蜈蚣草“拔”出土壤之“毒”

土壤修复中的蜈蚣草单种模式。北京瑞美德环境修复有限公司供图

土壤污染具有隐蔽性，看不见也摸不着。此外，由于土壤环境复杂，重金属一旦进入很难出来，治理难度大、成本高。“国外的淋洗、焚烧等土壤污染治理技术，不但成本高，且在去除污染物的同时土壤中的有机质和营养物质随之流失，土壤丧失生产农产品的功能。”中科院地理科学与资源研究所研究员、环境修复研究中心主任陈同斌在接受《中国科学报》记者采访时说。

近日，“土十条”的发布使土壤污染修复成为社会各界关注的热点。对于污染耕地到底有没有行之有效的修复办法？

经过多年的研究，陈同斌带领团队，摸索出了一条适合我国国情的农田土壤污染修复技术途径，并在田间地头发挥了实际作用，为我国土壤重金属污染治理提供了科学支撑。

6月1日，在国家“十二五”科技创新成就展上，陈同斌研究团队的重金属污染土壤成套技术集应用作为环保领域代表性成果参展。“这是对前一阶段的总结，更是对后续研究提出更高的希望。”陈同斌说。

发现一种神奇的“吸毒”植物

利用某些特异植物来大量富集和移除土壤中的重金属等污染物，是当今颇受关注的植物修复技术领域。这些具有特异功能的超富集植物能够将有毒的重金属富集到地上部分，通过收获植物的地上部，便可大量去除土壤中的污染物。

到底有没有这种能够大量富集重金属的植物？怎么能够寻找到它？

陈同斌将研究目标锁定在砷，“砷是砒霜的主要成分，是所有重金属中毒性最强的物质。”

我国有色金属矿产资源丰富，砷的储量占世界范围的70%，矿山开采和冶炼都会造成砷污染。当时，国际上报道重金属超富集植物有300种，但并没有发现砷的超富集植物。

结合地球化学、气象学、生态学等多学科交叉知识，陈同斌认为，在中国南方地区极有可能存在能够大量富集砷的超富集植物。

通过两年多的大量植物采集、室内分析和盆栽试验，对2000多个矿区植物样本的砷吸收、富集和转运能力等进行筛选。1999年，“我们终于在石门雄黄矿附近等地发现了一种名为蜈蚣草的植物。”陈同斌说，蜈蚣草中最高砷含量多达10000毫克/公斤，比普通植物高出20万倍，其羽叶中的砷浓度高于根部，甚至比土壤中的砷浓度还高。

实验发现，随着蜈蚣草逐渐长大长高，羽叶中的砷浓度也越来越高，繁殖的第二代和刈割后的第二茬蜈蚣草依然保持着很强的砷富集特性，证实其砷富集功能具有明显的遗传特性。

在2000年10月“土壤修复国际会议”上，陈同斌团队介绍了这一发现。2002年2月，《砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征》一文在国内著名期刊《科学通报》以封面论文形式发表。

只是一个开始

蜈蚣草的发现是植物修复技术在中国开始蓬勃发展的开端，极大地推动了土壤修复产业的产生和发展。但这对于当时的陈同斌来说，“还只是一个开始。”

“找到了这样一种植物并不意味着就能修复砷污染土壤。如何将这种植物应用到植物修复技术还有很长的路要走。”中科院地理科学与资源研究所研究员雷梅向《中国科学报》记者表示，把重金属从土壤里“取”出来并不是一件容易的事。

遇到的第一个难题，就是如何大规模繁育蜈蚣草种苗。

蜈蚣草在中国有广泛的自然分布。一开始，包括陈同斌在内的研究者都没有意识到它的大量繁殖会是一个难点。始终上不去的存活率引起了科研人员对这个问题的重视。

由于蜈蚣草是一种古老的蕨类植物，需要依靠孢子进行繁殖。相比于种子，微米级的孢子能够储存的营养极少，因此，在很幼小的阶段，蜈蚣草就需要进行光合作用来获取营养。不同于受精过程形成的种子，孢子是无性产生的单倍体，要通过播种、萌发后形成原叶体，原叶体受精才能产生真正的两倍体蜈蚣草植株，受精过程对于水分有较为苛刻的要求。

