土壤重金屬污染植物修復(fù)的研究概況

田宇哲，王 瑩，王 銳，關(guān) 旸

(1．黑龍江省普通高等學(xué)校植物生物學(xué)重點實驗室;2．哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

金屬是地質(zhì)演變過程中重要的組成成分．在人類早期的生活中已經(jīng)存在了金屬．所有生物系統(tǒng)的進化過程中，金屬都是其中重要的組成部分，這些系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了金屬的存在并演化出了相應(yīng)的代謝機制．在十九世紀末和二十世紀，隨著采礦的增加和工業(yè)活動的發(fā)展，由金屬引起的環(huán)境污染變得明顯．在大量的金屬污染地區(qū)，被分散到表層沉積物和地下水中的一些金屬為環(huán)境修復(fù)帶來了新的挑戰(zhàn)．在重金屬污染治理當中，不具生物降解能力和污泥產(chǎn)生是其兩大主要制約因素．目前，由于自然和人為原因引起的重金屬污染是一個全球關(guān)注的重要環(huán)境問題．由于重金屬的持久存在性和在食物鏈中的積累和生物放大作用，人類對其釋放后不合理的處理，對公眾健康構(gòu)成嚴重的威脅．

1 重金屬污染的來源

對重金屬元素的區(qū)分有兩個標準，若以密度4．0為準，則有密度高于4．0的重金屬元素約60種，如以密度5．0為準，則有45種．值得注意的是，砷(As)、硒(Se)雖密度小于4．0，但習(xí)慣上仍被列入重金屬污染范圍內(nèi)，這是由于其毒性及其他重要性質(zhì)與重金屬極為相似［1］．隨著當今世界經(jīng)濟全球化的飛速發(fā)展，工業(yè)化進程加速，礦物開采與金屬冶煉程度加深，重金屬污染物通過各種不同途徑進入土壤，使土壤重金屬污染的程度日益加?。谕寥乐兄亟饘?如銅、鋅和鎘)所帶來的主要問題，不同于有機污染物，它們不能被生物降解，因此，在環(huán)境中存在時間較長．自然環(huán)境中的重金屬污染可能是由于巖石風(fēng)化和火山爆發(fā)等自然過程造成的，但是也可能是人為原因造成的［2］．然而，重金屬污染的主要來源是人類造成的，如工業(yè)活動、交通、城市廢物管理不恰當、不合理的垃圾填埋和富含重金屬的化肥、農(nóng)藥的使用等［3］．人類污染的主要來源則是攝取在廢棄土壤中生長的植物，使用密集的農(nóng)場管理做法，如應(yīng)用污水污物的排放和農(nóng)藥的處理，這也造成了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)土壤的污染．雖然這些做法可以通過保護植物免受有毒病菌侵害并為他們提供快速和持續(xù)增長所必須的所有營養(yǎng)物質(zhì)來使得產(chǎn)量顯著增加，但這些方法也同樣使得土壤中的重金屬和有機污染物含量大量增加，反過來富集于植物體中．

巖石風(fēng)化和人為重金屬來源是導(dǎo)致重金屬流到土壤中的兩種類型．根據(jù)羅斯的研究［4］，重金屬污染的人為來源可分為五大類型:①開采和冶煉金屬(如砷、鎘、鉛、汞);②工業(yè)(如砷、鎘、鉻、鈷、銅、汞、鎳、鋅);③大氣沉降物(如砷、鎘、鉻、銅、鉛、汞、鈾);④農(nóng)業(yè)(如砷、鎘、銅、鉛、硒、鈾、鋅);⑤廢物處理(如砷、鎘、鉻、鉛、銅、汞、鋅)．

2 重金屬對植物的毒害

植物有自然吸收重金屬的能力，除了如鎘、鉛、汞等這類總是在任何級別的營養(yǎng)金字塔中有毒的重金屬外，還包括必須的微量重金屬元素，例如銅、鋅．然而大量的微量重金屬對于植物也是有害的．植物接觸過量的微量重金屬可能導(dǎo)致植物細胞的結(jié)構(gòu)和生理過程發(fā)生改變［5］．觀察植物重金屬中毒的早期階段，其特征之一是抑制細胞的增殖和生長［6］．這一特征也與氧化應(yīng)激的出現(xiàn)有關(guān)［7］．細胞積累活性氧(ROS)導(dǎo)致氧化爆裂，這些傷害被認為是通過若干大分子［5］(如脂類［8］和蛋白質(zhì)［9］)的氧化增加的細胞損傷．一些金屬離子，如Fe2+和Ca2+、Cu2+可能誘導(dǎo)細胞的氧化損傷，再加上通過芬頓型反應(yīng)的細胞自氧化［7］．盡管不同植物接觸鎘［10］或銅［11］離子后有誘導(dǎo)出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)的證據(jù)，但是沒有描述存在芬頓型反應(yīng)．增加重金屬后觀察到其他的細胞反應(yīng)是巰基肽代謝的變化．重金屬對植物具有毒性，主要表現(xiàn)為:①抑制葉綠素生長;②破壞蛋白質(zhì)合成;③造成金屬元素缺乏;④導(dǎo)致生物量減少．如，鉛是蛋白質(zhì)和配體的強烈反應(yīng)物，可以抑制葉綠素的合成［12］．

