植物修復技術治理土壤重金屬污染的機制研究進展及其應用前景

黑 亮

(水利部珠江河口動力學及伴生過程調(diào)控重點實驗室，珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東廣州 510611)

重金屬元素廣泛分布于巖石、土壤、動植物組織中，通常情況下它們在正常活體組織中的濃度很低，并且能維持在一定的濃度范圍內(nèi)。隨著世界工礦業(yè)的迅速發(fā)展，由于含重金屬廢水用來灌溉農(nóng)田、全球城市化進程發(fā)展以及急劇增加的交通工具的釋放等因素，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr等重金屬進入周圍的土壤環(huán)境［1－3］。當土壤中重金屬一旦積累到一定程度，引起污染時，將直接影響土壤中生物體的重金屬離子含量而間接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡，進而通過食物鏈的傳遞危害人體健康。

目前，通過大量的生物毒性試驗，推測重金屬使生物中毒的分子機制可能是由重金屬與生物大分子相互作用而造成的。金屬離子可替換生物大分子活性點位上原有的金屬，也可結合在該分子的其他位置［4］。重金屬可以通過生物體內(nèi)氧化還原反應，產(chǎn)生自由基而導致細胞的氧化損傷;另外，重金屬還可以與活性蛋白的巰基或酶的活性中心結合，致使酶活性喪失，干擾細胞正常生理和代謝［5］。

重金屬污染土壤的生物修復技術利用生物體本身形成的適應環(huán)境機制。植物修復技術是以植物體內(nèi)可超量累積某種或某些污染物的理論為基礎，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一門近年興起的高效、廉價綠色技術。目前，這種應用技術在國內(nèi)外取得長足的進步［6－7］。然而，由于該項技術的起步時間不長，還需在基礎理論和修復機理等方面進行大量研究，才能更好地推動植物修復技術的發(fā)展，因此研究植物修復重金屬污染機制顯得更加重要。

1 利用植物修復技術治理重金屬污染土壤的機制

可修復重金屬污染土壤的植物根系可以活化土壤重金屬，并對重金屬有很強的吸收能力。其次，植物吸收的重金屬易于向地上部轉運。另外，重金屬可以在地上部分積累［8－9］。Baker［10］認為，植物對重金屬抗性的獲得可通過避性和耐性2種途徑。這2種途徑并不排斥，往往能統(tǒng)一作用于一種植物上;耐性又具備2條基本途徑，即金屬排斥性和金屬積累。耐性是指植物體內(nèi)具有某些特定的生理機制，體內(nèi)雖具有較高濃度的重金屬，卻能生存于高含量的重金屬環(huán)境中而不受傷害。因此，可通過研究植物的耐性機理來揭示植物修復的本質(zhì)。目前，重金屬污染土壤的植物修復技術可分為植物穩(wěn)定(Phytostabilization)、植物揮發(fā)(Phytovolatilization)、植物提取(Phytoextraction)3 種類型［11］。

1.1 植物穩(wěn)定 植物穩(wěn)定是利用耐重金屬植物降低土壤中有毒金屬的移動性，減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環(huán)境的可能性［12－13］。研究表明，印度芥菜(B.juncea)的根能使有毒的生物有效的Cr6+還原為低毒的、無生物有效性的Cr3+［12］;一些植物可以降低土壤中Pb的生物有效性，緩解Pb對環(huán)境中生物的毒害作用［14－15］。植物還可通過根部分泌質(zhì)子酸化土壤來溶解金屬，低pH可以使與土壤結合的金屬離子進入土壤溶液，改變污染物的化學形態(tài)。在此過程中，根際微生物也可能發(fā)揮作用，以微生物為媒介的腐殖化作用可能會提高金屬的植物可利用性［16］。

1.2 植物揮發(fā) 植物揮發(fā)是利用植物的吸收、積累和揮發(fā)而減少土壤中一些揮發(fā)性污染物，將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中［17］。汞(Hg)在環(huán)境中以多種狀態(tài)存在，其中以甲基汞對環(huán)境危害最大，且易被植物吸收。一些耐Hg毒的細菌體內(nèi)含有一種Hg還原酶，催化甲基汞和離子態(tài)Hg轉化為毒性小得多、可揮發(fā)的單質(zhì)Hg。有研究已成功地將細菌的Hg還原酶基因轉導入擬南芥(Arabidopsis thaliana)中，獲得的轉基因植物的耐Hg毒能力大大提高，而且能將從土壤中吸收的Hg還原為揮發(fā)性的單質(zhì)Hg［18］。

