植物在重金屬污染治理中的妙用

譚紫東 韓海生|文

植物修復(fù)是一種很有潛力、正在發(fā)展的清除環(huán)境污染的綠色技術(shù)，也是一門正在崛起并涉及土壤學(xué)、植物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)、環(huán)境工程等多門學(xué)科的新興邊緣學(xué)科。植物修復(fù)與其他修復(fù)技術(shù)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，將在重金屬污染治理領(lǐng)域發(fā)揮更加神奇的作用。

隨著工業(yè)的發(fā)展，土壤和水域的重金屬污染已成為全球一個(gè)嚴(yán)峻的問題。重金屬污染具有穩(wěn)定性高、不可逆和后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，至今沒有找到理想的治理方法，而傳統(tǒng)的工程、物理和化學(xué)等手段因耗資大、易產(chǎn)生二次污染等原因限制了其在修復(fù)重金屬上的應(yīng)用。植物修復(fù)是一種很有潛力、正在發(fā)展的清除環(huán)境污染的綠色技術(shù)，也是一門正在崛起并涉及土壤學(xué)、植物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程學(xué)、環(huán)境工程等多門學(xué)科的新興邊緣學(xué)科。它具有成本低、不破壞土壤和河流生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

植物修復(fù)是利用綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化土壤和水體中的污染物，使其對(duì)環(huán)境無害。其對(duì)象是重金屬、有機(jī)物或放射性元素污染的土壤及水體。16世紀(jì)意大利植物學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)一種能在托斯卡納“黑色巖石”上生長的特殊植物Alyssum bertolonii （庭薺屬），由此開啟了重金屬修復(fù)的新篇章。1977年新西蘭地質(zhì)學(xué)家Brooks首次提出超累積植物的概念，緊接著美國農(nóng)業(yè)部提出將植物用于土壤重金屬修復(fù)。近幾十年來植物修復(fù)在重金屬污染治理中發(fā)展迅猛，并取得了較為顯著的研究進(jìn)展。

植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)主要通過四種方式實(shí)現(xiàn)：植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定或固化和根系過濾。利用超積累植物修復(fù)重金屬污染，其成功與否除了取決于植物生物量的大小，更為重要的是取決于植物從土壤中吸取金屬以及向地上部運(yùn)輸金屬的能力。主要修復(fù)機(jī)制包括：植物體中含有大量轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，例如ZIP蛋白一般由309～476個(gè)氨基酸組成，其主體分布于細(xì)胞膜中，C末端和N末端位于膜外結(jié)合重金屬離子；植物體內(nèi)普遍存在的一種重金屬脫毒機(jī)制是配體與重金屬離子的絡(luò)合，如有機(jī)酸、氨基酸和多肽等都可作為配體以不同方式與重金屬絡(luò)合并脫毒；植物也可以通過新陳代謝將重金屬離子轉(zhuǎn)換為揮發(fā)性物質(zhì)，例如利用轉(zhuǎn)基因植物將有毒的Hg（Ⅱ）吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒Hg（0）揮發(fā)出來。

世界上至今為止發(fā)現(xiàn)的超累積植物約有500余種，其對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Mn2+、Cr2+和 As等金屬體現(xiàn)出了較強(qiáng)的凈化作用。羊茅、普通蕎麥、白蓮蒿、小鱗苔草和馬藺對(duì)鉛具有極強(qiáng)的富集能力，植物體鉛濃度高達(dá)10克/千克；野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)壺瓶碎米薺在鎘的重度污染區(qū)生長良好，可以富集鎘高達(dá)38倍以上，對(duì)鎘的耐受力極強(qiáng)，金邊吊蘭、蜀葵、龍葵和羽葉鬼針草也對(duì)鎘具有較強(qiáng)的富集凈化作用；長柔毛委陵菜、圓錐南芥、葉芽阿拉伯芥和東南景天富集Zn的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超累積植物參考值，是良好的Zn污染修復(fù)植物；人參木、土荊芥、短毛蓼和福木對(duì)Mn就有良好的富集作用，其中木荷、垂序商陸效果最為顯著；國內(nèi)外報(bào)道的符合銅的超積累植物標(biāo)準(zhǔn)的植物有荸薺、海州香薷、蓖麻、鴨跖草，密毛蕨的Cu含量低于超積累植物的閥值，但其作為蕨類植物具有生長快、分布廣，且具有較強(qiáng)的Cu轉(zhuǎn)運(yùn)能力；野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的符合參考值標(biāo)準(zhǔn)的有狼尾草、李氏禾和假稻，其中狼尾草富集Cr的濃度極高，而李氏禾轉(zhuǎn)運(yùn)能力很強(qiáng)，扁穗牛鞭草Cr地上部濃度低于參考標(biāo)準(zhǔn)值，但其適生區(qū)域廣，生長快，可在Cr污染土壤修復(fù)中發(fā)揮作用；野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)了一些多金屬超積累植物，例如寶山堇菜、野茼蒿和禿瘡花，其中禿瘡花同時(shí)符合Pb、Cd、Zn 三種重金屬元素超積累植物的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對(duì)Zn，不但富集濃度高而且轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)。

為了防止重金屬通過植物吸收進(jìn)入食物鏈（網(wǎng)），實(shí)踐中篩選用以重金屬污染區(qū)生態(tài)修復(fù)的建群植物的主要為用材、工業(yè)原料與藥用、能源和景觀等四大類植物種類。例如：三球懸鈴木、刺槐、圓葉決明可以作為Cd、Pb 的修復(fù)植物廣泛種植于重金屬污染區(qū)；五加樹、紫蘇、巴西人參、圓葉決明、棕櫚、鹽膚木都是可在重金屬污染土壤生長的生態(tài)- 經(jīng)濟(jì)型植物；油菜常被用作生物能源的植物，對(duì)Cd 富集能力較強(qiáng)，可用于重金屬污染土壤修復(fù)，兼具能源價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值與修復(fù)價(jià)值；此外，薄荷、蒔蘿、羅勒能夠吸收和積累Cd、Pb、Zn、Cu等多種重金屬元素，可用于重金屬復(fù)合污染土壤。

植物修復(fù)是最為新型的綠色污染處理方式，與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比有其優(yōu)越性。首先作為一種生物修復(fù)，它的首要特點(diǎn)是投資和維護(hù)的成本低、操作簡單，不需要大量機(jī)械設(shè)備或進(jìn)行工廠建設(shè)；其次，不需要添加化學(xué)試劑，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；再次，處理過程可與城市景觀結(jié)合，有良好的生態(tài)效益；最后是可通過收割、灰化植物體提取金屬。更重要的是，它是一種原位修復(fù)，極大地降低了投入。我國的植物資源豐富，為篩選生長速度快、生物量高的超富集植物提供了條件。另外隨著分子生物技術(shù)、基因工程的發(fā)展， 將外源基因?qū)胫参矬w得到超富集植物或者具有特定可轉(zhuǎn)化重金屬的植物為植物修復(fù)提供了更大的發(fā)展空間。植物修復(fù)與其他修復(fù)技術(shù)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，將在重金屬污染治理領(lǐng)域發(fā)揮更加神奇的作用。