植物富集重金屬和其他可能的污染物的能力隨植物基因型和金屬污染物的性質(zhì)有關(guān)［13］．例如，當植物過量吸收鎘時，直接或間接的抑制植物的一些生理過程，如呼吸作用、光合作用、細胞伸長、植物水分代謝、氮代謝和礦質(zhì)營養(yǎng)，最終導(dǎo)致生長貧瘠和低生物量［13］．在對重金屬的后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)，如鎘、銅、鋅、鉛等不同金屬，較高濃度單獨或作為混合物使用時顯著降低了干物質(zhì)積累、共生和在金屬處理的砂質(zhì)粘土土壤中生長的綠豆［14］、鷹嘴豆［15］和豌豆［16］的產(chǎn)量．

3 植物修復(fù)

植物修復(fù)，也被稱之為綠色修復(fù)或植物生物修復(fù)，常用來清除環(huán)境中的污染物．植物修復(fù)所用植物可以是自然生長的，也可以是通過遺傳工程培育出來的．而植物修復(fù)的理論基礎(chǔ)，是某些植物自身或共存微生物可以忍耐并超量積累某種或某些污染物．對于治理土壤重金屬污染的工作，植物修復(fù)不失為一種重要的修復(fù)和治理途徑［17］．土壤重金屬植物修復(fù)具有成本低、不破壞土壤生態(tài)環(huán)境、造成二次污染機會較少、易為公眾所接受等優(yōu)點．尤其對于貴金屬污染土壤，采用植物修復(fù)的方法，還可以完成貴金屬的回收再利用．植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定是目前比較流行的土壤重金屬植物修復(fù)的三大途徑．

3．1 植物提取

植物提取，又稱植物萃取，這方面工作在國外開展的較早．最早由Chaney提出，植物源源不斷地從土壤中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，同時也將土壤中的污染物吸收進來．如果這種植物對重金屬的富集能力較高，那么利用這種植物的吸收和轉(zhuǎn)運功能，就可將土壤中的重金屬污染物通過根系轉(zhuǎn)移到植物的地上部分．大面積種植這種植物并對地上部分進行處理，就可使土壤中的重金屬含量顯著降低［18］．在植物提取過程中，運用最為廣泛的是超積累植物提取法．超積累植物(hyperaccumulator)，也稱超富集植物，這類植物可以顯著富集污染環(huán)境中的重金屬．相對于普通植物，超富集植物對重金屬污染的忍耐力更強，對重金屬的吸收能力和富集能力也更為理想．Brooks等人1977年最早提出了這一概念［19］．超積累植物比普通植物對重金屬的富集能力高出幾十倍到幾百倍，超積累植物的這一特點對于重金屬土壤的植物修復(fù)來說，是非常有用的．目前已發(fā)現(xiàn)的超積累植物數(shù)量已經(jīng)達到五百種左右，其中對鎳的超富集植物最多(主要是十字花科庭薺屬植物)．Baker在歐洲中西部發(fā)現(xiàn)了能富集鎘高達2130mg·kg-1(干重)的十字花科植物天藍褐菜(T．caerulescens)，它是已知的積累濃度最高且研究最深入的超富集植物之一［20］．我國開展這方面工作的時間較晚，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些植物對重金屬的超富集作用．韋秀文等［21］發(fā)現(xiàn)楊樹對鎘和汞有很好的消減和凈化功能，可以用于鎘和汞污染的土壤修復(fù)．據(jù)報道，紅根莧可富集137Cs，利用紅根莧的這一特點，可對切爾諾貝利核電站附近地區(qū)的核污染土壤進行植物修復(fù)［22］．熊愈輝通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)礦山型東南景天是一種鎘超積累植物［23］．一項對中國東南部鉛鋅礦區(qū)的調(diào)查研究顯示，礦山生態(tài)型的東南景天可在高濃度銅、鋅、鉛條件下生存，并能大量吸收轉(zhuǎn)移鋅元素，可用來修復(fù)鋅污染的土壤［24］．

3．2 植物揮發(fā)

