水體重金屬污染植物修復(fù)研究進(jìn)展

焦軼男, 朱 宏

(哈爾濱師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 哈爾濱 150025)

近年來，水體重金屬污染問題日益嚴(yán)重，已引起世界范圍廣泛關(guān)注。Cu、Cr、Co、Hg、Ge、Mn、Ni、Pb、Zn等，均是能對(duì)水體產(chǎn)生污染的重金屬[1]。在中國(guó)，地表水中主要的重金屬污染為Hg，其次是Cd、Ge和Pr，其他重金屬如Ni、Cu在中國(guó)各類地表水、飲用水中的超標(biāo)現(xiàn)象都很嚴(yán)重。根據(jù)最近幾年中國(guó)黑龍江省的一次水質(zhì)普查結(jié)果，對(duì)水體產(chǎn)生污染最為嚴(yán)重的重金屬是Cd和Hg[1]。重金屬超標(biāo)在污染環(huán)境的同時(shí)還誘發(fā)各種疾病，對(duì)人類的健康造成直接或間接的威脅。因此，尋求一種快捷、有效、徹底治理水體重金屬污染的方法迫在眉睫。水生植物尤其是藻類和一些沉水植物修復(fù)重金屬污染水體具有投資小、針對(duì)性強(qiáng)、吸附量大、污染小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于低濃度及一般方法不易去除的重金屬可以選擇性的去除，因而具有顯著而獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益。利用水生植物對(duì)水體重金屬進(jìn)行修復(fù)已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。了解水生超富集植物類型與造成水體污染的重金屬元素類型，掌握植物修復(fù)重金屬的研究方法及發(fā)展方向是進(jìn)一步研究植物修復(fù)水體重金屬污染的理論基礎(chǔ)。本文將從水生超富集植物類型、造成水體污染重金屬元素類型、植物修復(fù)重金屬研究方法3個(gè)方面進(jìn)行綜述，并對(duì)植物修復(fù)水體重金屬污染的發(fā)展前景提出展望。

1 水生超富集植物

水生植物根據(jù)其生活方式一般分為挺水植物、浮葉植物、沉水植物和漂浮植物[3]。其中挺水植物、浮葉植物、沉水植物在植物修復(fù)方面的研究均已開展并取得相應(yīng)成果，而漂浮植物的相關(guān)研究未見報(bào)道。

1.1 浮水植物

浮水植物為漂浮在水中生長(zhǎng)或根固定在水底，葉浮在水面的水生高等植物，常見浮萍、水浮蓮、睡蓮等。浮萍屬于浮萍科浮萍屬小草本浮水植物，其對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求低、生物量大、易繁殖、易加工等優(yōu)點(diǎn)，深受科研工作者重視，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于浮萍對(duì)重金屬吸附作用的研究日益增多，日漸深入。

劉俊等[4]比較研究了浮萍、滿江紅、鳳眼蓮3種植物對(duì)Pb2+的吸收效果。結(jié)果表明浮萍對(duì)Pb2+的吸收優(yōu)于其他2種植物，治理一些特別嚴(yán)重的鉛污染水體時(shí)，浮萍應(yīng)為首選。除此之外，浮萍對(duì)As、Zn、Pb、Cd、Cu、Hg的富集系數(shù)均大于1，即對(duì)這6種重金屬均產(chǎn)生了富集作用，可以對(duì)復(fù)合重金屬污染下的水體進(jìn)行修復(fù)。其吸附機(jī)制主要通過螯合和區(qū)室化作用、微生物降解、物理化學(xué)(揮發(fā)、吸附和沉降)等來耐受并吸收富集環(huán)境中的重金屬[5]。

1.2 挺水植物

挺水植物為植物的根、根莖生長(zhǎng)在水的底泥之中，莖、葉挺出水面的水生植物，分布于0～1.5 m的淺水處，其中有的種類生長(zhǎng)于潮濕的岸邊，常見有蘆、蓮、蒲草、荷花等。