1.3 植物提取 植物提取(Phytoextraction)是指利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾種重金屬，并且將其轉移、貯存到地上部分，隨后收割地上部分，并且集中處理，連續(xù)種植這種植物，即可使得土壤中重金屬含量降低到可接受水平［19－20］。屬于這類研究最多的是超積累植物。超積累植物是指對重金屬元素的吸收量超過一般植物100倍以上的植物。超積累植物積累的 Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量一般在0.1%以上，積累的Mn、Zn含量一般在1%以上［21］。超積累植物修復機理研究主要是因為重金屬與植物體內(nèi)部物質(zhì)的絡合作用。小分子有機物質(zhì)、金屬螯合蛋白都能螯合重金屬，其中金屬螯合蛋白對重金屬的螯合能力遠大于GSH和檸檬酸鹽［22］。近幾年，對金屬螯合蛋白的研究有很大發(fā)展。1.3.1 金屬硫蛋白(MTs)。在動物、高等植物、真核微生物和一些原核生物中發(fā)現(xiàn)的重金屬結合肽(如 Metallothioneins，MTs)，是一類低分子質(zhì)量富含半胱氨酸(Cys)、但不含芳香族氨基酸和組氨酸的蛋白質(zhì)［23］。重金屬結合肽的巰基對重金屬的親和力大，對 Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Ag 陽離子等多種重金屬都有螯合作用。在低pH下MTs可脫掉金屬，使得50%的金屬離子發(fā)生解離的pH分別為Zn－MT，pH 3．5～4．5;Cd－MT，pH 2．5～3．5;Cu－MT 的pH 低于1。金屬硫蛋白分子中有很強的抗熱性和抵抗蛋白酶消化的能力［21］，其三級結構有α、β 2個結構域，α結構域優(yōu)先結合Cd2+和Hg2+，β 結構域優(yōu)先結合 Cu2+［25］。有研究表明，將小鼠 αα突變體的基因轉入煙草中，αα基因可在煙草中表達，提高煙草對Cd2+的耐性［26］。在動物體內(nèi)，已經(jīng)分離出MTs的2個α、β 結構域［27－28］。

1.3.2 植物螯合肽(PCs)。植物體內(nèi)另一種重要的金屬結合蛋白是1985年Grill等分離、純化得到鎘結合肽PCs，正式命名為植物螯合肽(Phytochelatin，即PC)，廣泛存在于許多單子葉植物、雙子葉植物、裸子植物，在藻類植物中也發(fā)現(xiàn)有PCs的存在［29－30］。Grill等［29］研究表明，PC 由 Glu、Cys、Gly 3種氨基酸組成，一般化學式為(γ－Glu－Cys)n－Gly(n=2～11)。同源PC［27］是指某些植物與重金屬接觸，可產(chǎn)生一系列與PC結構相似又不同的化合物。PC種類依物種和誘導的重金屬種類的不同而不同。研究表明，PCs在體外可通過巰基與大量金屬離子結合后分離出Cd、Cu、Ag的金屬絡合物。PC與Cd絡合物分子大小不同，有低分子量(LMW)和高分子量(HMW)復合物2類，在植物體行使不同的功能。LMW復合物在HMT1(Heavy metal tolerance 1)作用下從細胞質(zhì)向液泡中轉運，是Cd2+轉運形式;HMW復合物在液泡中比較穩(wěn)定，比LMW復合物對Cd2+的結合能力大，是Cd2+在液泡中積累的主要形式。Kneer等［31］運用109Cd示蹤技術研究發(fā)現(xiàn)，一系列對金屬敏感的酶如硝酸還原酶、脲酶、過氧化物酶等對PC－Cd的耐性是自由Cd2+離子的10～1 000倍。因此，植物體內(nèi)PC與Cd2+的絡合保護了酶的活性，從而保證細胞正常代謝的順利進行。植物螯合肽絡合金屬離子時將過量的金屬離子貯存于液泡中，并且將金屬離子轉運至新的合成酶［32］。