根据这些特征，“我们在蜈蚣草育苗参数上进行了大量的研究，保证了育苗的存活率，并进一步开展大量工作来缩短育苗时间，建立了蜈蚣草的快速育苗技术。”陈同斌表示。

此外，含有高浓度砷的蜈蚣草地上部分的处理处置是另外一个难题。“针对这个问题，我们建立了超富集植物收获物安全焚烧技术。”雷梅说。

为此，团队建立了一套超富集植物安全焚烧设备，焚烧之后超富集植物收获物能够减容96%。由于砷在高温条件下很容易挥发，团队研发了在焚烧过程中添加固定剂的技术，尾气中重金属等各项指标完全达标，焚烧后的灰烬还可以提取有价金属或作为危险废物进行安全填埋。

据了解，在利用蜈蚣草进行生物质转化领域，英国Cranfield大学已经与陈同斌团队建立了合作关系，为超富集植物收获物的资源化利用提供了另外一种途径。

技术多样 效果显著

通过长期的室内研究和野外实践，陈同斌和他的团队形成了集快速育苗技术—田间管理技术—收获物安全焚烧和资源化利用技术于一体的砷污染土壤植物修复成套技术。

2001年，在国家高技术发展计划（“863”计划）、“973”前期专项和国家自然科学基金重点项目的支持下，陈同斌带领课题组在湖南郴州建立了世界上首个砷污染土壤植物修复工程示范基地。

在种植蜈蚣草1年之后，土壤的砷含量下降了10%，而收割的蜈蚣草叶片砷含量高达0.8%；3年后，土壤砷含量进一步下降了30%左右；修复5年后，土壤砷平均含量达到《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）的要求，修复后农田可以安全地种植普通农作物。

湖南郴州的试点成功为进一步展开应用研究奠定了基础。“砷污染土壤植物修复技术进一步推广到云南、广西、河南、河北和四川等全国十个地方的砷、镉污染耕地修复，总修复面积达2000多亩。”北京瑞美德环境修复有限公司总工程师刘珍贵在接受《中国科学报》记者采访时说，修复效果让人满意，得到了政府和农民的认可。

刘珍贵表示，农田修复要求技术的严格性、精确性、科学性都是非常高的。

经过近20年土壤修复领域的研发，陈同斌团队根据污染程度建立了一系列修复技术，包括植物萃取技术、活化剂强化植物萃取技术、植物阻隔技术、钝化技术以及超富集植物—经济作物间作技术。

在国家高技术研究发展计划（“863”计划）重点项目、环保部重金属专项、中科院STS计划等支持下，广西环江县人民政府和中科院地理资源所联合桂林理工大学等单位在广西环江开展成套技术示范，修复重金属污染农田1280亩，培育蜈蚣草苗40万株。每年利用蜈蚣草和东南景天修复土壤中砷、镉的效率均达到10%以上，修复4年后即可达到农田环境质量标准。利用间作修复、钝化修复和植物阻隔等修复技术使得农产品重金属含量的合格率达到95%以上，同时，间作修复使作物增产8.8%~12.9%。

据陈同斌介绍，该工程是世界上最大的植物修复工程。通过在环江县进行大量的科技研发和工程转化试点，建立了“政府引导、科技支撑、企业参与、农民实施”的土壤修复新模式，获得了环保部和多地政府的推荐。

“将来这些技术的应用前景是非常广的。”刘珍贵表示。

如何利用科技来解决农业、环境中的现实问题是老百姓、各级政府以及中科院向很多科学家提出的现实要求。

“目前的技术还不足以解决中国所有的土壤污染问题。”雷梅表示，这是一条艰难的路，“我们会继续往前推进这项技术。”

“作为科学家，看到科技成果能够以实体的形式出现在眼前是一种极其让人兴奋的体验。希望在不远的未来，能够真正地告诉大家我们完全攻克了土壤重金属污染的难题。”陈同斌说。


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