蕨類植物修復土壤與凈化水體的研究進展

沈羽　張開梅　方炎明

摘要：解決重金屬污染是全球化環(huán)境污染處理難題之一，利用植物進行重金屬污染的土壤修復和水體凈化正引起人們的日益關注。在介紹植物修復理論的基礎上，重點從蕨類植物角度出發(fā)，系統(tǒng)綜述了陸生蕨類植物和水生蕨類植物在土壤修復和水體凈化中的技術方法和綜合應用情況，并對植物修復的發(fā)展趨勢進行了展望，希望有助于促進該領域的深入研究。

關鍵詞：植物修復；重金屬；蕨類植物；水體凈化；土壤修復

中圖分類號： X52；X53文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0011-04

收稿日期：2013-05-23

基金項目：國家自然科學基金（編號：31200233）；中國科學院南京土壤研究所科研項目。

作者簡介：沈羽（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士，研究方向為環(huán)境生物學。Email：sheyttmax@gmail.com。

通信作者：方炎明，博士，教授，研究方向為環(huán)境生物學。E-mail：jwu4@njfu.edu.cn。20世紀50年代以來，全球化環(huán)境問題開始引起人類的關注。20世紀50—60年代，日本相繼出現(xiàn)水俁病（Hg污染）、骨痛病（Cd污染）、哮喘病（SO2和重金屬粉塵復合污染）；70年代，美國南加利福尼亞海岸發(fā)生重金屬事件，重金屬污染引起的環(huán)境問題越發(fā)嚴重。據(jù)報道，2009—2010年，我國重金屬中毒事件高達31起。針對這一問題，2011年初，國務院正式批復了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》。

重金屬主要是指原子密度大于5 g/cm3的金屬元素，包含Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ag和Sn等40余種金屬，此外，毒性相近的As、Se等類金屬元素也包括在內。重金屬是具有潛在危害性的重要污染物[1]，其在環(huán)境中所產(chǎn)生的污染效應具有隱蔽性、長期性以及不可逆性[2]，在土壤-植物大系統(tǒng)中遷移，伴隨著轉移的介質具有積累和放大作用，對環(huán)境生物產(chǎn)生更大的影響。近年來，植物專家采用藻類、苔蘚、蕨類以及種子植物[3-6]，分別對不同重金屬的單一或復合污染處理效果進行研究，篩選出了相應的重金屬富集和超富集植物[7]。

蕨類植物是植物界中的一個特殊類群，種類繁多，分布廣泛，生活周期具有明顯的世代交替，對各種極端惡劣環(huán)境適應能力強，能蓄積的污染物種類繁多，因此，在土壤修復和水體凈化中具有較高的實用價值。由于蕨類植物孢子體和配子體各自獨立生活，并且都能蓄積重金屬污染物，其修復能力的獨特性日益為人們所關注。筆者從蕨類植物角度出發(fā)，綜述了近幾年世界范圍內植物對重金屬污染修復的研究進展。

1植物修復技術的產(chǎn)生與發(fā)展

1583年，意大利植物學家Cesalpino在意大利托斯卡納發(fā)現(xiàn)“黑色的巖石”上生長的特殊植物，首次對植物修復進行了報道，1814 年，Desvaux將這種特殊的植物命名為貝托庭芥（Alyssum bertolonii）。1848年，Inguzzi 和Ergnano首次測定了貝托庭芥葉片中Ni的含量，高達7 900 μg/g[8]。植物的區(qū)域分布與土壤中某些重金屬的含量呈明顯的相關性[9-10]。礦物的埋藏有特定的地理環(huán)境和地質條件，會有特定的適生植物，通過這些植物可認定地下的礦藏，在中國古代礦藏定位中就有應用，例如：海州香薷-銅礦、紫云英-鈾礦、問荊草-金礦、車前草-鋅礦等[11]。