徐德福等[6]以燈心草、菖蒲、茭白和美人蕉4種挺水植物為材料進(jìn)行重金屬脅迫處理，研究表明不同挺水植物在重金屬抗性方面存在差異：其中燈心草和菖蒲對(duì)鋅的抗性能力較強(qiáng)，而茭白和美人蕉較弱，并進(jìn)一步得出結(jié)論，挺水植物對(duì)鋅的抗性能力與其根表鐵氧化物膠膜含量和地上部分鐵含量有關(guān)，燈心草可作為一種工程植物用于鋅污染水體的植物修復(fù)。

練建國(guó)等[7]研究了水生蘆葦和香蒲對(duì)重金屬鉬的吸收特性，通過短期內(nèi)水培實(shí)驗(yàn)，對(duì)比考察了2種植物對(duì)重金屬鉬的耐毒性、動(dòng)態(tài)去除率、吸收過程及富集情況。結(jié)果表明：香蒲對(duì)重金屬鉬的耐毒性、去除率、富集量均高于蘆葦，是重金屬鉬廢水修復(fù)的優(yōu)良選擇。

1.3 沉水植物

沉水植物是指植物體全部位于水層下面營(yíng)固著生活的大型水生植物，這類植物的部分都可以吸收水和養(yǎng)料，葉子呈帶狀或絲狀，常見有苦草、金魚藻、黑藻等。沉水植被是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 不僅對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能有十分重要的影響, 而且可凈化污染、改善湖泊水環(huán)境質(zhì)量[8]，可有效去除水中Zn、Pb、Cd、Cu等重金屬。

薛培英等[9]研究表明，黑藻對(duì)Cu2+有強(qiáng)的吸附作用，其吸附主要通過靜電吸附、離子交換、表面基團(tuán)的共同作用，作為一種新的吸附劑，黑藻在工業(yè)廢水中Cu2+的去除方面有很好的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上，薛等[10]進(jìn)一步研究了Cu、As復(fù)合污染對(duì)黑藻生長(zhǎng)、富集能力及對(duì)超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響，結(jié)果表明黑藻具有應(yīng)用于處理低濃度銅和砷單一及符合污染水體的潛力。

另外，李國(guó)新等[11]在動(dòng)力學(xué)方面研究表明，黑藻屬輪葉黑藻對(duì)Pb有較好的吸附能力。其吸附作用主要產(chǎn)生于離子交換，Pb2+易與Ca2+和Mg2+產(chǎn)生離子交換，從而易被黑藻吸附。

2 造成水體污染重金屬元素類型

2.1 非必需重金屬

非必須重金屬由于某些原因未經(jīng)處理就被排入河流、湖泊和海洋，由于它們不能被生物降解而使得這些水體收到嚴(yán)重污染。

在污染環(huán)境中，重金屬主要指Cr、Co、Hg、Ge、Pb以及類金屬As等生物毒性顯著的重金屬元素。其來源主要是礦山、冶煉、電鍍、農(nóng)藥、油漆染料等工業(yè)。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多水生植物能較好地吸收水中的重金屬離子。例如水浮蓮、印度葵、香蒲等，其修復(fù)基本過程為，通過有機(jī)物將重金屬還原，用底泥將其吸附后轉(zhuǎn)入固相，降低重金屬的遷移，減少污染的擴(kuò)散，然后利用水生重金屬超富集植物從底泥中將重金屬提取到植物上部，人工收獲、轉(zhuǎn)移、焚燒后用于提取重金屬，循環(huán)利用[12]。

2.2 放射性重金屬元素

放射性重金屬進(jìn)入水環(huán)境后，可通過接觸或食物鏈途徑進(jìn)入人體。其不斷衰變放出射線，使人體器官失去正常的生理機(jī)能或造成組織損傷，甚至癌變。許多放射性重金屬的半衰期很長(zhǎng)，在環(huán)境中長(zhǎng)期存在，給人們消除這些重金屬造成了困難[13]。

