重金屬脅迫下超富集植物修復的研究進展

王惠榆

【摘 要】植物修復是近年來發(fā)展起來的一種主要用于清除土壤重金屬污染的綠色生態(tài)技術(shù)，為重金屬污染治理提供了新途徑，具有廣闊的應用前景。本文簡要介紹了目前常用的物理、化學、生物等土壤修復方法的優(yōu)缺點；超富集植物的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、超富集植物的修復作用機理等內(nèi)容，并探討了超富集植物修復技術(shù)在修復機理、環(huán)保應用、復合修復方法及推廣應用范圍等方面的深入研究。

【關(guān)鍵詞】超富集植物；重金屬污染；研究進展

中圖分類號：X53 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0053-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.023

【Abstract】Phytoremediation is an green ecological technology devloped in recent years and used mainly for removing the heavy metal pollution in soil.And it provides a new approach for the treatment of heavy metal pollution and has broad application prospects. This paper briefly introduces the advantages and disadvantages of physical， chemical， biological and other soil restoration methods commonly used at present， the research status of Hyperaccumulators at home and abroad， the restoration mechanism of Hyperaccumulators.In-depth study of the Hyperaccumulators phytoremediation technology in the repair mechanism，environmental applications，composite repair methods，and the scope of popularization and application.

【Key words】Hyperaccumulator；Heavy metal pollution；Research progress

近年來重金屬污染日益嚴重。目前，國內(nèi)外常見的修復措施主要有工程措施、改良劑法和植物修復法等，工程措施土壤破壞性大、修復成本高，且很難大面積推廣；改良劑法雖修復周期短，但由于其未徹底去除重金屬可能會引起二次污染。在這種背景下近年來對環(huán)境擾動少、修復成本低，處理簡單徹底且能大面積推廣應用的重金屬污染植物修復技術(shù)應運而生，是近年來發(fā)展起來的一種主要用于清除土壤重金屬污染的綠色生態(tài)技術(shù)，為重金屬污染治理提供了新途徑，具有廣闊的應用前景。植物修復技術(shù)是利用重金屬超富集植物吸收去除土壤中的重金屬，即通過重復種植和收獲超富集植物將污染土壤中的重金濃度降到可接受的水平。本研究針對目前我國重金屬污染狀況日趨嚴重的現(xiàn)實，綜述了我國目前重金屬修復方面比較經(jīng)濟、綠色的植物修復法的國內(nèi)外研究進展、修復機理、篩選方法及展望等，為我國土壤、礦山等環(huán)境重金屬污染治理提供一定的理論依據(jù)和指導意義。

1 超富集植物修復概念及類型

1.1 植物修復技術(shù)的概念

植物修復（Phytoremediation）又稱為生物修復（Bioremediation）、綠色修復（Green remediation）等。植物修復是直接利用綠色植物把受污染土地或地下水中的污染物（重金屬、有機物等）移除、分解或圍堵使其對環(huán)境無害。廣義的植物修復技術(shù)包括利用植物修復土壤、空氣和水體中的有機和無機污染物。狹義的植物修復主要指利用植物修復土壤中的污染[1]。而我們通常所指的是利用超富集植物（Hyperaccumulators）的提取作用，通過重復種植和收獲超富集植物將受污染土壤中重金屬濃度降到標準限度內(nèi)[2]。

1.2 超富集植物修復的類型

根據(jù)超富集植物修復的作用過程和機理，超富集植物修復技術(shù)可以分為以下幾種類型：

（1）植物提取是利用超富集植物將土壤中的重金屬萃取、搬運至植物根部及植物地上部位。Salt等把利用超富集植物來吸收土壤重金屬并降低其含量的方法稱為持續(xù)植物提?。╟ontinuous phytoextraction），而把利用鰲合劑來促進普通植物吸收土壤重金屬的方法稱為誘導植物提取（induced phytoextraction）[3]。

（2）植物揮發(fā)是利用一些特殊植物改變土壤中重金屬形態(tài)，使其揮發(fā)至土壤和植物表面，以期減少土壤重金屬污染。

（3）植物固化是利用超富集植物降低土壤中重金屬活性，從而減少其淋溶及擴散等作用造成的二次環(huán)境污染。

（4）根系過濾是利用植物根系比表面積的吸收能力來減少水體中重金屬含量。

1.3 重金屬超富集植物的特征

通常，重金屬超富集植物的認定需要滿足以下幾個條件：（1）具有較高的吸附能力，是一種非屏障類的植物。（2）具有較強的轉(zhuǎn)移能力，且其地上部分的重金屬含量高于根系。（3）具有一定的忍耐性，在較高濃度的重金屬污染下存活，是一種能夠反映高濃度重金屬污染的指示植物。

