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中 　国 　生 　物 　工 　程 　杂 　志
第 22 卷第 5 期 JOURNAL OF CHINESE BIOTECHNOLOGY 2002 年 10 月 植物修复 ―――治理土壤重金属污染的新途径 周乃元 　王仁武 中国生物工程开发中心　北京　100081 摘要 　介绍了重金属污染土壤的植物修复的概念、原理与研究动态以及重金属超积累植物 的特性 ,及其在治理污染土壤中的潜力 ,为土壤重金属污染的整治及其生态的修复提出新途 径。 关键词 　植物修复 　土壤重金属污染 　超积累植物 重金属是农业环境和农产品的一个重要污 界和企业界的高度重视和青睐。自从 20 世纪 80
染物质。农田中重金属的污染主要来源于污水 年代问世以来 ,植物修复已经成为了国际学术界
的灌溉、开矿和冶炼等三废排放、城市污泥和垃 研究热点问题 ,并且开始进入产业化初期阶段。 圾、有机肥料 尤其近年来饲料添加剂中含有高 目前植物修复技术的市场以每年翻一番的速度 量的铜、砷等 与磷肥 磷矿石中含镉等 等大量 迅速发展。
施用 , 以及大气污染颗粒的沉降等。因重金属在 1 　植物修复技术的研究历史与发展
土壤中的自然净化过程十分漫长 ,一般需要上千 年时间 ,因此其污染具有隐蔽性、不可逆性和长 “植物修复”phytoremediation 是指将某种特
期性 ,它在植物根、茎、叶及籽粒中大量积累 ,不 定的植物种植在重金属污染的土壤上 ,而该种植
仅严重影响植物的生长和发育 ,而且通过食物链 物对土壤中污染元素具有特殊吸收富集能力 ,将 传递给人或动物 , 给人类健康带来了严重的危 植物收获后并妥善处理 如灰化回收 后即可将
害。如在 60
年代 , 日本曾发生的第二公害病 该种重金属移出土体 ,达到污染治理与生态修复
―――痛痛病 ,便是由于食用被镉废
正在加载中，请稍后...　　稻米是超过六成中国人的主食，而现在稻米的重金属污染日渐浮出水面。据《新世纪》周刊报道中的抽样调查显示，中国多地市场上约10%的大米中镉含量超标。镉污染具有一定的隐蔽性但会致慢性中毒和癌症。中国重工业的发展以及农民耕作习惯让重金属污染将取代农药，成为危及粮食安全的潜在杀手。
　　中国面临严重的镉污染危机　　
镉被认为是一种十分危险的环境污染元素，单质镉在自然界中不能稳定存在，其主要存在于硫镉矿和锌矿中。自20世纪初以来，由于镉及其化合物被广泛应用于镍镉电池、颜料、合金，以及电镀、塑料制品等制造环节，镉的产量及用途在不断增加。据统计全世界每年向环境中释放的镉达30000吨左右，其中82%-94%的镉会进入到土壤中。长期摄入被镉严重污染的稻米、蔬菜、水果，饮用含镉量超标的水，都会出现镉慢性中毒的症状。
被镉污染的大量稻田。据估算，中国仅镉污染的耕地就有8000万亩左右，被镉、砷等污染的耕地近1.8亿亩；黄河水系、淮河干流、滦河的镉超标率都在16%以上
被镉污染的生菜叶子：美国农业部的一项研究表明，水稻是对镉吸收最强的大宗谷类作物，其籽粒镉水平仅次于生菜。
镉在人体继续导致软骨症周身痛，能引发多种恶性肿瘤
由水源或食物等引起的镉中毒多为慢性发作，它会引起消化道黏膜的刺激，出现恶心、呕吐、腹泻、腹痛、抽搐等症状，这种经消化道吸收引起的镉慢性中毒最容易损伤人的肾、脾、肝脏等器官，还会引发贫血、生殖功能下降等问题。长期摄入受到镉污染的食品，会造成镉在体内蓄积，导致骨软化症，周身疼痛，被称为&痛痛病&。镉本身也是致癌物之一，能引起肺、前列腺和睾丸的恶性肿瘤。1997年以来，美国毒物及疾病管理局一直将镉列为第6位危害人体健康的有毒物质。
镉在人体内潜伏达10到30年，因危害性易被人忽视
镉污染因其隐蔽性和滞后性往往容易被人忽视。大气污染、水污染和废弃物污染等问题一般比较直观，而土壤污染往往要通过对土壤样品进行分析化验和农作物的残留检测，甚至通过研究对人畜健康状况的影响才能确定。在遭受镉污染的地区，人们通常对于污染状况认识不足，认为只要还能长出粮食，就可以继续种植食用。