水體中的放射性重金屬來源非常廣泛。如鈾等礦山開采、核電站的泄漏事故以及核武器的試驗(yàn)與試用等。常見的放射核素主要有U、Pu、Sr、Cs、Ra、I等。由于放射性重金屬不能通過生物降解而清除，在一定條件下它能夠從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)或通過擴(kuò)散遷移等作用使污染物濃度逐漸降低。依據(jù)植物在去除環(huán)境中放射重金屬的方式和機(jī)制，應(yīng)用于放射性重金屬水體污染的植物修復(fù)技術(shù)主要有根際過濾技術(shù)、人工濕地技術(shù)和植物固定技術(shù)[14]。

3 植物應(yīng)答重金屬污染的檢測(cè)方法

3.1 原子吸收光譜法測(cè)定植物體內(nèi)重金屬含量

目前，灰化原子吸收分光光度法是測(cè)定植物體內(nèi)重金屬含量最常用、最準(zhǔn)確的方法。原子吸收分光光度法的測(cè)量對(duì)象是呈原子狀態(tài)的金屬元素和部分非金屬元素，是由待測(cè)元素?zé)舭l(fā)出特征譜線通過供試品經(jīng)原子化產(chǎn)生原子蒸汽時(shí)，被蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子吸收，通過測(cè)定輻射光強(qiáng)度減弱的程度，求出供試品中待測(cè)元素的含量。利用此法可以準(zhǔn)確、快捷地測(cè)定植物樣品中Zn、Pb、Cd、Cu等重金屬的含量。此法干擾較小、選擇性好、回收率高是檢測(cè)植物體內(nèi)重金屬含量的優(yōu)良選擇[15]。

3.2 比色法檢測(cè)生理毒效應(yīng)

植物抗逆性涉及生理生化多方面的因素，是一種綜合情況的表現(xiàn)。通過研究不同程度重金屬污染條件下，植物的生理反應(yīng)來揭示植物抗重金屬機(jī)理與抗重金屬能力，是研究植物抗重金屬性能的基礎(chǔ)。

過氧化物酶(peroxidase，即POD)活性、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, 即SOD)活性、過氧化氫酶(catalase，即CAT)活性、可溶性糖含量、蛋白質(zhì)含量、膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde，即MDA)含量及葉綠素含量對(duì)植物抗重金屬屬性均有比較明顯的指示意義。其中SOD活性采用淡藍(lán)四唑(nitro-blue tetrazolium，即NBT)光還原法測(cè)定，POD活性采用愈傷木酚法測(cè)定，過氧化物酶活性采用紫外分光光度法測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮法，蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法，MDA含量采用硫代巴比妥酸顯色法測(cè)定，葉綠體含量采用乙醇-丙酮浸提法測(cè)定[16]。

3.3 掃描電鏡技術(shù)觀察植物體形態(tài)變化

近年來，掃描電鏡配備X 射線能譜儀EDS后發(fā)展成分析掃描電鏡, 不僅比X 射線波譜儀WDS分析速度快、靈敏度高、也可進(jìn)行定性和無標(biāo)樣定量分析。通過分析掃描電鏡，可以清晰直觀的從植物器官水平觀察到重金屬脅迫下植物體根、莖、葉形態(tài)的變化，同時(shí)應(yīng)用能譜檢測(cè)出植物體主要元素含量豐度的變化情況[17]。R.Fiala等[18]通過掃描電鏡觀察到鎘脅迫下玉米根部橫截面積增大，皮層細(xì)胞層數(shù)增多，由此得出皮層細(xì)胞的增多，加大了對(duì)重金屬鎘的貯藏能力，防治重金屬的徑向流動(dòng)速度和效率，從而減小其對(duì)地上器官的進(jìn)一步損傷。

3.4 重金屬在植物體內(nèi)分布的檢測(cè)

