重金屬污染土壤植物修復(fù)研究

劉愛中

（湖南人文科技學(xué)院農(nóng)生院，湖南 婁底 417000）

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)尤其是采礦業(yè)的大力發(fā)展，土壤重金屬污染日漸嚴(yán)重，已引起人們高度關(guān)注。土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性和持久性的特點(diǎn)，且重金屬還會(huì)通過食物鏈危害人體健康。目前，治理土壤重金屬污染的方法有物理法、化學(xué)法和生物法。前兩種方法雖然技術(shù)較為成熟，但由于成本高，操作復(fù)雜，且對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和微生物區(qū)系容易產(chǎn)生破壞，在大規(guī)模的土壤重金屬污染治理中實(shí)際應(yīng)用價(jià)值小。生物修復(fù)包括微生物修復(fù)和植物修復(fù)。吸附重金屬和轉(zhuǎn)化重金屬是微生物修復(fù)的主要方式，因此，微生物修復(fù)并沒有將重金屬從土壤中去除。植物修復(fù)是一種原位治理技術(shù)，以其獨(dú)有的成本低、操作簡單、對(duì)土壤擾動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外污染修復(fù)研究的熱點(diǎn)[1]。

利用植物治理重金屬污染土壤的設(shè)想是美國學(xué)者Chaney等于1983 年首次提出的。此后，植物修復(fù)技術(shù)逐漸成為重金屬污染治理的研究重點(diǎn)，并逐步走向商業(yè)化。在北美和歐洲地區(qū)，重金屬污染土壤植物修復(fù)能帶來40 億美元的市場年均價(jià)值。植物修復(fù)是一門環(huán)境污染治理技術(shù)，它以植物耐受和富集某種或某幾種化學(xué)元素為前提，利用植物及微生物共存體系使環(huán)境中污染物得到有效清除。植物不僅可以改變污染物中元素的形態(tài)和有效性，還可以累積、穩(wěn)定和轉(zhuǎn)移污染物，因而植物修復(fù)是一條解決土壤污染的根本途徑。重金屬污染土壤的植物修復(fù)就是利用具有重金屬耐性和富集特性的植物，降解、轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定、吸收和提取土壤中的重金屬，通過植物及其根際微生物共存體系，改變土壤重金屬的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，降低土壤中重金屬的濃度，使受重金屬污染的土壤部分恢復(fù)到原初狀態(tài)，有效達(dá)到修復(fù)重金屬污染土壤的目的。

1.植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法

植物修復(fù)重金屬污染土壤是利用植物的吸收和代謝功能，將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化、吸收、穩(wěn)定或提取的過程。由于重金屬的理化性質(zhì)各異，植物的新陳代謝也不盡相同，植物修復(fù)有多種特點(diǎn)和功能，但總體上可分為植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和根際過濾4 大類。

植物提?。褐参锾崛∽鳛槟壳爸参镄迯?fù)諸多方法中研究最熱、發(fā)展前途最大的技術(shù)，是利用植物特別是其地上部富集重金屬能力強(qiáng)的特性，通過植物吸收土壤中的重金屬并將其轉(zhuǎn)移至地上部分貯存，收獲植物地上部分并對(duì)其進(jìn)行處理，從而減輕重金屬對(duì)土壤的污染。研究表明Thlaspi caerulescens 對(duì)土壤Zn 的去除效率分別是蘿卜的79 倍、油菜的146 倍[2]。植物提取技術(shù)的前提是篩選出來的植物必須既能耐受重金屬又能大量富集重金屬。因此，超富集植物的尋找和篩選是植物提取技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

植物揮發(fā)：有些植物對(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸收、運(yùn)輸和揮發(fā)能力。植物揮發(fā)是利用這些植物將土壤中的揮發(fā)性重金屬吸收到植物根系，然后將其運(yùn)輸至地上部，再將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式，最后通過葉片等部位釋放到大氣中，從而減輕揮發(fā)性重金屬對(duì)土壤的污染。這一修復(fù)途徑只適用于揮發(fā)性重金屬（比如汞、硒等），而且將重金屬釋放轉(zhuǎn)移到大氣中存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因而植物揮發(fā)技術(shù)有較大的局限性。

植物穩(wěn)定：植物穩(wěn)定是利用植物根部對(duì)重金屬的耐性和富集特性，通過植物根系累積和固持土壤中的重金屬以及根系分泌物，改變土壤重金屬形態(tài)，降低重金屬的移動(dòng)性和毒性。植物分泌物可將Cr6+還原為Cr3+，從而降低Cr 的毒性。植物穩(wěn)定有兩種主要功能，一方面通過植被恢復(fù)保護(hù)受污染的土壤免受風(fēng)沙塵暴侵襲，減少水土流失和土壤滲漏，防止重金屬的淋移和擴(kuò)散；另一方面通過根系對(duì)重金屬的吸附固持和累積沉淀以及根系分泌物對(duì)重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化，降低重金屬的生物有效性，減少重金屬的遷移。這種方法只是將重金屬穩(wěn)定在植物根系，但不能永久去除重金屬。

