螯合剂在重金属污染土壤修复中应用研究进展

螯合剂在重金属污染土壤修复中具有重要的作用.文章结合国内外的研究成果和最新研究进展,从螫合剂对重金属的活化效率及其影响因素、螯合剂在土壤中风险评价、生物可降解性螯合剂S,S-EDDS在化学淋洗修复和植物修复中的应用等几个方面论述了国内外螯合剂的研究现状,总结了在螯合剂应用研究中存在的问题,同时指出必须对螯合剂对重金属在土壤中的存在形态的影响以及螯合剂对矿物元素的作用,螯合剂与污染土壤组分作用的微观机理等进行深入的研究.     

壳聚糖对污染土壤中吸附态Pb（Ⅱ）的解吸作用

土壤中重金属的吸附-解吸直接影响重金属在土壤及其生态环境中的形态转化、迁移和归趋.利用螯合剂促进普通植物富集吸收土壤中重金属是一种新的土壤组合修复技术, 向污染土壤中施用螯合剂可增加土壤溶液金属的浓度和活度,有利于金属到根部而被植物吸收.通过吸附等温实验研究了壳聚糖对污染土壤中铅的解吸作用.将壳聚糖提取液加入含Pb土壤中结果表明,壳聚糖螯合剂能提高土壤中吸附态铅的解吸效率,增加解吸溶液中Pb2 的浓度.壳聚糖对污染土壤中铅的解吸作用随着壳聚糖加入量的增大而增大,用浓度为0.4 g·L-1的90%脱乙酰度壳聚糖做提取液,提取液pH＝3,提取平衡时间10 h达到最高提取率32.4%,该吸附过程遵从Langmuir等温吸附方程; 土柱淋溶实验表明壳聚糖对污染土壤中Pb2 的提取率为27.4%.研究结果为铅在环境中的迁移转化和治理技术等方面的实际应用提供有价值的参考.     

螯合剂对土壤中镉赋存形态及其生物有效性的影响

以胡萝卜作为试验植物,研究了EDTA,EGTA,DTPA和柠檬酸四种螯合剂对土壤中Cd的赋存形态及生物有效性的影响.结果表明,在碱性土壤中,加入螯合剂EDTA,EGTA和DTPA都能显著改变土壤中Cd的赋存形态,增加有效态Cd的百分比含量,改善Cd的生物有效性;但施加柠檬酸对Cd的赋存形态没有产生明显影响,各形态组成与对照组基本一致.同时,试验结果还显示,胡萝卜中Cd含量随着添加螯合剂浓度的增加先增大而后有所降低,但除柠檬酸处理组外,均明显高于对照组,表明四种螯合剂均能增强胡萝卜对Cd的吸收,且以EGTA效果最佳,EDTA和DTPA次之,柠檬酸最差.     

两种螯合剂施用对污染土壤中叶用叶叶叶Cd富集的影响

为探讨螯合剂对植物吸收重金属的影响,采用盆栽试验,研究了螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)和柠檬酸(CA)对土壤重金属Cd的有效态以及叶用红菾菜(Beta vulgaris var.cicla L)富集Cd能力的影响.结果表明:EDTA的添加比柠檬酸更显著增加了土壤重金属镉的有效态含量,同时提高了叶用红菾菜茎叶的富集系数和转运能力;施用螯合剂促进了Cd从叶用红菾菜茎叶根部向茎叶的输送,叶用红菾菜茎叶含Cd量显著增加,EDTA的作用是柠檬酸的2～3倍.     

土壤中植物有效态镉提取方法比较

通过温室盆栽试验研究了滩潮土、青紫泥田和黄泥砂田中添加镉对青菜镉吸收的影响,评价了人工螯合剂、无机盐和硝酸溶液对污染土壤中镉的浸提性及其植物有效性.结果表明,青菜地上部镉与土壤镉含量呈非线性关系.土壤pH值和碳酸钙含量是影响镉植物有效性的主要因素,青菜对镉的吸收与土壤pH呈显著负相关.在土壤镉含量相同条件下,黄泥砂田、青紫泥田、滩潮土3种土壤中青菜地上部镉含量依次降低.青菜地上部镉含量与0.43mol·L-1HNO3、0.05mol·L-1EDTA和0.01mol·L-1CaCl2提取态镉均呈显著相关(r2=0.73～0.96).笔者认为,这3种提取剂提取的土壤镉可视为植物有效态镉.     