另一方面，短期摄入镉超标食品伤害并不会立即显现。由于进入到人体的镉生物学半衰期长达10到30年，在这期间，摄入的镉将主要在肝、肾部积累，经过数年甚至数十年慢性积累后，人体才会出现显著的镉中毒症状。但此时，土壤已经完全被镉污染破坏。镉污染具有相当大的不可逆性，土壤一旦被污染，对农作物的影响将持续很长一段时间。
中国近10%耕地被污染含镉量超标26倍，黄河水系超标16%以上
据估算，中国仅镉污染的耕地就有8000万亩左右，被镉、砷等污染的耕地近1.8亿亩。我国每年由工业废弃物排放到环境中的镉总量约680余吨。在一些重金属污染严重的地区，稻田有效镉含量甚至是国家允许值的26倍。
据我国7大水系，26个国控湖泊、水库的监测发现，长江水系的镉污染是仅次于汞的重金属污染物，黄河水系、淮河干流、滦河的镉超标率都在16%以上，26个国控湖泊、水库中都发现了不同程度的镉污染问题。同时，地表饮用水源中的镉污染也仅次于汞的重金属污染物，在对作为饮用水源的城市河流污染物监测中发现，城市河流有18.46%的河段面镉超过III类水体标准，9.23%河段年均值超过III类水体标准。
　　污染链：从矿石到稻米
镉主要与锌矿、铅锌矿、铜铅锌矿等共生。中国快速工业化过程中遍地开花的开矿等行为，使原本以化合物形式存在的镉、砷、汞等有害重金属释放到自然界。这些有害重金属通过水流和空气，污染了中国相当大一部分土地，进而污染了稻米，再随之进入人体。
中国镉污染地图：其中两广与湖南是镉污染严重的三个地区。有色金属矿产开发、冶炼及其他工业生产排出的废气、废水和废渣都会造成镉污染，农民耕种习惯使用的磷肥也含有一定量的镉。
镉污染的危害最为人所知的是上世纪六十年代日本的水俣病，中国也有类似病症被农民称为痛痛病。
开矿冶金和磷肥染土壤河流，城市垃圾处理也增加污染
含有镉等有害重金属的矿藏通常被固定在矿床里，随着矿产被开采，含有镉的重金属也会被释放出来。正常情况下，这些采矿区都建造有尾砂库，但一旦碰到洪水或者其他意外因素，这些尾砂坝或者被冲垮，或者是因高度不够而发生泄漏，带有很高浓度重金属的污水就会污染下游上百公里的河道以及田地。事实上，即使尾砂坝没有问题，开矿对当地土壤的危害依然避免不了，重金属可以通过尾砂库的排水、土壤渗漏等渠道扩散到周围土壤，一个矿区的污染面积可能会达到几百甚至上千平方公里。
有色金属矿产开发、冶炼及其他工业生产排出的废气、废水和废渣都会造成镉污染。而我国的耕地大量使用的磷肥中也有相当高的镉含量，因此当这些磷肥进入土壤，也加重了土壤中的镉浓度。此外，城市污泥和垃圾的焚烧也可导致土壤中镉含量增高。
中国粮食耕种和土地使用特点，难以防范镉污染
中国粮食耕种和土地使用的特点，令镉污染难以防范和杜绝。中国主要是自耕农种植水稻，现在除少数稻田被极端污染叫停，其他大部分都可再次种植稻米。同时，自耕农以种植稻米为生，当地土地也只适宜于种植水稻，而造成污染的是工矿企业，农民不愿也没有能力承担后果。再加上没有相关的稻米检测机制，被重金属污染的水稻要么自种自吃，要么流向市场。无论谁食用到这些被污染的大米，必然都会对身体健康造成影响。
水稻是吸收镉最强的谷类作物，又是65%的中国人主食
65％的中国人以稻米为绝对主食，而美国农业部的一项研究表明，水稻是对镉吸收最强的大宗谷类作物，其籽粒镉水平仅次于生菜。2002年，农业部稻米及制品质量监督检验测试中心曾对全国市场稻米进行安全性抽检。结果显示，稻米中镉超标率为10.3％。南京农业大学农业资源与生态环境研究所教授潘根兴在全国六个地区县级以上市场随机采购大米样品91个进行检测，结果也同样表明：10％左右的市售大米镉超标。有人计算，即便稻米达到国家限定的镉含量0.2毫克/千克，中国南方人每日摄入镉的总量也大大超出世界卫生组织推荐的限定额。多位学者认为，未来中国农产品安全问题中，重金属污染将取代农药，成为事故多发地带。
　　发达国家如何应对镉污染　　
西方发达国家也曾饱受重金属污染之苦，1955年日本富山县神通川发生闻名于世的痛痛病后，镉污染及其防治引起了世界各国的强烈关注。许多国家从上世纪开始就利用先进的技术与严格的法规进行生态治理，并从中积累了大量经验。
英国是最早提出利用超富集植物清除土壤中重金属污染的国家之一，并首次利用遏蓝菜属植物修复了长期施用污泥导致重金属污染的土地，证实了这一技术的可行性。