根際過濾：根際過濾是指植物借助根系的吸收和根表面的過濾，從重金屬污染的水體或濕地中吸收、累積和沉淀重金屬，減輕重金屬對(duì)水體或濕地的污染。水體和濕地重金屬污染植物修復(fù)的主要途徑是根際過濾。用于根際過濾的植物通常根系發(fā)達(dá)、表面積巨大（如寬葉香蒲和印度芥菜等），對(duì)重金屬的吸附能力強(qiáng)、過濾效果好。蘆葦和寬葉香蒲可有效清除濕地中的Zn、Cd 和Pb，水體中的水葫蘆和浮萍對(duì)Cu、Se 和Cd 有很好的去除效果。

2.重金屬污染植物修復(fù)機(jī)理

植物對(duì)重金屬的抗性機(jī)理：有些植物體內(nèi)具備防御系統(tǒng)，能夠抵抗逆境的危害，比如重金屬毒害，這些即使在很高的重金屬含量環(huán)境中也能夠生長并完成生活史。植物可通過避性和耐性兩種途徑獲得對(duì)重金屬的抗性，且同一植物中兩種途徑往往能協(xié)同作用。

限制重金屬的跨膜吸收：植物可通過限制重金屬的跨膜運(yùn)輸以減小植物對(duì)重金屬的吸收。細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境的分界面，環(huán)境中的重金屬離子通過細(xì)胞跨膜運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，重金屬能否運(yùn)輸入植物細(xì)胞內(nèi)以及輸入的數(shù)量主要取決于細(xì)胞膜的透性，而決定細(xì)胞膜透性大小的主要因素是細(xì)胞膜的組成結(jié)構(gòu)。也就是說，細(xì)胞膜的組成結(jié)構(gòu)決定重金屬能否進(jìn)入細(xì)胞。因而，細(xì)胞膜的不同組成結(jié)構(gòu)和變化能力的大小導(dǎo)致植物重金屬抗性產(chǎn)生差異。

對(duì)重金屬的排斥：植物主要通過排泄和組織脫落兩條途徑對(duì)重金屬進(jìn)行排斥，如分泌脫落酸促進(jìn)重金屬毒害較重的葉片脫落或加速老葉的脫落。植物原生質(zhì)膜能主動(dòng)將重金屬排出體外。植物吸收重金屬后，再將其排出體外達(dá)到解毒目的。

體外絡(luò)合：植物根系分泌物可使土壤重金屬的形態(tài)發(fā)生改變，使重金屬的生物有效性降低，重金屬對(duì)植物的毒害減輕。根系分泌物能與土壤重金屬離子形成金屬螯合物，降低重金屬的生物活性和移動(dòng)能力。另外，根系分泌物能包埋吸附重金屬從而將其在植物根外沉淀，根系分泌的黏膠狀物質(zhì)具有絡(luò)合作用可使重金屬離子（如Cd2+、Pb2+、Cu2+等）滯留于根外。

抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)的作用：植物受重金屬脅迫時(shí)，其體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧，對(duì)植物造成毒害。而植物細(xì)胞形成的抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)能夠在一定限度內(nèi)將過多的活性氧清除，保護(hù)細(xì)胞免受傷害?？寡趸佬l(wèi)系統(tǒng)主要由GSH、AsA 等非酶性活性氧清除劑和SOD、CAT、POD 等酶性活性氧清除劑以及維生素C、維生素E 等抗氧化劑組成。它們協(xié)同作用，將細(xì)胞中過多的活性氧清除，使自由基代謝保持動(dòng)態(tài)平衡。

脯氨酸和可溶性蛋白的作用：植物細(xì)胞中脯氨酸和可溶性蛋白含量的增加，能促進(jìn)細(xì)胞滲透勢的升高和功能蛋白數(shù)量的增加，保證細(xì)胞代謝正常，提升植物抵抗逆境的能力。有研究表明，植物對(duì)Cd 毒害產(chǎn)生解毒的機(jī)制之一是增加植物細(xì)胞可溶性蛋白質(zhì)含量。作為植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸的積累能清除活性氧、減輕膜脂過氧化引起的毒害，增強(qiáng)植物重金屬抗性。

植物對(duì)重金屬的富集機(jī)理：關(guān)于植物重金屬的富集機(jī)理研究，目前主要在植物對(duì)重金屬的活化與吸收、運(yùn)輸與轉(zhuǎn)移、累積與分布等方面取得了一定進(jìn)展。