植物自身有一種穩(wěn)態(tài)機(jī)制稱為植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制，是植物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，它能減少植物對(duì)外界環(huán)境的依賴性，提高植物對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力[19]。在重金屬脅迫下，植物的這種穩(wěn)態(tài)機(jī)制，可將不同組織或細(xì)胞器中有毒元素的含量維持在正常水平，以減少過量毒素對(duì)植物產(chǎn)生的毒害作用，為探究植物對(duì)過量重金屬的解毒機(jī)制，近年來，不少學(xué)者圍繞超積累植物葉片中重金屬元素在細(xì)胞水平以及亞細(xì)胞水平上的分布特征進(jìn)行了大量的研究，其研究方法主要有：

3.4.1 熒光探針技術(shù)檢測(cè)植物體組織水平重金屬分布

熒光探針技術(shù)將重金屬陽(yáng)離子識(shí)別蛋白與環(huán)化的熒光蛋白相對(duì)接，構(gòu)建一種特異性熒光探針，能夠有效地與植物體內(nèi)重金屬陽(yáng)離子結(jié)合并產(chǎn)生熒光效應(yīng)，利用這一技術(shù)可有效對(duì)植物體內(nèi)重金屬分布進(jìn)行觀察，不同重金屬離子對(duì)應(yīng)不同的熒光探針，其顯示的熒光顏色也存在差異(鋅-綠色熒光，鉛-紅色熒光)具體方法參考Sinclain等和Hanikenne等的方法[20， 21]。

3.4.2 透射電子顯微鏡測(cè)定重金屬在植物體亞細(xì)胞水平的分布

透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy，TEM)，簡(jiǎn)稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2 nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍，適于觀察超微結(jié)構(gòu)，其在材料學(xué)、生物學(xué)上應(yīng)用較多[21]。目前，已有相關(guān)研究結(jié)果顯示，通過透射電鏡可以觀察到植物吸收重金屬后，植物亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化情況和重金屬在亞細(xì)胞水平上的分布狀況。Kavita Shah等[22]通過透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，100 μmol/L Cd2+和高溫共同脅迫后，水稻品種Bh-1根細(xì)胞的細(xì)胞壁出現(xiàn)輕微內(nèi)突現(xiàn)象，細(xì)胞間隙及液泡內(nèi)聚集大量鎘離子絡(luò)合物。任慧朝[21]的透射電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，濕地植物千屈菜經(jīng)過鉛脅迫后，鉛在各器官、組織和細(xì)胞中的含量顯著不均。具體來說，鉛在根中的積累量大于地上部。其中，在根部和莖部主要積累在表皮;在葉部則主要分布在表皮毛中，并逐漸富集在表皮毛尖端。

4 結(jié)論與展望

近年來，水體重金屬污染植物修復(fù)方面的研究取得了較大成就，包括不同類型水體超富集植物的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，重金屬在水體中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究等[21]。使得重金屬污染水體問題越來越多的為人們所關(guān)注和了解。

目前對(duì)重金屬污染水體的植物修復(fù)主要利用單種植物，其修復(fù)效果有限。因此，尋求多種類型植物的優(yōu)化組合修復(fù)方式來提高植物修復(fù)效率將是以后研究的重點(diǎn)。另外，利用分子生物學(xué)、基因工程學(xué)技術(shù)培育出有良好遺傳形狀、生物量大、能適應(yīng)不同水體污染的植物新品種將是今后植物修復(fù)的研究方向[23]。

值得注意的是，利用植物對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行修復(fù)，對(duì)外界環(huán)境的要求較高，空間性、季節(jié)性變化都會(huì)對(duì)植物修復(fù)的效果造成影響；由此產(chǎn)生的高效富集植物可能不是原環(huán)境中存在的，若不加以控制，外來物種迅速生長(zhǎng)將對(duì)原環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，因此，修復(fù)地點(diǎn)、修復(fù)植物的選擇及外來植物安全性是必須關(guān)注并解決的問題。

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