重金屬吸附累積特殊品種研究

張文博，王彩虹

(河套學(xué)院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引言

隨著工業(yè)化進程的加快，土壤污染問題日益嚴重。重工業(yè)帶來的不只是地方財政的巨額收入，同時還有工業(yè)污染帶來的環(huán)境問題。冶金業(yè)、采礦業(yè)的快速發(fā)展使土壤問題顯現(xiàn)出來，出現(xiàn)土壤生產(chǎn)能力下降、農(nóng)產(chǎn)品污染、生態(tài)環(huán)境破壞等嚴重問題。有報道稱，中國有2 000萬公頃的農(nóng)田被重金屬污染，也就是有1/5的耕地被污染，因為重金屬污染而造成的糧食減產(chǎn)大于1 000萬噸[1]。土壤中過量的重金屬不僅會影響糧食作物生長，而且土壤中的重金屬會隨著食物鏈進入人體，并進一步富集，嚴重危害人類健康。由此引發(fā)的農(nóng)田土壤重金屬污染及糧食安全問題越來越受到人們的重視，尤其是研究人員的重視[2]。

目前，國內(nèi)外治理農(nóng)田重金屬污染的舉措(即預(yù)防糧食重金屬污染的舉措)主要有：一是物理化學(xué)方法。利用物理化學(xué)原理來實現(xiàn)去除土壤重金屬污染，效果較為顯著。缺點是需要投入大量人力和物力，可能引起二次污染。二是生物修復(fù)方法。利用生物技術(shù)來完成土壤的重金屬修復(fù)，包括微生物修復(fù)、動物修復(fù)和植物修復(fù)。此法廉價、綠色、有成效，缺點是植物生長周期長。三是利用重金屬吸附累積特殊品種法。將重金屬超累積和低累積植物應(yīng)用于預(yù)防糧食的重金屬污染。本研究從重金屬超累積和低累積植物品種的概念、可能機理、影響因素等方面進行綜述，旨在為預(yù)防糧食重金屬污染提供基礎(chǔ)參考[3-4]。

1 重金屬吸附累積特殊品種概述

1.1 重金屬超累積植物

重金屬超累積植物最原始的定義是由Brooks等人于1977年提出的，是指能夠大量吸收并在體內(nèi)累積重金屬的一類特殊植物。后來，又由Baker對重金屬超累積植物給出了具體參考值，即以植物葉片中的重金屬含量的閾值區(qū)分，Hg達到10 mg/kg、Cd達到100 mg/kg、Ni、Co、Cu、Pb、Mn達到1 000 mg/kg，Zn達到10 000 mg/kg以上。目前，使用最多的超富集植物的定義需要滿足三個條件：一是植物地上部分的重金屬含量超過此地普通植物的100倍以上；二是地上部分重金屬含量大于其地下部分；三是該植物沒有表現(xiàn)出毒害特征。利用重金屬超富集植物吸收土壤中的重金屬并轉(zhuǎn)移到地上永久去除被認為是預(yù)防糧食污染很有前景的修復(fù)農(nóng)田方法[5-7]。

1.2 重金屬的低累積植物

在重金屬污染的農(nóng)田中，通過種植低累積植物品種得到安全的食用部分來實現(xiàn)預(yù)防糧食重金屬污染。近年來，揚中藝等人提出了污染對策品種(即污染防治品種)的概念：在一定污染條件下，植物可食部分積累的重金屬量比安全食用標準低，并且此種低累積的特性是穩(wěn)定的[8]。有研究人員還提出了排異植物的概念，是指在重金屬污染土壤上可以正常生長、植物的地上部分和地下部分重金屬含量都較低的植物。對于糧食安全而言，使用污染對策品種這一概念更為嚴謹和貼切[9]。