两种螯合剂施用对污染土壤中叶用红恭菜Cd富集的影响

为探讨螯合剂对植物吸收重金属的影响,采用盆栽试验,研究了螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）和柠檬酸（CA）对土壤重金属cd的有效态以及叶用红恭菜（Beta vulgaris var．cicla L）富集Cd能力的影响。结果表明：EDTA的添加比柠檬酸更显著增加了土壤重金属镉的有效态含量,同时提高了叶用红恭菜茎叶的富集系数和转运能力;施用螯合剂促进了Cd从叶用红恭菜茎叶根部向茎叶的输送,叶用红恭菜茎叶含Cd量显著增加,EDTA的作用是柠檬酸的2～3倍。     

土霉素、镉复合污染土壤的植物-微生物强化修复效果

选用观赏性植物孔雀草(Tagetes patula)作为修复植物,对土霉素有良好降解效果的细菌(Phyllobacterium myrsinacearum)和真菌(Rhodotorula mucilaginosa)的混合菌液作为降解微生物,并辅以肥料(硫酸铵、磷酸二氢钙、氯化钾),有机酸(酒石酸、草酸、柠檬酸)和化学螯合剂(NTA和EDTA)8种强化处理,对土霉素-镉复合污染土壤进行植物微生物联合强化修复研究。结果表明,孔雀草对土壤中镉的富集量从大到小依次为硫酸铵≈氯化钾EDTA酒石酸草酸磷酸二氢钙NTA柠檬酸对照。肥料处理对于降解菌降解土霉素的效果最好,其次是有机酸处理,螯合剂处理降解效果较差。综合而言,硫酸铵肥料对镉的富集和土霉素的降解效果最佳。     

冬氨酸二丁二酸醚(AES)诱导黑麦草提取污染土壤重金属的效应

采用盆栽试验,研究新型生物可降解螯合剂冬氨酸二丁二酸醚(AES)和非降解螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)调控下黑麦草修复重金属污染土壤的效应.黑麦草于含2500 mg Pb·kg-1,500 mg Cu·kg-1,1000 mg Zn·kg-1 和15 mg Cd·kg-1 的土壤中生长45d后,分别施加5 mmol·kg-1 土的AES或EDTA.结果表明,AES和EDTA可以显著提高土壤溶液和黑麦草植株地上部Pb、Zn、Cu和Cd的浓度.EDTA对土壤中Pb的溶解能力和对黑麦草积累重金属的促进作用显著强于AES,前者处理的土壤中水提取态Pb浓度和黑麦草地上部Pb浓度分别达到了15.9 mg·kg-1 和174.1 mg·kg-1,显著高于AES处理的2.6 mg·kg-1 和44.0 mg·kg-1.但AES对黑麦草积累Zn和Cd的促进作用较EDTA明显增强,黑麦草地上部Zn浓度达到了1081.8 mg·kg-1,显著高于EDTA的776.7 mg·kg-1 和对照的389.6 mg·kg-1;地上部Cd浓度为1.57mg·kg-1,高于EDTA的1.06 mg·kg-1 和对照的0.69 mg·kg-1.与对照相比,AES和EDTA对Cu在土壤中的溶解和黑麦草植株中的积累亦有显著的促进作用,但二者处理无极显著差异.结果表明,生物可降解螯合剂AES在诱导植物修复重金属污染土壤尤其是Zn、Cd污染土壤中有很大的应用潜力,且与EDTA相比,环境风险大大降低.     

丛枝菌根-植物修复重金属污染土壤研究中的热点

随着菌根研究和植物修复技术的发展,利用丛枝菌根强化重金属污染土壤的植物修复逐渐受到人们的重视。本文系统综述了当前的几个研究热点:(1)菌根植物吸收和转运重金属的分子机制;(2)AM真菌对超富集植物重金属吸收的影响及其机制;(3)AM真菌对转基因植物重金属吸收的影响及其机制;(4)AM真菌与其他土壤生物在植物修复中的复合作用;(5)丛枝菌根与化学螯合剂在植物修复中的复合作用;(6)重金属复合污染土壤的丛枝菌根-植物修复;(7)放射性污染土壤的枝菌根-植物修复;(8)丛枝菌根-植物修复的田间试验研究。在未来的丛枝菌根-植物修复研究中,要筛选优良的宿主植物和与之高效共生的AM真菌,加强相关理论和应用基础研究,并构建高效基因工程菌。     

