響其生物有效性, 也能調(diào)節(jié)植物的養(yǎng)分供應(yīng), 促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。由于經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境友好性, 微生物越來越多地被應(yīng)用于土壤重金屬污染的鈍化修復(fù)中。當(dāng)前, 多種具有重金屬抗性或積累能力的微生物已經(jīng)被篩選出來(表5), 這些微生物能顯著降低小麥、水稻、白菜、蘿卜(Raphanus sativusL.)等農(nóng)作物中Cd、Pb、Cu、As、Cr等重金屬的含量。
3.1 微生物調(diào)控機(jī)理
微生物抑制植物吸收重金屬的機(jī)制已經(jīng)有大量研究, 主要包括降低土壤重金屬的有效性與影響植物吸收兩個(gè)方面。
1) 降低土壤重金屬生物有效性。微生物可以通過分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)來鈍化重金屬。EPS富含羥基、羧基、氨基等官能團(tuán), 可通過靜電吸附、絡(luò)合等作用與重金屬鍵合并鈍化重金屬。Li等發(fā)現(xiàn)白腐真菌(Phanerochaete ysosporiumB.)分泌的EPS對(duì)低濃度Pb的鈍化起著十分重要的作用。Joshi等發(fā)現(xiàn)固氮菌(Azotobacterspp.)可以通過分泌EPS來鈍化土壤中的Cd、Cr離子, 進(jìn)而降低小麥體內(nèi)Cd、Cr的含量。
微生物可以將重金屬礦化進(jìn)而鈍化重金屬。Li等發(fā)現(xiàn)Sporosarcina pasteuriiM.、Terrabacter tumescensiL.等細(xì)菌能夠產(chǎn)生脲酶將尿素水解, 提高土壤pH, 使土壤溶液中的Cd、Cu、Pb、Ni等重金屬在其表面沉淀形成碳酸鹽結(jié)晶。Qian等發(fā)現(xiàn),Penicillium ysogenumT. CS1可以將土壤中的Pb、Cr主要轉(zhuǎn)化為方解石、釩鈣、碳酸鈣、氧化鉻等碳酸鹽礦物。除了碳酸鹽礦物, 微生物還能將重金屬轉(zhuǎn)化為磷氯鉛礦、水白鉛礦等。
微生物可以通過影響土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化來鈍化重金屬。微生物在有機(jī)質(zhì)降解及腐殖質(zhì)形成過程中起著重要的作用。腐殖質(zhì)富含羥基、羧基、氨基等官能團(tuán), 這些官能團(tuán)能夠與重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物, 進(jìn)而鈍化重金屬。Zhang等發(fā)現(xiàn), 在堆肥過程中加入白腐真菌(Phanerochaete ysosporiumB.)能夠顯著提高腐殖質(zhì)的含量, 降低Zn、Pb、Cu和Ni的生物有效性, 且重金屬的殘?jiān)鼞B(tài)或氧化物結(jié)合態(tài)的含量與腐殖質(zhì)或其某些成分(如胡敏酸)的含量具有良好的相關(guān)性。
部分微生物對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的積累能力, 可以將土壤中的重金屬大量吸收到體內(nèi), 進(jìn)而減少可被植物吸收的重金屬含量。Wu等通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 種植蘑菇(Coprinus comatusM.)顯著降低了生菜(Lactuca sativaL.)體內(nèi)Cu的積累量與土壤中HOAc提取態(tài)的含量, 且土壤中可交換態(tài)Cu的含量變化與蘑菇體內(nèi)Cu的積累量的變化趨勢(shì)一致, 這說明土壤中有效態(tài)的Cu主要被C. comatus吸收從而減少了生菜對(duì)Cu的吸收。
2) 影響植物對(duì)重金屬的耐性和吸收。重金屬會(huì)引起植物體內(nèi)活性氧(ROS)的過量產(chǎn)生, 進(jìn)而對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用。通過提高體內(nèi)的抗氧化酶如SOD、POD和CAT含量來清除ROS是植物應(yīng)對(duì)重金屬毒害的一種重要機(jī)制。微生物可以影響植物體內(nèi)抗氧化酶含量進(jìn)而減輕重金屬對(duì)作物的毒害作用。Devi等發(fā)現(xiàn), 向土壤中施加真菌Trichodermasp. (WT2)顯著提高了向日葵(Helianthus annusL.)體內(nèi)SOD、POD和CAT的含量, 增強(qiáng)了向日葵對(duì)Pb的耐受性。