2 與重金屬抗性相關的基因

2.1 金屬硫蛋白(MTs)基因

2.1.1 生物合成。MTs是直接由基因編碼合成的。選取基因組最簡單的植物擬南芥，可按照MT基因序列相似性和與其他植物中MT基因的相關性分為4個種類。幾種MT都包括2 種基因類型(MT3 除外)，即 MT1a、MT1c、MT2a、MT2b、MT3、MT4a、MT4b［33］。玉米中具有 MT1 和 MT4 的編碼基因。重金屬處理MT基因時即可表達，先轉錄成RNA，然后由RNA翻譯成特定的蛋白質(zhì)執(zhí)行一定的解毒功能。研究表明，當用Cu2+處理擬南芥幼苗時，MT2aRNA增加，這種誘導機制已由其他MT基因證明。對一些突變體的研究也間接表明MT基因可編碼MTs蛋白。

2.1.2 環(huán)境調(diào)控。在一定的環(huán)境條件下，金屬離子可誘導MT基因的表達。在逆境條件下，如熱激、缺鐵、鋁脅迫、病毒侵染和機械傷害等，都可誘導RNA表達。激素(包括糖皮脂激素、脂高血糖素和腎上腺素等)可誘導金屬硫蛋白的合成［34］。還有一些MTRNAs表達在胚胎發(fā)育期，果實成熟期或葉片衰老期有所增加。

2.2 植物螯合肽(PCs)基因

2.2.1 生物合成。大量的生理、生化和基因試驗證明，PCs可能是以GSH為底物生物合成的產(chǎn)物。當向細胞培養(yǎng)液中加入金屬離子，PC的合成與GSH的減少相一致;向完整植株或細胞培養(yǎng)液中加入GSH合成抑制劑BSO(Buthioninesulfoximine)，它對Cd的敏感性增加和PC生物合成受抑制相吻合。對加入BSO的細胞培養(yǎng)液再添加GSH，可以增加PCs的合成和細胞耐Cd性。這表明PCs由GSH合成［33］。

2.2.2 離子調(diào)控。由于酶的活性可被金屬離子誘導，PCs的生物合成能被金屬離子激活。當在植物組織培養(yǎng)液中加入微量重金屬元素時，可以誘導產(chǎn)生少量PCs，其中Cd2+對PCs的影響最大。有研究人員用細胞培養(yǎng)試驗來研究金屬對PC 合成的誘導能力，發(fā)現(xiàn) Cd2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Sn2+、Sb3+、Te4+、W6+、Au+、Hg2+、Pb2+、Bi3+和 Se 陰離子均可誘導PCs合成。當激活劑金屬離子濃度下降如金屬離子被生成的PCs或外加的金屬螯合劑(如EDTA)螯合時，PCs合成就會停止。這可能為PCs生物合成提供自我調(diào)控機制。

3 結語

目前，我國對超積累植物的研究尚處于起步階段，亟需對全國超積累植物資源進行調(diào)查、收集和篩選，了解超積累植物在我國的分布，建立超積累植物的資源數(shù)據(jù)庫。在建立植物資源庫的基礎上，對重金屬污染土壤實施綜合生物治理措施，以此為目標進行多學科的交叉綜合，引入先進的分析儀器和技術手段深入開展超積累植物吸收重金屬的機制研究。

從長遠來看，植物修復的機理研究可為推動修復技術走向實用化奠定一定的理論基礎。利用新的更好的抵抗重金屬或降解有機毒物的基因鑒定和克隆植物品種，并且通過轉基因技術創(chuàng)造一批新的植物品種來帶動植物修復技術的巨大進步。例如，可利用轉基因技術，大量、迅速培育富集重金屬的高生物量的凈化環(huán)境的植物以及生產(chǎn)可排拒重金屬吸收的糧食、蔬菜和水果等作物。將植物耐重金屬的機理研究用于篩選重金屬超積累植物，具有重要意義。

植物修復技術是土壤重金屬治理的一種經(jīng)濟有效、去污凈化的綠色方案。通過植物修復技術，一方面可以回收金屬而保存具有潛在的經(jīng)濟價值，另一方面可以使土壤保持結構和微生物的活性。這是一種高效經(jīng)濟、環(huán)保廉價、頗具吸引力的原位修復技術。我國作為發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，土壤重金屬污染現(xiàn)狀不容樂觀［35］。這種通過綠色植物富集環(huán)境中的有害物質(zhì)并經(jīng)生物轉化而解毒的技術毋庸置疑將成為我國生態(tài)環(huán)境、植物生物學等相關學科的新的研究前沿。

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