在重金屬污染的土壤上，大量植物物種的發(fā)現(xiàn)促進了耐金屬植物的研究，也使某些富集重金屬的植物相繼被發(fā)現(xiàn)。1977年，Brooks等提出了超富集植物的概念[12]；1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金屬污染的觀點[13]。隨后，有關耐重金屬植物與超富集植物的研究逐漸增多，使植物修復的理論得到了進一步的充實，分別產(chǎn)生植物萃?。╬hytoextraction）[14-15]、植物穩(wěn)定（phytostabilization）[16-17]、植物揮發(fā)（phytovolatilization）[18-19]、根系過濾（rhizofiltraton）[20-21]、植物輔助生物修復（plant-assisted bioremediation）[22-23]等植物修復類型。植物修復作為一種有效的重金屬污染治理技術，在工程性試驗研究和實地應用中顯示了巨大的潛力。

2蕨類植物修復技術

蕨類植物進入植物修復領域是從蜈蚣草（Pteris vittata L.）對As污染的治理探索開始的[24]，并在隨后的生理和抗性試驗中證實了蜈蚣草對As的超富集特性[25-26]。近年來，隨著科學技術的發(fā)展與研究的深入，蕨類植物在植物修復中的應用得到了更大的發(fā)展。

2.1陸生蕨類植物對土壤修復研究

蜈蚣草作為首先發(fā)現(xiàn)的超富集蕨類植物[27]，在現(xiàn)有的植物修復研究領域仍然發(fā)揮著重要的作用。在篩選耐重金屬植物和超富集植物的研究中，Koller等發(fā)現(xiàn)在不同的土壤條件下，蜈蚣草和Pteris umbrosa都具有吸附As和其他重金屬的能力[28]。陳健等通過解剖學等一系列手段，研究了蜈蚣草和波斯頓蕨（Nephrolepis exaltata）對Hg的抗性，發(fā)現(xiàn)波斯頓蕨對Hg的抗性較蜈蚣草強[29]。Roccotiello等選用Polypodium cambricum和蜈蚣草進行耐Zn蕨類植物的篩選，通過對轉移系數(shù)等多個指標的比較分析，發(fā)現(xiàn)P. cambricum具有更強的耐Zn和吸附Zn的能力[30]。

由于蜈蚣草具有較強的富集重金屬的能力[31]，有學者將其作為環(huán)境指示的一個重要標準。Chang等在Myoungbong廢棄礦點（韓國），通過選取8個樣點的蜈蚣草、毛軸假蹄蓋蕨（Deparia petersenii）、Deparia lobatocrenata和Deparia conilii，檢測其根和土壤中As、Cu、Cd、Pb、Zn含量，并使用PCR分析各樣點蕨類的親緣關系，從分子水平上佐證了蕨類植物特別是蜈蚣草對重金屬的吸附作用[32]。Kumari等在印度穆扎法爾布爾的Kanti熱力發(fā)電站附近，發(fā)現(xiàn)蜈蚣草的地上部分對Fe、Cu、Zn、Ni、Al、Cr、Pb、Si和As的累積量比地下部分高，各元素的變異系數(shù)分別為As 29.73%、Cu 12.66%、Cd 12.38%、Fe 2.95%、Ni 3.65%、Al 6.85%[33]。由此可見，蜈蚣草對于廢棄尾礦的發(fā)現(xiàn)和利用，不管是從直接的重金屬污染治理，還是從間接的土壤監(jiān)測方面都具有重要的理論意義和實用價值[34-35]。