微生物可以增強(qiáng)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收, 提高植物的生物量, 對(duì)體內(nèi)的重金屬起到稀釋作用(growth dilution effects), 進(jìn)而降低植物體內(nèi)的重金屬含量。Wu等發(fā)現(xiàn)接種叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)(Rhizophagus irregularisS.)能夠加強(qiáng)蒲公英(Taraxacum platypecidumD.)對(duì)P的吸收, 顯著提高其生物量, 降低其體內(nèi)Cr的濃度。AMF外生菌絲具有很高的表面積與陽(yáng)離子交換量, 能夠?qū)⒅亟饘匐x子結(jié)合在其表面, 在植物根系周圍鈍化大量重金屬, 減少植物對(duì)重金屬的吸收。Nayuki等通過X-ray fluorescence (XRF)成像技術(shù)發(fā)現(xiàn), AMF能夠?qū)d大量地固定在其外生菌絲的細(xì)胞壁和液泡中, 且不會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主植物的根中。即使外生菌絲能夠?qū)r、Zn等轉(zhuǎn)運(yùn)到植物根系中, 也會(huì)顯著地抑制這些重金屬由植物地下部向地上部的轉(zhuǎn)移。
3.2 鈍化效果強(qiáng)化
強(qiáng)化微生物對(duì)重金屬的鈍化效果是今后的主要研究方向。添加劑可以影響微生物的活動(dòng), 進(jìn)而強(qiáng)化其對(duì)重金屬的鈍化效果。Wang等發(fā)現(xiàn)使用由畜糞制成的有機(jī)添加劑能夠顯著增加AMF對(duì)煙草根部的侵染率。添加硫酸鹽和葡萄糖能夠強(qiáng)化硫酸鹽還原細(xì)菌(sulfate reducing bacteria)的活動(dòng), 促進(jìn)其將重金屬轉(zhuǎn)化為硫化物沉淀。與單獨(dú)添加微生物相比, 微生物與生物炭、煤泥等鈍化劑聯(lián)合使用能顯著降低Cd、Pb等重金屬在土壤中的生物有效性以及在玉米、綠豆(Vigna radiataL.)、蘿卜、生菜等農(nóng)作物中的含量。微生物的活動(dòng)與群落結(jié)構(gòu)容易受到諸多土壤性質(zhì)的影響, 故也可以通過調(diào)節(jié)土壤的pH、C/N比、有機(jī)質(zhì)含量與含水率等來控制微生物對(duì)重金屬的鈍化活動(dòng)。此外, 通過基因工程手段將與重金屬抗性相關(guān)的外源基因轉(zhuǎn)入微生物, 可以強(qiáng)化微生物對(duì)重金屬的鈍化修復(fù)效果。Elahian等將Mucor racemosusB.的Cyb5R基因轉(zhuǎn)入畢赤酵母(Pichia pastorisG.)后發(fā)現(xiàn), 畢赤酵母能夠?qū)g轉(zhuǎn)化成毒性更低的納米銀并將其大量吸附在細(xì)胞表面。Li等發(fā)現(xiàn), 轉(zhuǎn)入來自豆梨(Pyrus calleryanaD.)的PcPCS1基因能夠增強(qiáng)大腸桿菌(Escherichia coliE.)對(duì)Cd、Cu、Hg離子的抗性和積累量。
3.3 土著微生物利用
在需要進(jìn)行安全利用的地區(qū)土壤中尋找具有重金屬鈍化功能的土著微生物具有重要意義。嚴(yán)重污染地區(qū)(如礦區(qū))土壤的重金屬含量非常高, 能夠在這些土壤中存活下來的微生物往往對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的抗性, 這種天然篩選使人們更容易尋找到能夠應(yīng)用于重金屬污染土壤修復(fù)的目標(biāo)微生物。但由于土壤性質(zhì)存在較大的差異以及與土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)作用, 由污染嚴(yán)重的礦區(qū)分離篩選出來的微生物的活動(dòng)或功能在污染程度較低的農(nóng)田土壤中可能會(huì)發(fā)生改變, 進(jìn)而影響這些微生物的修復(fù)效果。