螯合剂和AM菌根对玉米吸收重金属及重金属化学形态的影响

通过温室根箱盆栽试验研究4种螯合剂EDTA、EDDS、AES和IDSA与AM菌根单一或联合对植物吸收重金属的影响,并通过改进的BCR三步法分析了玉米Zea mays L.菌根根际重金属的化学形态变化。AES和IDSA处理显著提高了玉米地上部重金属的吸收,对Cd、Cu的作用最为显著,Cd质量分数是对照的6.2倍和6.3倍,Cu质量分数是对照的21.8倍和7.7倍。AM＆amp;EDDS处理Cd的质量分数是EDDS处理的6.4倍,较单一AM处理增加了120.7%;AM＆amp;AES处理的Pb质量分数较之AES处理增加了71.5%,AM＆amp;IDSA较之IDSA处理亦增加了32.0%。AM＆amp;AES、AM＆amp;IDSA处理较之单一AM处理,Zn质量分数增加了134.1%和21.8%,Cu质量分数前者是后者的8.4倍和3.3倍,Pb质量分数前者是后者的11.9倍和8.7倍。添加螯合剂处理较之对照亦显著提高了玉米根部重金属的质量分数（P＆lt;0.05）,其中EDTA处理Pb质量分数是对照的5.0倍,AES和IDSA处理Cu质量分数增加了229.1%和131.0%。AM与螯合剂联合处理后,玉米根部Cd质量分数较之单一螯合剂处理降低,与地上部呈相反趋势;AM＆amp;EDDS处理较之EDDS处理,Zn质量分数增加了48.6%,AM＆amp;AES与AES处理对比亦增加了24.6%;AM＆amp;EDTA、AM＆amp;EDDS和AM＆amp;AES较之AM处理玉米根部Zn质量分数分别增加了70.0%、90.9%和51.3%,Cu质量分数前者是后者的2.6倍、1.8倍、4.0倍, Pb质量分数前者是后者的4.5倍、4.2倍和2.8倍。AM处理下根际土壤Zn、Cu、Pb结合态相对含量明显高于非根际。结果表明,新型螯合剂AES和IDSA对玉米地上部和根部重金属的吸收积累有较明显的促进作用;螯合剂和AM菌根联合提高了单一接种AM菌根或者添加螯合剂时玉米对重金属的吸收积累量,强化了植物提取的效果;AM菌根改变了根际土壤中重金属的形态,菌根的存在使得重金属的形态由松结合态向紧结合态转移,降低了重金属的生物有效性及过量重金属对宿主植物的毒害。     

植物修复土壤重金属污染中外源物质的影响机制和应用研究进展

重金属进入土壤后难以被降解,并通过食物链在生物体内富集,长此以往会导致中毒、癌症、畸形、突变,严重影响了人类生产活动及地球生态系统的稳定。植物修复技术是一种经济有效的重金属污染修复技术,其依靠超富集植物强大的自身抗性机制,从土壤中提取或稳定重金属,达到污染治理的目的。然而修复土壤重金属污染的超富集植物通常生长缓慢、生物量低,其抗性机制也会受到植物本身对重金属胁迫的阈值限制,当胁迫超过这个阈值,植物修复的效率就会大大降低甚至失去修复功能。文章在解析植物重金属相互作用机制的基础上,综述了添加外源物质对重金属毒害植物的缓解效应以及其在强化植物修复土壤重金属污染中的应用研究进展;介绍了应用外源物质调控植物吸收转运重金属的3种途径,分别为提高土壤重金属生物利用度、促进植物生长以及增强植物耐性。提出了应用外源物质作为强化植物修复措施的潜力及今后的研究方向,其未来的研究应着重于以下方面:明确外源物质的应用浓度、时期、方式与植物吸收转运重金属之间的关系;从植物内源激素及信号分子间的互作、抗逆基因表达、内生及根际微生物等不同层面上揭示外源物质对植物积累重金属的调控机理;开展外源物质与其他植物修复强化技术的联合应用研究。这些研究可为土壤重金属污染的植物修复技术及其强化措施研究提供科学依据,同时也对植物修复工程技术的发展实践具有一定的指导意义。     