由于蜈蚣草對砷的超富集作用，國內外學者也對其進行了抗性機理等方面的研究。鄭永強等將蜈蚣草的配子體和愈傷組織分別置于2 mmol/L Na3AsO4和3 mmol/L CuSO4中，發(fā)現(xiàn)蜈蚣草的配子體和愈傷組織中的As富集濃度分別高達763.3 mg/kg 和315.4 mg/kg，配子體對Cu的吸附量可達 7 940 mg/kg[35]。Srivastava等研究了As和Se復合污染對蜈蚣草的作用效果，發(fā)現(xiàn)Se可以作為1種抗氧化劑，抑制蜈蚣草體內的脂質過氧化反應，抑制率達26%～42%，巰基和谷胱甘肽的含量增加，Se可以激活蜈蚣草體內的保護機制，從而減輕As對蜈蚣草的毒害[36]。Sundaram等發(fā)現(xiàn)PvGRX5基因的表達能促進蜈蚣草對As的超富集，隨后將PvGRX5片段導入擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，發(fā)現(xiàn)擬南芥葉片中也有As的聚集；因此，通過定向改變基因表達，可以培育出更好的超富集植物[37]。Mathews等發(fā)現(xiàn)蜈蚣草在含高濃度As后，可以對草食性昆蟲產(chǎn)生殺傷作用，進而達到自我保護的目的[38]。張開梅等通過比較井欄邊草（P. multifida Poir.）與蜈蚣草酶的抗氧化系統(tǒng)和非抗氧化系統(tǒng)、重金屬As-Pb轉移系數(shù)和富集系數(shù)，以及重金屬區(qū)隔化分析，結果發(fā)現(xiàn)，隨著 As-Pb 濃度的升高，SOD和POD活性升高、可溶性蛋白含量下降、GSH和AsA含量增加；As主要集中分布在井欄邊草和蜈蚣草的羽葉里，而Pb屬于根部囤積型富集；細胞壁對重金屬As-Pb具有一定的沉積作用，對細胞正常的代謝起到了保護作用[39-42]。

蹄蓋蕨屬（Athyrium）植物也是一類重金屬超富集蕨類植物，如禾稈蹄蓋蕨（A. yokoscense）已被日本學者鑒定為對Cu、Zn等重金屬具有富集能力的植物[43]。有學者根據(jù)這一特性，將匍匐南芥（Arabis flagellosa）與禾稈蹄蓋蕨進行間作，并分別進行重金屬脅迫試驗，發(fā)現(xiàn)雜交群落比單一群落的植株對重金屬具有更大的吸附性能[44]。在波蘭西南部山區(qū)，有學者運用當?shù)氐腁. filix-femina根系、葉片在不同土質中對同種元素吸收的差異來衡量巖石土壤的物理化學性質[45]。華東蹄蓋蕨（A. niponicum）對Pb的富集能力較強[46]，通過Pb、As單一污染和復合污染，證實華東蹄蓋蕨具有超富集Pb和As的能力[47]。

通過對我國廣東云浮市的重金屬污染土壤修復發(fā)現(xiàn)，烏毛蕨（Blechnum orientale）和莧菜（Amaranthus mangostanus）具有耐重金屬脅迫特性，可以作為污染區(qū)植被重建的先鋒物種[48]。在西班牙馬德里西北的廢棄礦區(qū)，研究人員通過選取25種植物[包括3種蕨類植物：Equisetum ramosissimum（節(jié)節(jié)草）、Pteridium aquilinum（歐洲蕨）、Athyrium filix-femina]，對重金屬污染的土壤進行處理分析，篩選出5種耐重金屬的優(yōu)勢種，其中歐洲蕨就是其中之一[49]。在波蘭Tatra國家公園，研究人員使用Market Basket Analysis（MBA）技術，用A.distentifolium成功分析了土壤中的Ca、Cd、Cr等元素，不但驗證了MBA技術在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的巨大潛力，也說明了蕨類植物在植物修復中的重要作用[50]。

2.2水生蕨類植物對水體凈化研究

近年來，水污染問題同樣是一個世界性難題，一些科學家開始使用水生植物進行水體凈化研究[51-53]。在水生蕨類植物修復方面，主要有槐葉蘋屬（Salvinia）和滿江紅屬（Azolla）植物。

槐葉蘋（Salvinia natans）為多年生根退化型浮水性蕨類植物。2008年，Rahman等通過試驗發(fā)現(xiàn)，槐葉蘋吸附重金屬和有機物是采用不同的運輸通道[54]。Dhir等通過Freundlich方程擬合吸附和濃度曲線，以及傅里葉變換紅外光譜（FTIR）檢測槐葉蘋生物量的變化，發(fā)現(xiàn)槐葉蘋可富集Ni、Cr、Fe和Cd[55-56]。有學者通過分離萃取的手段，證實了Pb進入槐葉蘋后，可與草酸形成有機鹽，從而固定環(huán)境中的Pb，減少Pb進一步造成環(huán)境污染的可能性[57]。通過檢測槐葉蘋呼吸作用生成的有機碳與Cr含量的關系，發(fā)現(xiàn)槐葉蘋可通過降低可溶性酸性轉化酶的活性和蔗糖濃度，減輕Cr對自身所造成的傷害[58]。Estrella-Gómez等通過分析谷胱甘肽合成酶基因（GS）與GS編碼基因（SmGS），對Pb脅迫下槐葉蘋的根和葉進行比對，發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽協(xié)調Pb在槐葉蘋葉片和根系之間的平衡，抵消槐葉蘋中自由基的產(chǎn)生，削弱Pb對槐葉蘋葉片造成的不利影響有重要作用[59]。

