香蒲植物對(duì)重金屬耐性的研究進(jìn)展

吳秋燕

(漳州市龍文區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，福建漳州 363000)

香蒲植物對(duì)重金屬耐性的研究進(jìn)展

吳秋燕

(漳州市龍文區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，福建漳州 363000)

在概述重金屬污染對(duì)植物的影響與植物對(duì)重金屬的耐性研究概況的基礎(chǔ)上，綜述香蒲植物對(duì)重金屬的累積和耐性特征，旨在充分挖掘香蒲植物的環(huán)保新用途，為水土重金屬污染的植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，一些植物對(duì)重金屬具有根系累積、細(xì)胞壁結(jié)合、液泡區(qū)隔化以及抗氧化等耐性機(jī)制；香蒲植物生長(zhǎng)繁殖快，生物量大，對(duì)重金屬耐性較強(qiáng)，根系累積重金屬量較大，是重金屬污染植物修復(fù)的適合物種。

香蒲；重金屬；累積；耐性

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)及其加工利用在提供礦產(chǎn)資源的同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染與生態(tài)破壞等嚴(yán)重后果。由于重金屬的生物半衰期長(zhǎng)，幾乎難以生物降解，因此水土重金屬污染可以由地球化學(xué)鏈、食物鏈進(jìn)入生物體，給礦山及其周邊地區(qū)居民的食品安全、生態(tài)安全甚至社會(huì)和諧帶來(lái)嚴(yán)重隱患，環(huán)境重金屬污染的防治也就極為重要。本文概述了重金屬污染對(duì)植物危害以及植物對(duì)重金屬耐性的研究概況，綜述了香蒲植物對(duì)重金屬的累積和耐性特征，以期為重金屬污染的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 植物對(duì)重金屬污染的生理響應(yīng)和耐性

1.1 重金屬對(duì)植物的影響

重金屬很難通過(guò)理化或生物作用降解，能在土壤與水體中富集，易被動(dòng)植物吸收，破壞生物體的正常生理活動(dòng)，并通過(guò)食物鏈生物放大，損害人類(lèi)健康。植物生理生化活動(dòng)變化與重金屬脅迫存在一定的濃度效應(yīng)，一般低濃度的重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)存在一定的促進(jìn)作用，而高濃度的重金屬則會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致植物死亡?；钚匝跏侵参镉醒醮x過(guò)程不可避免的產(chǎn)物，正常生理情況下，植物體內(nèi)活性氧可維持于有利無(wú)害的極低水平。重金屬能直接或間接地誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生與氧化脅迫，導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)的過(guò)氧化，蛋白質(zhì)、核酸等的氧化損傷。

重金屬對(duì)植物的危害首先表現(xiàn)在對(duì)根細(xì)胞膜的破壞，限制植物對(duì)其他礦質(zhì)元素的吸收?？紫樯萚1]研究發(fā)現(xiàn)，玉米幼苗葉片電導(dǎo)率和脂過(guò)氧化物丙二醛含量隨Cd脅迫濃度的增大而增大，說(shuō)明重金屬脅迫下植物葉片細(xì)胞質(zhì)膜遭到破壞，重金屬濃度越高，破壞程度越大。重金屬能夠影響植物的光合作用和呼吸作用，抑制植物的物質(zhì)代謝和能量代謝。如Cd、Pb能使水稻植株光合作用和呼吸作用下降，并均與重金屬濃度負(fù)相關(guān)[2]，可導(dǎo)致雪松聚球藻的光合放氧量幾乎為零[3]；Cu會(huì)阻礙葉綠體中光合電子傳遞和光合作用中CO2的固定等[4]。重金屬對(duì)植物光合作用的影響主要表現(xiàn)在對(duì)葉綠體的破壞，比如Hg、Cd與Pb等能顯著降低植物葉片內(nèi)葉綠體和葉綠素含量，破壞葉綠體膜的結(jié)構(gòu)，使其萎縮變形；而對(duì)呼吸作用的影響主要體現(xiàn)在對(duì)呼吸作用相關(guān)酶活性的抑制、破壞線粒體結(jié)構(gòu)，致使代謝紊亂[5]。其次重金屬還可以影響植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素代謝，如Cd能取代細(xì)胞內(nèi)Zn和Ca的結(jié)合位點(diǎn)，從而影響Zn的代謝和Ca在細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)功能，降低有關(guān)蛋白質(zhì)、氨基酸含量并可以抑制DNA和RNA的活性等[6]。重金屬對(duì)植物光合作用、呼吸作用的影響，最終能導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻，致使葉片病變枯萎，甚至導(dǎo)致植物死亡。同時(shí)，植物也能積累一定量的重金屬，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全生產(chǎn)造成巨大損失。因此，降低水體和土壤重金屬污染及其對(duì)植物的危害顯得至關(guān)重要。