丛枝菌根对土壤-植物系统中重金属迁移转化的影响

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是一类在自然和农业生态系统中广泛存在并能与多数陆生植物形成共生关系的土壤真菌,在重金属污染土壤中对宿主植物的生长及吸收累积重金属具有重要影响,因而对污染土壤的生物修复具有潜在应用价值。以重金属从根际土壤进入植物并在植物体内再分配过程为主线,介绍丛枝菌根在这一过程中对重金属环境行为,特别是根际土壤中重金属赋存形态及植物吸收重金属的影响。最后,对丛枝菌根影响植物重金属耐性机制研究前沿和菌根修复技术的应用前景进行展望。     

利用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对后茬植物的影响

采用盆栽法研究用锰超富集植物美洲商陆(Phytolacca americana)修复锰尾渣污染土壤对后茬植物大豆(Glycine max)和绿豆(Phaseolus radiatus)的影响.经美洲商陆修复锰尾渣污染土壤后,后茬植物大豆和绿豆的镉、铅、锌和锰含量降低,污染土壤的毒性减弱,有利于这2种植物生长.经美洲商陆修复2～3 a,可显著减弱污染土壤对大豆的毒性.由此可见,在经美洲商陆修复的污染土壤上栽培大豆,可以增加含氮量,促进其他植物生长,从而维持锰尾渣污染区植被持续发展.     

根系分泌物对土壤重金属活化及其机理研究进展

植物通过调节根分泌物的组成来改变根际状态以适应外界环境。在重金属胁迫下,植物根系分泌物种类和量会发生显著变化。根系分泌物可通过溶解、螯合、还原等作用活化土壤重金属,提高重金属的植物有效性,或固定和钝化重金属,降低重金属的移动性。文章就根系分泌物对土壤重金属形态、有效性及其在重金属吸附解吸中的作用,根系分泌物活化土壤重金属的影响因素等国内外研究进展作了综述,并对该领域今后的研究方向进行了探讨。     

植物吸收修复对土壤镍及其主要化学性质的影响

采用室内盆栽试验方法,研究了外源镍污染土壤的植物吸收修复对土壤镍形态和土壤主要化学性质的影响。试验用水稻土添加NiSO4·6H2O(100～1600mgkg-1)经过12周的驯化培养后,种植了镍超累积植物Alyssu mmurale,110 d后收获植物并进行了试验土壤镍的形态和主要化学性质的分析,采用再分配系数和结合强度系数对植物修复效果进行了定量分析。结果表明,根区土壤中DTPA提取态镍的数量明显减少,根区土壤DTPA-Ni与非根区土壤DTPA-Ni之比的范围在0.33～0.61之间。每盆植物提取镍量为6.61～31.18mg,植物提取量随着添加镍量增加而增加,地上部分最大镍含量达到12454.1mgkg-1。根区的再分配系数在2.17～4.19之间,而非根区的再分配系数在6.87～15.91之间,再分配系数随着镍添加量的增加而增大;根区的结合强度系数为0.84～0.39,而非根区的则为0.88～0.26,随着土壤中镍添加量的增加,结合强度系数逐渐减小。植物吸收修复后,根区土壤镍的再分配系数降低、结合强度系数增大,表明土壤镍各形态之间的稳定性增加,因此植物修复可以加快外源镍在土壤中的稳定。试验结果也表明,根区土壤中pH随着镍添加量的增加呈下降趋势、但较非根区土壤的高;根区土壤有机碳亦较非根区的高。     

螯合剂和表面活性剂辅助金福菇修复重金属污染土壤

通过温室大棚盆栽试验,研究螯合剂和表面活性剂单独或复合处理辅助金福菇修复重金属污染土壤的效果.结果表明,单独添加EDTA(乙二胺四乙酸)时,高浓度的EDTA(E2,5 mmol kg-1)使金福菇的生物量比对照降低26%,子实体Pb、Cu和Cd的浓度分别比对照提高15～88倍、0.8～3.3倍和0.5～0.6倍.单独添加表面活性剂时,各处理生物量与对照没有显著差异,且重金属浓度变化幅度没有单独添加EDTA的处理大.低浓度的表面活性剂对金福菇吸收各种重金属的影响较小,而高浓度则影响较大,但与表面活性剂及重金属种类有关.共同添加EDTA和表面活性剂时,只有当EDTA和CTAB(溴化十六烷基三甲铵)共同添加时,EC2(EDTA:CTAB=1:1)和EC3(EDTA:CTAB=2:1)的生物量显著降低,其余处理与对照差异不明显.EC3的子实体Pb和Cu浓度达到所有处理中的最大值,分别为(1 533.61±131.34)、(1 786.11±328.33)mg kg-1.EDTA和SDS(十二烷基磺酸钠)浓度比为2:1(ES3)时,子实体Cd浓度达到最大值,为(50.56±11.55)mg kg-1.此外,还分析了不同处理的重金属总积累量和富集系数.结果显示,在螯合剂和表面活性剂辅助下,金福菇修复复合重金属污染土壤具有很大的潜能.     