對于土壤中的揮發(fā)性污染物，可利用植物揮發(fā)的方法來去除．植物揮發(fā)常用的植物有胡蘿卜、水稻、卷心菜、花椰菜等．這些植物可在吸收污染物后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)．氣態(tài)的污染物通過自由擴散從植物體中揮發(fā)出來轉(zhuǎn)移到大氣中．由于這種方法是將污染物轉(zhuǎn)移到大氣中，因此對環(huán)境有一定的影響．汞、硒是植物揮發(fā)法相關(guān)研究中最受關(guān)注的兩種元素，許多濕地植物可將75%的硒轉(zhuǎn)化為單質(zhì)，另外20%～25%則轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)［25］．肖鵬飛等［26］有文獻表明，硒積累植物黃芪屬可將硒轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)的二甲基二硒，而硒的非積累植物苜蓿釋放二甲基硒．印度芥菜有較高的吸收和積累硒的能力，在種植這一植物的第1年和第2年可使土壤中全硒量分別減少了48%和13%［27］．Pilon Smits 等［28］證明硒還原酶是植物揮發(fā)過程中一種重要的酶類，它能促進硒酸根通過脂膜進入根內(nèi)，促進植物對硒的吸收，從而在根際細菌協(xié)助植物還原、同化體內(nèi)硒化合物過程中發(fā)揮重要作用，同時它也是將硒酸鹽同化為有機態(tài)硒的主要限速酶．與硒還原酶作用相似的還有汞還原酶，有研究者將汞還原酶修飾基因從細菌中分離出來，并導(dǎo)入擬南芥屬植物中，達到了與硒還原酶類似的效果［29］．煙草和擬南芥等都可將不能揮發(fā)的汞化合物轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)的汞單質(zhì)［30］．

3．3 植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定作為一種固定土壤中重金屬的方式，與某些植物對重金屬污染環(huán)境的耐性是分不開的，這些耐性植物對重金屬的穩(wěn)定作用與機械穩(wěn)定過程密切相關(guān)，另據(jù)研究，吸收沉淀過程也對植物穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用．包括分解、沉淀、螯合、氧化還原等多種過程．通過一系列化學(xué)反應(yīng)，可使重金屬的毒性、生物有效性等顯著降低，從而排除在水體污染鏈和食物鏈之外．在此過程中，只是改變了土壤中的重金屬存在形態(tài)，其含量并未減少．祖艷群等［31］研究表明，植物穩(wěn)定技術(shù)對廢棄場地重金屬污染物和放射性核素污染物固定尤為重要．目前，Cottor-Howells報告施磷酸鹽可以促使鉛在Agrostis Capillaris根際土壤中形成磷氯鉛礦［32］．肖鵬飛等［26］發(fā)現(xiàn)，印度芥菜(B．juncer)的根可降低鉻污染物的毒性．Hector M．Conesa等［33］研究發(fā)現(xiàn)，鉛污染也可利用植物穩(wěn)定來治理．運用植物穩(wěn)定的修復(fù)方法很難徹底解決重金屬污染，在一定條件下污染危害可能會發(fā)生反復(fù)．

4 前景與展望

到目前為止，對于受重金屬污染的土壤，已經(jīng)進行了很多研究并取得了一些突破性的進展，例如植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定三種修復(fù)方式的應(yīng)用以及多種超富集植物的發(fā)現(xiàn)等．盡管如此，在植物修復(fù)領(lǐng)域還存在許多不盡如人意的情況:目前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物種類還不夠多，不能滿足各種環(huán)境下的治理需要;有限種類的超富集植物其生長速度較慢，治理效率較低;對超富集植物根際促生菌的研究還不夠深入，對其種類、數(shù)量、生存環(huán)境、培養(yǎng)方式、效用機理等方面的認識還比較膚淺．

重金屬污染土壤的治理涉及多種學(xué)科，是一項綜合性強、較為復(fù)雜的系統(tǒng)化工作．例如，利用基因工程的方法分離相關(guān)酶的基因并將其導(dǎo)入目標植物內(nèi)，將超富集植物的修復(fù)能力與目標植物的生長能力結(jié)合起來;利用微生物學(xué)方法培養(yǎng)根際促生菌并接種于目標植物，使根際促生菌得到更廣泛的應(yīng)用．在實際應(yīng)用過程中，如何保持重金屬、植物、土壤三者之間的平衡是植物修復(fù)的難點．由于，不同地區(qū)土壤性質(zhì)、氣象條件存在差異，污染物種類、含量也不盡相同，選用合適的超富集植物是修復(fù)工作的關(guān)鍵．許多地區(qū)遭受多重重金屬污染，土壤中含有多種重金屬，使得修復(fù)工作更加復(fù)雜和困難，這就需要科研工作者對各種重金屬、各種超富集植物及其根際促生菌的相互關(guān)系進行更深入的研究．

正如上文所說，未來的研究應(yīng)著重于運用多學(xué)科的方法和成果為植物修復(fù)開辟新的道路，例如，結(jié)合生物化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、植物生理學(xué)、土壤科學(xué)和生物工程等學(xué)科．現(xiàn)如今，已有很多方法可以用來提高植物修復(fù)重金屬污染土壤的能力，如施加螯合劑和螯合肽基因、施加植物營養(yǎng)、與基因工程技術(shù)相結(jié)合等．重金屬污染土壤的植物修復(fù)無疑為人們提供了一條嶄新的思路，是環(huán)境污染治理的一個有效手段，在未來將有廣闊的發(fā)展前景．

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