1.2 植物對(duì)重金屬的耐性機(jī)制

植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中形成了相應(yīng)的重金屬耐性機(jī)制?；乇芎透H失活是植物抵御重金屬傷害的第一屏障，比如根吸收表面積的減少，根細(xì)胞壁增厚以及根際周?chē)尫硼ひ旱萚7]。植物也可以將金屬離子結(jié)合在根系的皮層組織中，而且大多數(shù)的耐性植物都可以通過(guò)根液泡對(duì)金屬離子區(qū)隔化，抑制金屬離子從根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，減緩植物葉片所受的重金屬傷害[8]。

當(dāng)根系對(duì)重金屬的固定達(dá)到極限后，金屬離子會(huì)從根系向植物地上部運(yùn)輸。植物地上部組織細(xì)胞壁也能一定程度固定重金屬，過(guò)量的重金屬會(huì)與地上部組織的細(xì)胞膜脂質(zhì)結(jié)合，使細(xì)胞膜透性增加，但液泡中的有機(jī)酸等可與進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重金屬發(fā)生螯合作用，以減緩重金屬對(duì)植物地上部細(xì)胞器的傷害[8-9]。

亞細(xì)胞分布研究結(jié)果表明，液泡區(qū)隔化在植物對(duì)重金屬的耐性、解毒及超積累中發(fā)揮重要作用，植物絡(luò)合素(Phytochelatins,PCs)、金屬硫蛋白(Metalothionenins,MTs)、有機(jī)酸、半胱氨酸及其他低分子硫醇都是重金屬的螯合劑，其中PCs和MTs的螯合作用更強(qiáng)[8-9]。同時(shí)，植物可以通過(guò)提高抗氧化系統(tǒng)（抗氧化酶和非酶抗氧化物）的功能來(lái)減緩重金屬脅迫引起的氧化傷害[1]。

2 香蒲的應(yīng)用與重金屬積累耐性研究

重金屬的超富集植物通常生物量小，生長(zhǎng)速度慢，對(duì)重金屬的吸收總量較小，從而影響其實(shí)際應(yīng)用。香蒲、楊柳等為代表的速生草本、木本植物，都是重金屬的耐性植物，因生物量相對(duì)較大，能彌補(bǔ)體內(nèi)重金屬含量相對(duì)較低的不足，近年來(lái)在歐洲與北美已應(yīng)用于重金屬污染的治理。

2.1 香蒲的綜合利用

香蒲為多年生草本植物，僅香蒲屬（Typha）一屬，在我國(guó)有11個(gè)種，東北、河北、新疆、甘肅、陜西、四川、貴州、湖北、湖南、浙江、福建、廣東、海南等地均有分布。香蒲植株高大、葉片狹長(zhǎng)、線型優(yōu)美，可作為優(yōu)良的觀賞植物，在濕地公園，商業(yè)居民小區(qū)等淺水景觀布置中都有應(yīng)用。蒲黃中的主要活性成分香蒲新苷和異鼠李素-3-O-新橙皮糖苷具有防治動(dòng)脈粥樣硬化、改善心肌微循環(huán)、增加冠脈流量、降血脂、促纖溶、抗血栓形成等作用。蒲絨呈羽絨狀，高度真空，可做保健藥枕和保暖材料。

香蒲絨纖維截面不規(guī)則，表面蠟質(zhì)覆蓋，具有疏水性，可成為良好的吸油材料。東華大學(xué)關(guān)于香蒲絨的吸油實(shí)驗(yàn)表明，香蒲絨具有非常好的吸油能力和可重復(fù)利用性，同時(shí)又有很好的生物降解性，吸油后不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，使蒲絨具有廣大的發(fā)展利用空間[10]。

香蒲為大型水生維管束植物，具有發(fā)達(dá)的通氣組織，具有良好的水質(zhì)凈化能力，能有效吸收水中的N、P物質(zhì)，改善富營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)。研究表明，每公頃香蒲每年可吸收2630kg氮、403kg磷[11]，對(duì)受污染河水中的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮及總磷等有較好的去除效果[12]。在夏季，以香蒲為主體植物的濕地對(duì)凱氏氮、氨氮的去除率達(dá)到96%以上，對(duì)總磷、COD的去除率也達(dá)94%以上[13]。香蒲對(duì)農(nóng)藥污染物也具有抗性和去除能力，寬葉香蒲對(duì)對(duì)甲基硫磷有較好的去除效果[14]。香蒲也是活性炭制備的優(yōu)質(zhì)原料。香蒲活性炭能有效吸附2，4-二氯酚（2，4-DCP）和2，4，6-三氯酚（2，4-TCP）[15]。