由镉污染受害者自发成立的公民社团，每年都对神冈矿山的镉污染程度进行调查。按公民社团的规定，除了当地居民，国内各领域专家、学者都可申请加入。
英国：用生化等技术修复土壤，最早用遏蓝菜吸收重金属
英国是早期工业发展国家，有非常严重的土壤及地下水污染问题。随着经济发展，环境保护意识增强，许多矿区早已停止了开采，但是早年开采遗留下的土壤重金属污染问题依然存在。从20世纪中叶开始，英国就陆续制定相关的污染控制和管理的法律法规。同时进行土壤改良剂和场地污染修复研究。
英国土地修复技术非常规范，分为物理方法、化学方法、生物修复技术三方面。 英国是最早提出利用超富集植物清除土壤中重金属污染的国家之一，并首次利用遏蓝菜属植物修复了长期施用污泥导致重金属污染的土地，证实了这一技术的可行性。目前，英国已开发出多种耐重金属污染的草本植物用于污染土壤中的重金属和其他污染物的治理，并己将这些开发出来的草本植物推向商业化进程，建立了超富集植物材料库。
日本：民众自发组织社团监督矿山，矿业公司每年都发布污染报告
上世纪六七十年代，日本经历了快速经济增长期，全国各地出现了严重的环境污染事件，被称为四大公害的痛痛病、水俣病、第二水俣病、四日市病，就有三起和重金属污染有关。痛痛病维权的胜利成为日本社会重视环境保护的转折点。此后，由镉污染受害者自发成立的公民社团，每年都对神冈矿山的镉污染程度进行调查。按公民社团的规定，除了当地居民，国内各领域专家、学者都可申请加入。调查团分为水源调查组和土壤调查组，调查团可以检查工厂的每一道工序，包括排污口和污水净化设施。由于公众热情参与，不间断地对企业进行监督，矿业公司每年都作公害报告，主动告知神通川河水的镉污染程度。经过数十年的监督，神通川河水里的镉含量如今已经降低到接近自然水平。
　　在土壤污染造成的恶果中，稻米镉污染只是其中的一个方面，在食物链所延伸的任何一个环节，可能都有土壤污染的影子。"有钱的用钱扛，没钱的有命扛"，一位明知大米有毒却仍无奈食用的村民如是说。
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编辑/视觉： 部分资料自《新世纪》“一种寻找重金属超富集植物的方法”获国家发明专利
　　由中科院华南植物园研究员夏汉平等完成的“一种寻找重金属超富集植物的方法”于近日获得国家发明专利权（专利号：ZL .4）。
　　由于工矿企业的发展，农业化肥的过量使用及污水灌溉等，中国乃至世界的土壤越来越严重。植物修复技术是目前重金属污染治理的研究热点，它具有治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性和后期处理的简易性等优点。虽然目前全世界已发现400多种超富集植物，但能够真正应用于植物修复技术的超富集植物很少，因此寻找有效的方法来筛选更多超富集植物是非常必要的。
　　目前，大多数研究者寻找超富集植物都是通过以下两种方法：一种是在重金属污染的地方做野外调查，寻找长势良好的植物；另一种是选择一些特殊的植物，测定它们植株内重金属的富集程度。但由于植物种类的有限性，使科学家在研究中容易忽视一些有修复潜力的植物。夏汉平研究小组提出一种新的方法，即利用土壤来筛选超富集植物，以充分利用自然资源里的植物种类。
　　本发明利用土壤种子库筛选对重金属具有超富集特性的植物，然后通过重金属浓度梯度实验对其超富集特性进行验证，步骤如下：从野外采集具有丰富种子资源的土壤装盆；添加多种重金属溶液，等待土壤中的种子萌发，那些能萌发的种子表明它们对重金属有较强耐性；当植物长大后，选择那些有高生物量、强重金属耐性的种类来测定其重金属含量；选择那些富集能力强的种类进行下一步重金属浓度梯度实验。
　　本发明的优点是：一、土壤种子库里的植物种类丰富，能够一次性测试多种植物对多种重金属的富集特性。二、实验简单易操作，方便在全球范围内寻找超富集植物。
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中国科学院 &&&&责任编辑：webmaster
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