滿江紅（Azolla imbricata）為水田或池塘1年生小型浮水草本植物，對水體重金屬有很強的富集能力。滿江紅、小葉滿江紅（A. microphylla）和蕨狀滿江紅（A. filiculoides）具有很強的吸收Cr的能力，生物富集系數(shù)分別為 528、4 617和2 997，組織中重金屬含量分別達到 9 125、14 931、12 383 μg/g[60]。在印度Singrauli工業(yè)區(qū)，研究人員在當?shù)卮嬖谥亟饘傥廴镜某靥梁秃恿髦邪l(fā)現(xiàn)A. pinnata R.Br（印度特有種），對該物種進行Hg、Cr脅迫試驗發(fā)現(xiàn)，處理13 d后，培養(yǎng)液中Hg含量下降了70%～94%，在3 mg/L含重金屬的培養(yǎng)液中，滿江紅中Cr含量可達310～740 mg/kg，因此，滿江紅可以作為水體凈化的理想植物材料[61]。

3展望

植物修復無污染、零破壞，不僅是一種綠色環(huán)保的凈化途徑，而且還具有持續(xù)時間長、價格低廉的特點。對植物修復在未來的發(fā)展應用中，筆者有以下幾點思考：

第一，關于蕨類植物修復技術的優(yōu)點和缺點。蕨類植物作為最原始的維管植物，種類繁多，分布廣泛，繁衍方式多，對各種極端惡劣環(huán)境的適應生存能力強，所蓄積的污染物種類繁多，選擇性差，因此，重視蕨類植物蓄積重金屬污染物的研究具有重要的理論意義和實用價值。但是，由于對蕨類植物的篩選、繁殖、培養(yǎng)、移栽等一系列研究尚處于起步階段，在一定程度上限制了蕨類植物作為修復材料的應用。預期未來的發(fā)展方向是蕨類植物與木本植物復合應用于修復實踐。

第二，關于超富集蕨類植物篩選。超富集植物的研究已經(jīng)有近50年的時間，發(fā)現(xiàn)了450多種超富集植物，但真正能運用到生產(chǎn)實踐中的超富集植物寥寥無幾。不是植物選擇重金屬的能力較單一，就是植物的生物量太少，繁殖周期低于生產(chǎn)實踐周期，再加上現(xiàn)在的環(huán)境破壞對當?shù)氐闹脖煌菤缧缘模恍┛梢杂脕硇迯臀廴镜闹参镞€沒有被發(fā)現(xiàn)就滅絕，這更增大了篩選超富集植物的難度。進一步篩選超富集蕨類植物，是植物修復實踐的迫切需要。

第三，關于耐受重金屬機制研究。蕨類植物作為修復材料研究還處于試驗階段，蕨類植物對重金屬富集機理和耐受重金屬的機制研究還不完善，近年來，以蜈蚣草為主的蕨類植物超富集研究，往往只是單一環(huán)境生態(tài)范疇的宏觀研究，進一步深入分子水平的研究鮮見報道。預期該領域是不久將來的研究熱點。

第四，關于修復技術開發(fā)。重金屬富集到植物體內后，現(xiàn)有的很多做法是將植物直接掩埋、焚燒或是用水泥等固定物將植物固定后儲存起來，后續(xù)工作往往是忽略的問題。簡單的處理并不能從根本上把重金屬污染問題解決，如果開發(fā)既能將富集重金屬的植株轉化為生物能源、又能安全回收重金屬的新技術，將是蕨類植物資源利用很有前景的發(fā)展方向。

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