植物對(duì)重金屬的活化與吸收：重金屬富集植物能改變植物根際環(huán)境，有效活化根際土壤重金屬，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收。其活化途徑主要有根系分泌物中的質(zhì)子或有機(jī)酸促進(jìn)重金屬的釋放；根系釋放的植物螯合肽和高鐵載體加速Fe、Cu、Zn、Cd 等元素的結(jié)合態(tài)溶解；根系還原性酶使重金屬高價(jià)離子還原成低價(jià)態(tài)，促進(jìn)重金屬的溶解[3]。根系吸收是植物富集重金屬的重要環(huán)節(jié)。重金屬離子進(jìn)入根細(xì)胞的方式是通過共質(zhì)體或質(zhì)外體，大部分離子需依賴轉(zhuǎn)移或通道蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)才能進(jìn)入根系。植物對(duì)重金屬的吸收受多種生態(tài)因子的綜合作用，其中與土壤重金屬含量、土壤pH、CEC、有機(jī)質(zhì)以及植物根際微生物等密切相關(guān)。

植物對(duì)重金屬的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)移：進(jìn)入植物根細(xì)胞中的重金屬被運(yùn)輸與轉(zhuǎn)移至植物的各部位。植物對(duì)重金屬的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)移分為三個(gè)步驟，第一步是重金屬從共質(zhì)體載入木質(zhì)部，第二步是重金屬在木質(zhì)部和韌皮部的運(yùn)輸，第三步是重金屬轉(zhuǎn)移地上部莖葉等部位。有些富集植物由于內(nèi)皮層凱氏帶完整，質(zhì)外體途徑受阻將抑制重金屬運(yùn)輸，植物通過降低液泡中重金屬含量促進(jìn)重金屬向地上部的轉(zhuǎn)移，但其機(jī)理尚不清楚。木質(zhì)部中重金屬的運(yùn)輸速率與根壓和蒸騰作用密切相關(guān)。

重金屬在植物體內(nèi)的累積與分布：進(jìn)入植物體的重金屬，通過運(yùn)輸與轉(zhuǎn)移，積累在植物各部位，但區(qū)室化分布明顯。在組織水平上，在表皮、亞表皮和皮下組織中貯存的重金屬占大部分；在細(xì)胞水平上，分布在細(xì)胞壁和液泡中得重金屬占大多數(shù)。細(xì)胞壁對(duì)重金屬有沉淀作用，Athyrium yokoscense 根系富集的Zn、Cd、Cu 中有70%～90%分布在細(xì)胞壁上。植物還可以將重金屬貯存在液泡中，使體內(nèi)過多重金屬與生理活性區(qū)隔離。利用電子探針對(duì)Tcaerulescens 葉片中積累的Zn 進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Zn 主要貯存在液泡中。Rauser 等通過電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)液泡中積累了Cd 的結(jié)晶Cd3(PO4)2，表明液泡對(duì)重金屬的區(qū)室化作用。

3.植物修復(fù)技術(shù)展望

目前，植物修復(fù)技術(shù)尚停留在試驗(yàn)階段。該技術(shù)的研究和發(fā)展必須依靠大量的田間結(jié)果來支撐，而且它涉及多門學(xué)科知識(shí)如土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、植物學(xué)、遺傳學(xué)和生物工程學(xué)等的綜合運(yùn)用，因而未來的研究還需在理論基礎(chǔ)和實(shí)踐方面獲得突破，推動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。篩選和馴化自然界中富集和超富集植物，以滿足實(shí)際應(yīng)用需要，是植物修復(fù)研究在今后一個(gè)時(shí)期的首要任務(wù)。進(jìn)一步研究植物對(duì)重金屬的富集機(jī)理、抗性機(jī)理、解毒機(jī)理、以及根際微生物對(duì)重金屬生物有效性的影響機(jī)制等問題[4]?；蚬こ碳夹g(shù)和分子生物學(xué)的結(jié)合，將植物細(xì)胞中耐有毒有害物質(zhì)的超富集基因、抗性基因移植到根系發(fā)達(dá)、生長迅速、生物量大的植物中，培育出生物量大、富集能力強(qiáng)的植物，提高植物修復(fù)效率。加強(qiáng)對(duì)影響植物修復(fù)的生態(tài)因子及其調(diào)控手段的研究，生態(tài)因子的研究主要包括土壤重金屬含量、重金屬生物有效性、土壤pH、CEC、有機(jī)質(zhì)以及植物根際微生物等問題；調(diào)控手段的研究主要包括改良劑、有機(jī)質(zhì)等的應(yīng)用和灌溉、施肥等農(nóng)業(yè)措施的實(shí)施。

4.結(jié)語

植物修復(fù)是一種環(huán)境友好的、經(jīng)濟(jì)有效的生物凈化技術(shù)。污染土壤植物修復(fù)既能減小土壤中污染物的濃度，還能提高土壤微生物的活性、增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分的含量，將污染土壤的生態(tài)功能恢復(fù)到接近原初狀態(tài)，改善土壤質(zhì)量。植物修復(fù)以太陽能為動(dòng)力，成本低廉，適合于污染土壤的大規(guī)模治理。