土著微生物能夠更好地適應(yīng)待修復(fù)農(nóng)田的土壤環(huán)境, 進(jìn)而產(chǎn)生更好的修復(fù)效果。Oller等從當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤中篩選出的桿菌Enterobactersp.、假單胞菌Pseudomonassp.和紅球菌Rhodococcussp.均對(duì)As具有很強(qiáng)的抗性和積累能力, 且能夠促進(jìn)大豆的生長(zhǎng), 具有很大的潛力應(yīng)用于當(dāng)?shù)匚廴就寥赖募Z食安全生產(chǎn)。Abu-Elsaoud等在當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤中篩選出的AMF(Funneliformis geosporumN. et G.)能夠增強(qiáng)小麥對(duì)Zn的抗性并抑制Zn向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。此外, 隨著宏基因組等技術(shù)的發(fā)展, 土壤中微生物的種質(zhì)資源能夠被更加充分地發(fā)掘, 這將助力人們篩選出更多的能夠應(yīng)用于污染土壤修復(fù)的土著微生物。
4 農(nóng)藝管理
農(nóng)藝措施能改變土壤的通氣、水分、養(yǎng)分等條件, 除了能夠提高農(nóng)作物產(chǎn)量, 增加收益, 防治病蟲害, 改善土壤外, 還能影響土壤中重金屬的生物有效性和植物對(duì)重金屬的抗性。因此, 農(nóng)藝措施也是污染農(nóng)田土壤安全利用的一種重要調(diào)控措施。當(dāng)前, 人們主要通過施肥、水分管理、間套作等農(nóng)藝措施來控制農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收。
4.1 施肥
肥料能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供必需的營(yíng)養(yǎng), 增強(qiáng)作物對(duì)重金屬的抗性, 提高生物量, 對(duì)體內(nèi)的重金屬起到稀釋作用。此外, 肥料中的P能夠與As、Cr等重金屬競(jìng)爭(zhēng)植物根系表面吸附位點(diǎn), 故施加磷肥能夠抑制作物對(duì)重金屬的吸收。肥料還能通過改變土壤pH及絡(luò)合、沉淀等作用降低重金屬的遷移性與生物有效性, 進(jìn)而減弱植物對(duì)重金屬的吸收。
一些學(xué)者研究了葉面施肥對(duì)農(nóng)作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的影響。葉面噴施鋅肥能夠降低白菜、油菜、黃瓜(Cucumis sativusL.)、小麥體內(nèi)的Cd含量, 葉面噴施Si肥能夠減少水稻地上部和籽粒中Pb的含量, 抑制Pb由地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。這可能是因?yàn)橥ㄟ^葉面進(jìn)入植物體內(nèi)的Zn與Cd競(jìng)爭(zhēng)植物細(xì)胞表面的吸附位點(diǎn), 抑制植物對(duì)Cd的吸收; 而Si可能將Pb等重金屬固定在植物細(xì)胞壁上, 進(jìn)而抑制了Pb在植物體內(nèi)的運(yùn)輸。此外, 葉面肥比土施肥具有更低的修復(fù)成本。在達(dá)到減少農(nóng)作物重金屬含量的相同效果時(shí), 葉面肥的用量比土施肥的用量至少減少5倍。
此外, 改變肥料的用量也能影響作物對(duì)重金屬的吸收。Tang等發(fā)現(xiàn)白菜體內(nèi)Cd含量與土壤K、Zn的含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 故認(rèn)為增施鉀肥或鋅肥能夠抑制白菜對(duì)Cd的吸收。
4.2 水分管理