2 植物對重金屬吸附累積的差異

2.1 植物吸附累積重金屬的差異

不同種類的植物外形與結(jié)構(gòu)差異和吸附積累重金屬的機理不同，對重金屬的吸附累積存在明顯差異，這是篩選重金屬超累積植物的前提條件[10]。有研究人員做了糧食田間試驗，在同一田地不同濃度Cd脅迫下種植小麥、水稻、大豆、玉米，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對Cd的吸附累積小麥最大，水稻大于大豆，玉米最小[11]。研究表明，綠葉蔬菜也存在重金屬吸附累積的差異。對重金屬的吸附累積而言，綠葉類蔬菜>根類蔬菜>豆類蔬菜。同一種植物不同基因型之間的重金屬吸附積累也存在一定差別，這是篩選重金屬低累積植物的前提條件。有研究者把13個油菜品種種在同一塊田地里，對其地上部分測定重金屬含量，發(fā)現(xiàn)綠葉部分Cd的含量差別很大，最高相差18倍[12]。國外研究者以14種常規(guī)水稻品種為研究對象，測定其Cr的含量，發(fā)現(xiàn)不同品種水稻之間Cr的含量有很大差異。另外，同一植物的根、莖、葉、果實對同一重金屬的吸附累積也有差異。植物代謝旺盛的部位富集重金屬較多，反則較少[13]。

2.2 重金屬進入植物體的分布

重金屬是通過植物的根系進入到植物體內(nèi)的，部分重金屬固定于植物根部，一部分重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移，兩者之間哪個占比重大，不同重金屬是有不同比例的。研究者檢測了水稻各部位Cu、Cd等重金屬含量，大小關(guān)系為根最高，莖葉次之，籽實含量最少。有研究表示，對濕地植物進行Cu、Cd、Pb等測定，發(fā)現(xiàn)根系的重金屬濃度是地上部分的5～60倍。對于有些植物而言，某些重金屬元素累積在植物的地上部分，煙草中Cd的含量高于綠葉根部[14-15]。

3 形成植物累積重金屬差異的機理

3.1 植物生理學(xué)機理

有研究表明，不同品種的硬質(zhì)小麥中，累積Cd量高的品種有機酸含量比累積Cd量低的品種高得多。對于不同品種的水稻而言，根系沉淀的鐵氧化物數(shù)量不同，使得不同品種水稻對Cd的含量不同，根系表面鐵膜數(shù)量越多，水稻含鎘量越高。植物根系的形狀、生理特性和根系的分泌物等都是植物對重金屬吸附累積的影響因素。另外，重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運和分配機制的不同也會影響其在植物體內(nèi)重金屬的含量[16]。

3.2 分子生物學(xué)機理

目前，與植物重金屬累積相關(guān)基因方面的研究主要有植物螯合素和金屬硫蛋白的解毒機制以及金屬轉(zhuǎn)運蛋白分子機制。有研究表明，絨毛草的基因中有抑制砷酸鹽吸收系統(tǒng)的基因，能有效降低As的累積，減輕毒性。已鑒定出擬南芥中有植物絡(luò)合素，它是一種小分子多肽，能夠絡(luò)合重金屬。研究人員把擬南芥中的植物絡(luò)合素轉(zhuǎn)錄到印度芥菜中，能提高印度芥菜對重金屬的耐受能力。ABC轉(zhuǎn)運蛋白具有很強的轉(zhuǎn)運能力，它有主動運輸?shù)墓δ?，能夠運輸多種機制通過生物膜。有研究表明，水稻基因組測序有45個全長ABC轉(zhuǎn)運蛋白[17-19]。

4 影響土壤中可被植物吸附累積的重金屬因素

植物只能吸附累積土壤中的一小部分重金屬，大部分的重金屬在土壤中是以難溶解或不能溶解的化合物形式存在的。植物吸附累積重金屬的量是由土壤有效態(tài)決定的。一是重金屬的濃度。通常情況下，植物所吸附累積的重金屬濃度與土壤中的重金屬濃度成正比。二是pH。研究人員發(fā)現(xiàn)，pH每增加0.5個單位，鎘的吸附量就會增加一倍，氧化還原電位降低，植物對鎘的吸附量明顯下降。三是重金屬之間的相互作用。植物對重金屬的吸附累積具有加和性和協(xié)同性，吳燕玉等人通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于苜蓿來說，Cd、As的存在使苜蓿吸收Cu和Pb的能力明顯提升[20-21]。

5 展望

對于重金屬的高累積植物和低累積植物的機理還需要進行進一步研究，深入研究植物特定的耐高濃度重金屬的生理機制有助于篩選低累積植物。對于克隆超累積植物的重金屬轉(zhuǎn)運蛋白基因和耐性相關(guān)基因進行深入研究，提高非超累積植物的吸附累積重金屬能力，對農(nóng)田土壤的修復(fù)起到了積極作用。