2.2 香蒲對(duì)重金屬污染的耐性和積累特征

香蒲是美化環(huán)境的園林景觀植物和常見(jiàn)的濕地植物，生物量較大，擁有發(fā)達(dá)的地下根莖系統(tǒng)，繁殖能力強(qiáng)，能夠迅速形成單一且密集的優(yōu)勢(shì)植物群落，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可在比較惡劣的生境中生存，并處于優(yōu)勢(shì)種群地位[16]。其生長(zhǎng)過(guò)程與新陳代謝活動(dòng)可以很好的凈化水質(zhì)，在人工濕地處理污廢水的研究中有重要地位。

香蒲不僅可以有效處理有機(jī)廢水，還可應(yīng)用于含大量重金屬的廢水處理中。香蒲對(duì)多種重金屬脅迫都表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐性和積累能力，根部重金屬積累量較大，地上部組織可也累積一定含量的重金屬。香蒲植物可以通過(guò)對(duì)土壤重金屬吸收積累及系分泌物的螯合沉淀作用來(lái)降低土壤中重金屬的移動(dòng)性，使重金屬固定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。李永麗等的研究表明，野外東方香蒲對(duì)Pb有很強(qiáng)的富集作用[17]。香蒲對(duì)水溶性的Se也有很強(qiáng)的吸附能力，尤其是須根，能在富Se土壤中旺盛生長(zhǎng)[18]。練建軍等通過(guò)短期室內(nèi)水培實(shí)驗(yàn)表明，在Mo濃度為2～20 mg/L時(shí)，香蒲對(duì)Mo的耐性和去除率均高于蘆葦，其中地上部Mo積累量大于根部[19]。在As、Cd、Pb等重度污染土壤中，東方香蒲也表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性，而且生物量較大，對(duì)重金屬有較大的積累且主要積累在根部[20]。張弛等研究表明，香蒲對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐受能力，根系是Cd的主要富集組織[21]。鄭瑛等用核素65Zn標(biāo)記物示蹤方法研究寬葉香蒲對(duì)65Zn的吸收和分布，發(fā)現(xiàn)寬葉香蒲有對(duì)Zn有較強(qiáng)的吸收能力，并且主要積累在根和地下莖中[22]，說(shuō)明不同的重金屬在香蒲中的分布有差異，但以根部積累為主。

外源物質(zhì)能對(duì)香蒲體內(nèi)重金屬的累積有一定的調(diào)節(jié)作用。趙慧等研究表明，外源NO能在一定程度上緩解Cu及Cd脅迫對(duì)狹葉香蒲幼苗造成的傷害[23]；在鉛污染的濕地環(huán)境中添加適量鐵可以提高鉛的有效性，促進(jìn)鉛在寬葉香蒲中的積累[24]。

3 結(jié)論

對(duì)重金屬具有較強(qiáng)耐性和生物量較大的植物是重金屬污染植物修復(fù)的篩選物種。本文在概述重金屬污染對(duì)植物的危害與植物對(duì)重金屬耐性研究概況的基礎(chǔ)上，綜述了重金屬耐性植物香蒲對(duì)重金屬的累積和耐性特征，主要結(jié)論如下：

（1）重金屬在植物體內(nèi)的累積能對(duì)植物生理生化活動(dòng)帶來(lái)不利影響，但一些植物具有根系累積、細(xì)胞壁結(jié)合、液泡區(qū)隔化以及抗氧化系統(tǒng)等相應(yīng)的耐性機(jī)制。

（2）香蒲植物生長(zhǎng)繁殖快，生物量大，對(duì)重金屬耐性較強(qiáng)，根系累積重金屬量較大，是重金屬污染植物修復(fù)的適合物種。

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（責(zé)任編校：馬余平）

Advance of Cattail Plant Tolerance to Heavy Metals

WU Qiu-yan
(Station of Environmental Monitoring,Longwen Distric,Zhangzhou City,Fujian Province,Zhangzhou,Fujian 363000)

Based on the introduction of damage of heavy metal pollution to plants and tolerance of plants to heavy metal contamination,this paper reviews the accumulation and tolerance of heavy metals in cattail plants to explore the new environmental application of cattail plants and offer new material and scientific basis for the phytoremediation of heavy metal contaminated water body and soil.Results indicate that several plants possess tolerance to heavy metal such as root accumulation,cell wall combination and vacuole compartment of heavy metals;cattail is a suitable plant for phytoremediation of environment contaminated by heavy metals due to its fast reproduction,big biomass,and strong tolerance to heavy metals.

Cattail;heavy metals;accumulation;tolerance

X 173

A

1672-738X(2015)04-0091-04

2015-06-18

湖南省科技廳計(jì)劃一般項(xiàng)目（2012FJ3144）；湖南省教育廳科研一般項(xiàng)目（13C1141）。

吳秋燕(1984—)，女，福建漳州人，環(huán)境科學(xué)中級(jí)環(huán)保工程師。主要研究方向：環(huán)境污染控制。