植物大戰重金屬：鎘大米危機牽出土壤污染現實

　　愈演愈烈的鎘大米危機，牽出了土地遭重金屬污染的現實。中國水稻研究所與農業部稻米及制品質量監督檢驗測試中心2010年發布的《我國稻米質量安全現狀及發展對策研究》稱，我國1/5的耕地受到了重金屬污染，其中鎘污染的耕地涉及11個省25個地區。

　　土壤重金屬污染如看不見的幽靈一般滲透進了我們的生活。這些幽靈隱藏在土壤里，它們不僅使作物減產，還沿著植物根系攀緣，侵襲進入大米、蔬菜等各種常見的農作物，最終到達人體內，并累積到了足以致病的劑量，對人類健康造成嚴重危害。

　　它們分散、范圍廣、隱蔽強，消滅它們是一項費時費力成本高的工程。經過近半個多世紀的摸索后，科學家們如今正在組建一個植物軍團，用來抵擋重金屬污染的攻擊，它們是400多種超富集植物，善于從土壤中吸收各種重金屬，對付不同類型的重金屬污染時各有所長。配備了化學強化或者微生物強化的武器之后，它們的戰斗力更加超群。

　　但是，礦山廢水、工業廢水等污染源頭如果沒有得到遏制，重金屬污染的幽靈就不會從大地上撤退，這將是一場永不停歇的戰爭，而人類和植物這一方，將永難獲勝。

　　用植物吃掉重金屬

　　植物修復技術是指利用植物的吸收、分解、揮發或固定土壤重金屬作用，降低重金屬在土壤中的含量和有效態含量，從而減小重金屬的危害性

　　中國科學院地理所研究員陳同斌曾在接受媒體采訪時稱，我國大多數城市近郊土壤受到了不同程度的污染，多地糧食、蔬菜、水果等食物中鎘、鉻、砷、鉛等重金屬含量超標或接近臨界值。

　　以各種化學狀態或化學形態存在的重金屬，在進入環境或生態系統后就會存留、積累和遷移，造成危害。而它藏在土壤中更隱蔽，污染暴露的時滯較長，容易被人們忽視，比水污染和大氣污染更危險。

　　華南理工大學副校長、工業聚集區污染控制與生態修復教育部重點實驗室主任黨志介紹，對受到重金屬污染的土地，修復的方法有很多種，主要是物理、化學和生物的方法。而實踐證明單純采用物理和化學的方法并不實用。

　　物理的方法是指某個地方的土地污染了，就把這個地方的土地拿走，換上干凈的土。這種方法工程量大、費用高昂，只對局部的企業用地污染有效，無法解決大面積的耕地污染問題。

　　化學的方法是通過改變土壤的物理化學性質，使得重金屬不能被植物吸收。“只有能溶于水的離子態和絡合態的重金屬才會被植物吸收，我們可以通過加一些化學物質比如石灰來改變土壤的PH值，讓它呈堿性。重金屬和氫氧根離子就能形成沉淀，變得不溶于水了，植物就不會吸收了。”黨志說。但是，植物根部會不斷分泌一些物質，這些分泌物大部分是酸性的，時間久了，加進土壤里面的堿就被中和掉，不能起作用。而且，也不能一直往土壤里面添加化學物質，會改變土壤的性質，作物也難以生長。

　　“化學的方法最大的問題是，無論加什么東西，重金屬仍然存在于土壤中，只是限制了它的活性，沒有把它去除。”黨志說。

　　于是，植物修復技術在諸多修復被重金屬污染土地的技術中脫穎而出，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從土壤中吸取重金屬，并將其轉移、貯存到植物的地上部分，然后收割地上部分，連續種植超積累植物即可將土壤中的重金屬降到可接受水平。

　　植物提取的核心是戰斗力超強的超富集植物。超富集植物是指能夠超量吸收重金屬并將其運送到葉片、果實等地上部位的植物。一般來說，它們在地上部分的重金屬含量能夠達到普通作物在同等條件下的100倍以上。

　　早在1848年，科學家們就發現，在一種被命名為“貝托庭芥”的植物葉片里，鎳的含量達到了7900mg/kg。不過直到1977年，生物學家布魯克斯(Robert Richard Brooks)才首次提出了“超富集植物”的概念。

　　黨志介紹，從上個世紀七十年代以后，尤其是八十年代，在美國，超級基金(super fund，污染場地管理與修復基金)開始通過這種生物的方法，對礦山污染、重金屬污染和有機物污染的土壤進行修復，有了很多成功的案例。

　　組建超富集植物軍團

　　目前很多人都在從事利用植物修復技術來進行土壤污染修復的研究，尋找更經濟更適宜的超富集植物，并探索植物―化學和植物―微生物聯合修復技術

　　隨著研究的深入，人們發現，重金屬被植物吸收以后，絕大部分都聚集在植物的根部，地上部分收割完后，重金屬仍然隨著根部的腐爛又回到了土壤中。因此，研究者們提出，超富集植物需要滿足3個條件：植物地上部分富集的重金屬達到一定的量;植物地上部分的重金屬含量應高于其根部;高重金屬含量下植物生長沒有受到明顯抑制。

　　1989年生物學家Baker等人制定了篩選超富集植物的“臨界含量”，其中鋅和錳為10000mg/kg，鎘100mg/kg，金1mg/kg，銅、鉛、鎳、鈷均為1000mg/kg。

　　目前發現的對重金屬具有超積累能力的植物有45科約400多種，其中73%為鎳的超積累植物。十字花科遏藍菜屬是一種鋅和鎘的超積累植物，是超富集植物軍團中的“作戰高手”。