2 超富集植物修復的研究現(xiàn)狀

植物修復是利用綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染土壤使其對環(huán)境無害。植物修復的對象是重金屬、有機物或放射性元素污染的土壤。研究表明，通過植物的吸收、揮發(fā)、降解、穩(wěn)定等作用，可以凈化土壤中的污染物，達到凈化環(huán)境的目的，因而植物修復是一種很有潛力、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、植物學、分子生物學、基因工程學、環(huán)境工程等多門學科的新興邊緣學科。它具有成本低、不破壞土壤和河流生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等特點。

在20世紀90年代以前，重金屬污染土壤修復大多數(shù)采用挖掘填埋法[4]，以及目前采用的物理化學技術(shù)，但由于以上方法會引起次生環(huán)境污染，所以目前多采用綠色植物修復技術(shù)。1998年Heaton[5]等人利用轉(zhuǎn)基因植物鹽蒿、擬南芥和煙草去除土壤中的無機Hg和甲基Hg，通過植物根系吸收Hg2+轉(zhuǎn)化成低毒的HgO，使其從植物體中揮發(fā)出來，降低水體污染。龐玉建[6]等人認為在含有高濃度鉛的營養(yǎng)液中，芥菜莖中Pb含量高達115%，說明芥菜是Pb超富集植物。東南景天（Sedum alfrediiH）是中國東南部古老礦山上所發(fā)現(xiàn)的一種吸附能力強、耐Cd毒性大的超積累植物。葉海波[7]等人2003年研究結(jié)果表明，Zn與Cd在東南景天的生長影響具有生理拮抗效應，Zn和Cd的濃度與東南景天的生長狀態(tài)呈現(xiàn)顯著地正相關(guān)。2004年丁克強[8]等人通過研究黑麥草（Loliummultiflorum Lam）發(fā)現(xiàn)，根際土壤中多酚氧化酶活性越高，其菲等多環(huán)芳烴危害越低，提高有關(guān)?？梢姼H土壤多酚氧化酶活性的提高是一條降低受污染土壤植物修復的有效途徑。肖細元[9]等人的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加適量的磷肥可以提高蜈蚣草（Ptervittata）對Se的吸收效率，可見蜈蚣草是一種很強的Se 超富集植物。此外大葉口邊草（Pteriscretical.）與蜈蚣草為同一屬植物，也是一種富Se植物[10]。彭紅云[11]等人進行大量的試驗，發(fā)現(xiàn)海州香薷（Elsholtziasplendensl.）、鴨拓草（Commelinacommunis）以及紫花香薷（Elsholtziaargyi）等對污染土壤中的Cu、Zn有超強的吸收和積累能力，所以海州香薷是原生Cu超積累植物，可用于Cu污染土壤的植物修復。

3 超富集植物修復作用機理

3.1 鰲合作用

通常，普通植物根系吸附量較大，但超富集植物恰好相反。植物能分泌某些金屬結(jié)合蛋白和某些特殊的有機酸來螯合重金屬[12]，形成大分子螯合物，從而降低土壤中重金屬濃度及其毒性。萬敏等[13]通過根際土壤小麥實驗證明植物可通過分泌有機酸來形成螯合物，從而降低土壤中鎘含量。

3.2 離子區(qū)域化作用

植物能夠?qū)⑦M入其細胞內(nèi)的重金屬離子屏蔽進入液泡內(nèi)。特別是超富集植物將吸收的重金屬離子富集在液泡、細胞壁以及葉片表皮細胞的表皮毛等部位，使其避免重金屬對葉肉細胞的直接傷害。Kramer等研究也發(fā)現(xiàn)：Ni超富集植物T.caerulescens葉片中大多數(shù)Ni貯存在細胞壁中，而其余部分主要以Ni—有機酸復合物形式貯存在液泡內(nèi)，小部分以Ni—組氨酸復合物形式存在于細胞質(zhì)中[14]。有研究表明，重金屬Cd超積累植物芥菜，其葉片表皮毛中的Cd含量明顯高于葉片組織中[15]。

3.3 植物轉(zhuǎn)移作用

與普通植物相比，超富集植物對重金屬有著更強的吸收、富集能力。Lasat等發(fā)現(xiàn)T.caerulescens根細胞質(zhì)膜上有更多的Zn2+運載位點，質(zhì)膜上高密集的鋅運載蛋白是導致鋅具較高吸收速度和吸收量的主要原因[16]。一般認為，超富集植物的超富集能力和耐性具有不同的生理機制：超富集植物的超富集能力與其根部細胞和重金屬具有較多的結(jié)合位點存在顯著關(guān)系，而其耐性則與植物細胞中的區(qū)隔化有關(guān)[17]。