氧化還原條件會(huì)影響重金屬在土壤中的價(jià)態(tài)和賦存形態(tài), 而這決定了重金屬的毒性與遷移性, 故通過水分條件管理控制土壤的氧化還原條件對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)具有重要意義。Hu等研究了不同淹水條件對(duì)水稻吸收Cd和As的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 從不淹水到定期淹水再到始終淹水, 水稻籽粒中Cd含量從0.21 mg·kg-1減少到0.02 mg·kg-1, 然而As的濃度卻從0.14 mg·kg-1增長(zhǎng)到0.21 mg·kg-1。土壤中有效態(tài)Cd與As的含量也呈現(xiàn)出了相反的變化趨勢(shì)。還需注意的是, 減少兩種重金屬含量的水分管理模式下的水稻產(chǎn)量均較傳統(tǒng)模式減少。因此, 需要進(jìn)一步采取特定的措施來同時(shí)控制水稻Cd和As的含量, 同時(shí)保證水稻的產(chǎn)量。
4.3 間作
植物間作是利用不同種植物之間的互補(bǔ)作用達(dá)到提高產(chǎn)量, 控制病蟲害等目的的種植模式。將農(nóng)作物與超富集植物間作, 可以在保證農(nóng)產(chǎn)品安全的前提下, 利用超富集植物持續(xù)地減少土壤中的重金屬含量, 這是污染農(nóng)田安全利用的主要發(fā)展方向。Wang等將Cd超富集植物龍葵(Solanum nigrumL.)與Cd低吸收品種大蔥(Allium fistulosumL.)進(jìn)行間作, 發(fā)現(xiàn)間作模式下, 大蔥的Cd含量沒有變化, 符合國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn), 且大蔥的產(chǎn)量沒有降低; 另一個(gè)有利的結(jié)果是, 經(jīng)過90 d的種植, 龍葵去除了表層土壤(0~20 cm)中7%的Cd。其他研究也獲得了較好的結(jié)果。譚建波等發(fā)現(xiàn)與Cd超級(jí)累植物斷續(xù)菊(Sonchus asperL.)間作能夠顯著減少玉米Cd的含量, 顯著提高斷續(xù)菊Cd的濃度, 此外, 間作均提高了兩種植物的生物量。Zhan等將斷續(xù)菊與茄子(Solanum melongenaL.)進(jìn)行間作, 也得到了相似的結(jié)果。但間作模式也存在著不理想的情況。Yang等發(fā)現(xiàn), 將瞿麥(Dianthus superbusL.)與白車軸草(Trifolium repensL.)進(jìn)行間作能夠顯著降低瞿麥體內(nèi)Pb含量, 但也降低瞿麥的藥用成分大黃素的含量, 這主要是由于白車軸草與瞿麥的競(jìng)爭(zhēng)作用減少了瞿麥對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。Yang等發(fā)現(xiàn)香根草(Vetiveria zizanioidesL.)與豆科植物間作對(duì)兩種植物的Cd含量與生物量均無顯著影響。湯福義等發(fā)現(xiàn)與龍葵間作甚至?xí)岣甙撞擞酌鏑d的積累量。可見, 利用間作模式進(jìn)行污染土壤的安全利用需要對(duì)農(nóng)作物、間作植物、目標(biāo)污染物進(jìn)行綜合考慮。
5 農(nóng)業(yè)資源研究中心相關(guān)研究與展望
截止到目前, 國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行過污染土壤的修復(fù)實(shí)踐。國(guó)外最具代表性的污染土地的管理方法當(dāng)屬美國(guó)的“超級(jí)基金”, 它是為了實(shí)現(xiàn)污染場(chǎng)地的再生產(chǎn)利用由美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)設(shè)立的管理法案, 對(duì)污染場(chǎng)地和責(zé)任者的確定, 修復(fù)資金的籌備與使用, 修復(fù)工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施, 后期運(yùn)營(yíng)與監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)均進(jìn)行了規(guī)范, 已經(jīng)被多個(gè)國(guó)家借鑒。超級(jí)基金規(guī)定由責(zé)任者或污染者對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù), 對(duì)找不到責(zé)任者或責(zé)任者沒有修復(fù)能力的, 由超級(jí)基金支付修復(fù)費(fèi)用。但污染場(chǎng)地修復(fù)的經(jīng)費(fèi)投入巨大, 責(zé)任者往往難以承擔(dān), 而“超級(jí)基金”也面臨著經(jīng)費(fèi)缺乏的問題。根據(jù)“超級(jí)基金”的經(jīng)驗(yàn), 我國(guó)污染農(nóng)田面積大, 且污染者難以確定, 無論污染企業(yè)還是地方政府, 在沒有類似“超級(jí)基金”的經(jīng)費(fèi)支持下, 均難以進(jìn)行完整的污染農(nóng)田土壤的修復(fù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)再生產(chǎn)利用。而國(guó)內(nèi)農(nóng)田土壤的修復(fù)實(shí)踐目前多以示范為主, 鮮有大面積的推廣應(yīng)用。