Phytoremediation of heavy metals: mechanisms,methods and enhancements

Polluted soil and water impact the quality of food and nutrients of human and animal biota. Soil and water are mainly polluted by effluent discharges from industries, which are broadly classified into metallic and nonmetallic pollutant-bearing effluents. In order to tackle this problem, a plant-based technology called phytoremediation is used to clean contaminated lands. Phytoremediation is based upon several processes such as phytodegradation, phytovolatilization, phytoaccumulation and phytoextraction. These methods are efficient, eco-friendly and economic. This paper reviews the methods and mechanisms involved in phytoremediation of heavy metals, and enhancement processes.     

Introducing a new metal accumulator plant and the evaluation of its ability in removing heavy metals

A field study was conducted in a dried waste pool of a lead (Pb) mine in Arak (Iran) to find the accumulator plant(s) and to evaluate the amount of metal bioaccumulation in the root and shoot portion of the naturally growing vegetation. Concentrations of heavy metals were determined both in the soil and the plants that were grown in the dried waste pool. The concentrations of total Cu, Zn, Pb, and Ni in the waste pool were found to be higher than the natural soil and the toxic levels. The results showed that six dominant vegetations, namely, Centaurea virgata, Eleagnum angustifolia, Euphorbia macroclada, Gundelia tournefortii, Reseda lutea, and Scariola orientalis accumulated heavy metals. Based on the results, it was concluded that E. macroclada belonging to Euphorbiaceae is the best Pb accumulator and also a good accumulator for Zn, Cu, and Ni. The bioaccumulation ability of E. macroclada was evaluated in experimental pots. The study showed that the amount of heavy metals in polluted soils decreased several times during two years of phytoremediation. The accumulation of metal in the root, leaves, and shoot portions of E. macroclada varied significantly, but all the concentrations were within the toxic limits. Based on the obtained data, E. macroclada is an effective accumulator plant for soil detoxification and phytoremediation in critical conditions.     

Role of plant growth promoting rhizobacteria in the remediation of metal contaminated soils

Pollution of the biosphere by the toxic metals is a global threat that has accelerated dramatically since the beginning of industrial revolution. The primary source of this pollution includes the industrial operations such as mining, smelting, metal forging, combustion of fossil fuels and sewage sludge application in agronomic practices. The metals released from these sources accumulate in soil and in turn, adversely affect the microbial population density and physico-chemical properties of soils, leading to the loss of soil fertility and yield of crops. The heavy metals in general cannot be biologically degraded to more or less toxic products and hence, persist in the environment. Conventional methods used for metal detoxification produce large quantities of toxic products and are cost-effective. The advent of bioremediation technology has provided an alternative to conventional methods for remediating the metal-poisoned soils. In metal-contaminated soils, the natural role of metal-tolerant plant growth promoting rhizobacteria in maintaining soil fertility is more important than in conventional agriculture, where greater use of agrochemicals minimize their significance. Besides their role in metal detoxification/removal, rhizobacteria also promote the growth of plants by other mechanisms such as production of growth promoting substances and siderophores. Phytoremediation is another emerging low-cost in situ technology employed to remove pollutants from the contaminated soils. The efficiency of phytoremediation can be enhanced by the judicious and careful application of appropriate heavy-metal tolerant, plant growth promoting rhizobacteria including symbiotic nitrogen-fixing organisms. This review presents the results of studies on the recent developments in the utilization of plant growth promoting rhizobacteria for direct application in soils contaminated with heavy metals under a wide range of agro-ecological conditions with a view to restore contaminated soils and consequently, promote crop productivity in metal-polluted soils across the globe and their significance in phytoremediation.