　　根據研究者的實驗，遏藍菜地上部分鋅和鎘含量可分別達36000mg/kg和1140mg/kg，且地上部分鋅含量高達26000mg /kg時植物尚未表現中毒癥狀。在鎘濃度為19mg/kg的工業污染土壤種植收割天然遏藍菜6次，即可將土壤中的鎘下降至3mg/kg。

　　不過，并不是善于吸收重金屬就能夠被實際應用在重金屬土壤的修復工程中。什么樣的植物能夠獲得認可加入“超富集植物軍團”呢?科學家們有一套嚴格的篩選標準。

　　能用于污染土壤植物修復的超積累植物應具備以下幾個特性：即使在污染物濃度較低時也有較高的積累效率;能在體內積累高濃度的污染物;能同時積累多種重金屬;生長快、生物量大;抗蟲抗病能力強等等。

　　黨志介紹，目前有很多人都在從事利用植物修復技術來進行土壤污染修復的研究，尋找篩選更經濟更適宜的超富集植物，并探索植物―化學和植物―微生物聯合修復技術。

　　黨志介紹，植物種下去以后，只有離子態的和絡合態的重金屬被植物吸收了，但其他態體不被植物吸收，檢測濃度仍然很高，研究者們采取了植物― 化學強化聯合修復技術，通過添加一些化學物質，使得土壤里其他態體的重金屬轉化為活性狀態。有些微生物在生長過程中會分泌出一些生物表面活性劑，可以活化重金屬。通過篩選出這樣的微生物，或者從微生物中將產生的活性劑提取出來，投放到土壤里，就是植物―微生物聯合修復技術。

　　2011年，由黨志主持的一個名為“污染物在土壤中的環境化學行為與修復機理研究”的項目，獲得了廣東省科學技術獎自然科學類一等獎，其中一項研究就是通過種植玉米加上化學強化來修復鎘污染的土壤。

　　“西方國家人少地多，所以他們主要采用超累積的草本植物對污染土地進行集中治理，但是這條道路在我國行不通。”黨志說，我國人多地少，希望既能夠治理污染，也能給農民帶來收益。因此，他們把目光轉向玉米、向日葵、煙葉等經濟作物。

　　課題組經過2年多的反復試驗，從20多個玉米品種中篩選出來“超甜38”，該品種能夠將土壤中的重金屬元素吸收到莖和葉中。

　　黨志說，當時他們考慮了好幾種植物，其中一種是向日葵，它吸收重金屬能力也很強。還有一種是玉米，“我們找了幾十種玉米，種玉米做實驗，最后確定一種玉米，對重金屬吸收能力很強，加上化學強化機制，在白云區的蔬菜基地做了實驗，修復效果不錯。”

　　遭遇戰還是持久戰?

　　土壤修復的課題大部分是在做現在被污染土壤的修復，但是實際上如果沒有在源頭上斷絕污染，只是在末端做修復，這項工作沒有多大的意義

　　雖然植物修復技術在治理重金屬污染方面是一條經濟有效的途徑，但仍然面臨著許多待解決的問題。比如說一種植物通常只能忍耐或吸收一種或兩種重金屬元素，對土壤中其他濃度較高的重金屬則表現出某些中毒癥狀，從而限制了植物修復技術在重金屬復合污染土壤治理中的應用。

　　而且植物是活的有機體，需要有適宜的生長條件，對土壤肥力、氣候、水分、鹽度、排水與灌溉系統等自然條件有一定的要求，植物受病蟲害襲擊時會影響其修復能力。另外，植物根系一般較淺，對淺層土壤污染的修復最為有效，對深層土壤污染修復能力較差。

　　還有一個問題也在困擾著黨志這樣的研究者，“土壤修復以后，這么多的植物怎么辦呢?”黨志說，這些含有大量重金屬的植物必須把它處理掉。目前的處理方法只是燒掉，并將灰燼作為危險廢棄物去填埋。但這顯然并不是一個令人滿意的處理方法。

　　黨志認為，向重金屬污染土壤開戰，不僅僅是技術上的問題，更大程度上是社會管理的問題。“土壤修復和大氣、污水等修復有區別，比如工廠污水將河流污染了，工廠有處理這些污水的義務，大氣污染物電廠也可以自己處理。但是土壤不一樣，因為被污染的土壤都是公共的地方。”

　　“如果耕地需要讓農民出錢來修復，這絕對是不可能的。找不到誰對污染的土壤負責，最后只好政府買單。有時政府愿意，農民也不愿意，他們害怕影響生產。”黨志表示，“在現實的國情下，不要說大面積的修復，連大面積的種植都不可能實現。”

　　由于土壤污染的隱蔽性，一直以來國家對土壤重金屬污染的投入遠遠趕不上對水污染和大氣污染投入的力度。但黨志說，近些年來，國家也已經加大了對土壤污染修復的投入力度，成立了很多土壤修復的課題，他也參與了好幾個。

　　“這些課題大部分是在做現在被污染土壤的修復，但是實際上如果沒有在源頭上斷絕污染，只是在末端做修復，沒有多大的意義。”黨志研究發現，土壤中的重金屬最主要的來源還是礦山，進行源頭的治理才是治本之道。

　　他透露，包括廣州在內，全國有很大比例的耕地都是采用污水灌溉。沒有經過處理的礦山廢水、工業廢水等污水將重金屬源源不斷地灌入到土壤中。以他在白云區的蔬菜基地做的調查為例，如果再不使用污水灌溉，所種植的一些蔬菜都有可能將土壤中的重金屬吸收到低水平，土壤能得到自然的凈化。

　　“假如我們上面把礦山治理好了，我們在下面就不用做修復的工作了，就不用投那么多錢了。”黨志說，土壤、大氣、水體三種環境介質中，修復土壤的費用是最高的，而且效果最慢、最差，一旦被污染，修復將是一個長期工程。