中科院武汉植物园另辟蹊径修复镉污染土壤

来源：中国科学报   发布者：张荐辕   日期：2015-01-12  

这种修复方法利用土壤—微生物—植物的共存关系，提高土壤中污染物的植物修复效率，最终达到彻底修复重金属污染土壤的目的。 很多国家曾饱受重金属污染之苦，如1955年日本富山县发生的痛痛病闻名于世。我国的镉污染也十分严重，曾涉及11个省市的25个地区，如2012年的广西河池市龙江河镉污染事件。 日前，由中国科学院武汉植物园研究员傅金民、硕士生罗宏基和助理研究员娄燕宏共同发明的“利用草坪草—微生物联合修复镉污染土壤的方法”获国家发明专利授权。 傅金民告诉《中国科学报》记者：“这种修复方法利用土壤—微生物—植物的共存关系，提高土壤中污染物的植物修复效率，最终达到彻底修复重金属污染土壤的目的。” 不容忽视的镉污染 镉是毒性最强的重金属元素之一，能够对人类健康造成不良影响。曾有研究指出，镉在生物体内的半衰期长达20～40年，从而使人体某些器官的镉含量随着年龄的增长而增加。 傅金民指出，土壤镉污染的来源主要包括自然和人为两个方面。其中，自然来源包括岩石风化和火山活动等地质和环境地球化学过程，通过此方式进入土壤中的镉在很大程度上取决于区域地理状况。人为来源主要是由工业、农业和交通等引起。 在农业生产过程中，含重金属的化肥、有机肥、城市废弃物和农药的不合理施用、污水灌溉等可能导致土壤镉污染，除此之外，畜禽养殖业也不可忽视。傅金民说：“污泥施用、污水灌溉是造成土壤镉污染的重要原因之一。” 如何有效治理镉污染，修复生态环境，是全社会高度关注的一个问题。这些年来，国内外镉污染土壤的治理方式有很多种，如客土法、化学冲洗法、电化学法，以及植物修复技术。 目前，对重金属污染土壤的植物修复技术的研究主要集中在寻找超富集植物上。科学家们也筛选到了很多超富集植物，如：天蓝遏兰菜、东南景天、宝山堇、蒲公英、龙葵、三叶鬼针草、球果蔊菜、美洲商陆、印度芥菜等。 微生物—植物联合修复 植物和微生物共同生活在土壤环境中，植物根系为微生物提供了适宜的营养条件，保证了微生物数量和活性的维持；反之，微生物的旺盛生长优化了植物的根际微环境。在此基础上，科学家发现了微生物—植物联合修复技术。 傅金民表示，这是一种强化植物修复的技术，为镉污染土壤的生态修复提供了一条崭新的途径。 近年来，微生物—植物联合修复技术逐渐成为国内外研究的热点。微生物—植物联合修复的作用机理主要分为两类：一是固定或钝化，将有效态转化为无效态，降低了重金属进入食物链或污染周边环境；二是活化，促进生物吸收以提高土壤重金属的去除效率。微生物—植物联合修复的形式也可分为两种：一是植物与专性菌株的联合修复；二是植物与菌根的联合修复。 “植物—微生物联合修复技术可充分发挥植物和微生物各自的优点，优势互补，提高修复效果，是目前公认为应用前景最为广泛的重金属污染土壤修复技术。”傅金民同时也指出，“该项技术为中试阶段，有待于在镉污染大田进行验证。” 然而，傅金民等人还发现了植物—微生物联合修复的一些缺陷和不足，如筛选出的植物生物量普遍较低、个体矮小、生长缓慢，且受气候和土壤等地域环境条件的限制，与植物、土壤的共存性不佳等，导致修复治理效率低和周期长，制约了大规模的应用。 针对于此，他们提出了一种利用草坪草—微生物联合修复镉污染土壤的方法，该方法成本低廉、操作简便，既能改善土壤环境，又有效利用了废弃物，且具有良好的生态效益和社会效益。 狗牙根和棘孢曲霉 傅金民等人对湖南多处镉污染地区的植被调查发现，狗牙根为该省多个污染地区的优势植物之一，基于其生长快速、耐多次刈割，对土壤的镉有一定萃取能力的特性，结合其形成的枯草层可增大地表径流，可有效降低镉在土壤中的迁移。 “选择狗牙根来修复镉污染土壤，解决了与土壤环境适应性的问题，兼具美化环境的效果。”他们从其根际土壤中分离出了耐镉微生物—棘孢曲霉，利用其和狗牙根联合修复镉污染土壤，解决了微生物、植物、土壤共存的问题。 研究发现，通过接种棘孢曲霉，可有效降低镉对狗牙根的毒害，其草坪质量、生长速度、叶绿素含量均高于未接种处理。他们对镉含量的分析表明，狗牙根根部镉含量增大，地上部镉含量下降。这也正说明了棘孢曲霉—狗牙根联合修复镉污染土壤的效果很好，使土壤中的镉在根部富集，降低了镉在狗牙根体内的转移。 傅金民的研究开始于2011年，他们首先在镉污染地区，采集了植物样品和根际土壤样品。 回到实验室，他们开展了两方面的工作：一是对狗牙根种质资源（总共120余份，包括湖南采集的样品34份）的耐镉性进行了评价，筛选出了耐/富镉材料和敏感材料；二是对根际土壤的镉含量进行测定的同时，采用梯度浓度递增法筛选、分离、纯化了耐镉微生物——棘孢曲霉。 随后，他们立即开展了棘孢曲霉与狗牙根联合修复镉污染土壤的研究，并发现狗牙根与耐镉真菌棘孢曲霉联合修复镉污染土壤，很好地解决了目前植物—微生物联合修复中存在的弊端。 如今，傅金民等人正在开展耐镉真菌棘孢曲霉对镉污染土壤中水稻、辣椒、西红柿、玉米、拟南芥耐镉性的效果。下一步，他们的研究重点分为两个部分：一是阐明棘孢曲霉对作物耐镉性作用的机理；二是目前研究为中试阶段，需要污染区大田试验进一步验证棘孢曲霉的有效性。

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