4 展望

植物修復是一種低廉、綠色、環(huán)保的土壤環(huán)境污染治理方法，未來開發(fā)潛力大，具有很好的推廣前景。但植物修復需要具備生物學、環(huán)境學、土壤學、地理學、化學及計算機等多學科知識，是一門綜合性的交叉學科，因此還需要從以下方面進一步的深入研究，以實現(xiàn)土壤修復方法更好地推廣與實施：（1）加強對植物修復機理的研究。目前對植物能夠富集金屬的機理仍存在一定盲點，對其機理的研究不夠深入，需進一步引入多學科知識綜合研究。（2）提高對超富集植物的找尋和篩選。需要結(jié)合大量生物學知識，來找尋吸附能力強、耐毒性大的超富集植物。（3）實現(xiàn)多種土壤修復方法的聯(lián)動作用。將植物修復與傳統(tǒng)的化學、物理方法相結(jié)合，取長補短，發(fā)揮最大修復效應，并逐步實現(xiàn)由小范圍的礦山環(huán)境景觀修復向大田農(nóng)作物土壤修復的推廣。

【參考文獻】

[1]常青山.重金屬超富集植物的篩選及螯合吸附研究[D].福建農(nóng)林大學，2005.

[2]魏樹和，周啟星.重金屬污染土壤植物修復基本原理及強化措施探討[J]生態(tài)學雜質(zhì).2004，23（1）：65-72.

[3]Salt DE， Smith RD， Raskin IPhytoremediation Annual Review of Plant Molecular Biology. 1998，49：643-648.

[4]龍新憲，楊肖娥，倪吾鐘.重金屬污染土壤修復技術(shù)研究的現(xiàn)狀與展望[J].應用生態(tài)學報，2002，13（6）：757-762.

[5]Heaton A C P，Rugh C L，Wang N， etal. Phytorenediation of mercury-and methylmercury -polluted soil susinggge-entically engineered Plants[J]. Soil Contam.1998 7（4）：497-509.

[6]龐玉建，宗浩.重金屬超積累植物的研究進展[J].四川環(huán)境.2008，27（2）：82.

[7]葉海波，楊肖娥，等.東南景天對鋅鎘符合污染的反應極其對鋅鎘吸收積累特性的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22（5）：513-518.

[8]丁克強，駱永明.亮黑麥草對土壤中苯丙[a]芘動態(tài)變化的影響[J].土壤學報，2004，41（3）：348-353.

[9]肖細元，廖曉勇，陳同斌.砷超富集植物蜈蚣草中磷和鈣的亞細胞分布及其與耐砷毒的關(guān)系[J].環(huán)境科學學報，2006，26（6）：954-961.

[10]韋朝陽，陳同斌.大葉井口邊草——一種新發(fā)現(xiàn)的富集砷的植物[J].生態(tài)學報，2002，22（5）：777-778.

[11]彭紅云，楊肖娥.香薷植物修復銅污染突然感到研究進展[J].水土保持學報，2005，19（5）：195-199.

[12]李文一，徐衛(wèi)紅，李仰銳.重金屬污染土壤植物修復機理研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2006（4）：79-81.

[13]萬敏，周衛(wèi)，林葆.不同鎘積累類型小麥根際土壤低分子量有機酸與鎘的生物積累的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2003.9（3）：331-336.

[14]Kramer U.Pickering IJ，PRINCE RC，Raskin，I，and Salt DE.Subecllular localization and speciation of Nickdl in hyperaccumulator and non-accumulator. Thlaspi species.Plant phtsiol，2000，I22：1343-1353.

[15]楊秀敏，胡振琪，胡桂娟，等.重金屬污染土壤的植物修復作用機理及研究進展[J].金屬礦山，2008（7）：120-123.

[16]Lasat MM，Baker AJM， Kochian LV.Altered zinc compartmentation in the root symplasm and stimulated Zn absorption into the leaf as mechanisms involved in Zn hyperaccumulati-on in Thlaspi caerulescens. Plant phtsiology， 1998，118：875-883.

[17]Chaney RL，Malik M， Li YM，Brown SL，Brewer EP，Angle JS and Baker AJM，Phyporemediation of soil metals. Current Opinion in Biotechology， 1997，8：279-284.