污染農(nóng)田管控即禁止在污染農(nóng)田上種植糧食也是一種保障食品安全的管理方法。但對(duì)糧食安全的堅(jiān)定的要求決定了我國(guó)不能進(jìn)行大面積的污染農(nóng)田管控。此外, 我國(guó)農(nóng)田的所有與使用制度難以保障管控措施的實(shí)施, 在被管控的農(nóng)田上仍可能繼續(xù)進(jìn)行糧食種植, 對(duì)我國(guó)的食品安全產(chǎn)生潛在的威脅。維持農(nóng)田生產(chǎn)并保障糧食與食品安全是我國(guó)當(dāng)前的形勢(shì)所需。因此, 在污染農(nóng)田上生產(chǎn)出安全的農(nóng)產(chǎn)品即污染農(nóng)田的安全利用具有非常重大的意義。目前, 污染農(nóng)田的安全利用已經(jīng)被學(xué)界和政府普遍接受。
將多種技術(shù)手段進(jìn)行整合, 實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 是當(dāng)前污染農(nóng)田安全利用的重要發(fā)展趨勢(shì)。就目前來看, 少數(shù)的技術(shù)集成取得了顯著進(jìn)展, 但可重復(fù)性與經(jīng)濟(jì)成本還遠(yuǎn)不能滿足推廣需求。農(nóng)民作為實(shí)施主體對(duì)技術(shù)手段的接受程度也是影響安全利用推廣的重要因素, 他們更容易接受操作簡(jiǎn)單、接近農(nóng)藝措施的技術(shù), 比如種子與肥料。這要求這些技術(shù)手段具有更佳的抑制重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的效果。生物技術(shù)在改變植物以及土壤微生物等對(duì)重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力方面具有極大的潛力。故發(fā)展以生物技術(shù)為核心的污染農(nóng)田安全利用模式是我國(guó)重要的研究方向。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心作為中國(guó)科學(xué)院主要農(nóng)業(yè)類研究所之一, 在農(nóng)業(yè)環(huán)境包括農(nóng)田重金屬污染治理方面做了多年的布局和投入。在重金屬污染農(nóng)田安全利用研究方面, 相關(guān)研究組按照機(jī)理與技術(shù)并重的發(fā)展理念, 提出了以生物技術(shù)為核心的技術(shù)模式, 并在中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”和河北省杰出青年基金等項(xiàng)目的資助下, 系統(tǒng)開展了華北微生物Cd固定劑和Cd低吸收小麥品種的篩選, 并且在生物快速提取方面取得了進(jìn)展。過去2年中, 研究組在微生物菌劑和修復(fù)方法方面提交并授權(quán)了多項(xiàng)核心專利(表6), 正在成為我國(guó)污染農(nóng)田安全利用技術(shù)發(fā)展的新力量, 并提出了生物技術(shù)為核心的技術(shù)模式(圖1), 可盡可能少地減少化學(xué)固定劑如石灰和磷肥的使用, 提高重金屬污染農(nóng)田利用的安全性。以治理理念的進(jìn)步和技術(shù)積累為基礎(chǔ), 農(nóng)業(yè)資源研究中心重金屬污染修復(fù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了與國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位(包括南京土壤研究所、山東師范大學(xué)、河北地質(zhì)職工大學(xué)等)和相關(guān)環(huán)保企業(yè)合作, 在雄安和承德等地開展了修復(fù)示范工作。
