“植物礦工”不同凡響

天賦異稟的植物

20世紀(jì)70年代，生物學(xué)家在太平洋新喀里多尼亞島上，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的熱帶樹種。這種熱帶樹種能長(zhǎng)到20米高，最特別的是樹皮被割開后會(huì)流出鮮艷的藍(lán)綠色乳膠。研究發(fā)現(xiàn)，其乳膠中的鎳含量為25%（質(zhì)量），相當(dāng)于一般植物汁液內(nèi)鎳元素含量的25萬倍，正是大量的鎳元素導(dǎo)致其乳膠呈現(xiàn)出藍(lán)綠的色澤。

鎳是一種金屬元素，主要分布在南北赤道30度以內(nèi)的熱帶國(guó)家，新喀里多尼亞就是其中之一。由富含鎂鎳的巖石形成的土質(zhì)很罕見，通常只有地幔物質(zhì)被帶到地表的地方才可能出現(xiàn)。

安東尼·范德·恩特博士是澳大利亞昆士蘭大學(xué)的生物學(xué)教授，專門研究上述這種熱帶樹種。據(jù)他介紹，雖然植物生長(zhǎng)需要微量的鎳元素，但吸收過多會(huì)導(dǎo)致鎳中毒，干擾新陳代謝，阻礙正常生長(zhǎng)。一般的植物很難在鎳這類重金屬含量超標(biāo)的地方生存，更別提把它們富集在植物組織里了。而這種熱帶樹種就像是一種超級(jí)收集器，能夠從土壤中大量吸收有毒重金屬，并儲(chǔ)存在樹干、樹葉甚至種子里面。

恩特表示，這種熱帶樹種通過將配體分子與鎳原子結(jié)合，防止鎳原子與其他化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)，從而在高濃度鎳的環(huán)境中保持化學(xué)結(jié)構(gòu)不被破壞。此外，配體分子還能將鎳原子與樹木的細(xì)胞隔離開，保證樹木在高濃度鎳的環(huán)境里健康生長(zhǎng)。他指出：“不同種群的超積累植物已經(jīng)進(jìn)化了很多次，時(shí)間跨越數(shù)百萬年。也就是說，它們?cè)揪蜕L(zhǎng)在富含金屬的土壤中，并不是人為干擾的結(jié)果?！?/p>

這種熱帶樹種只存活于馬奎人居住的稀疏的森林中，生長(zhǎng)速度緩慢，要花上幾十年才能開花結(jié)果。它受到各種威脅，生存空間越來越小，可能只剩下幾百棵，已經(jīng)被列入了瀕危物種名單。雖然從分子生物學(xué)到生物化學(xué)，科學(xué)家都對(duì)它擁有儲(chǔ)存大量重金屬的能力進(jìn)行了研究，但迄今仍未搞清楚它是如何進(jìn)化出了富集濃度如此之高的鎳元素的能力。

有人推測(cè)，這種熱帶樹種積累大量的鎳元素是為了保護(hù)自身免遭昆蟲和其他食草動(dòng)物的傷害。畢竟鎳元素對(duì)動(dòng)植物而言，是有毒的重金屬。此外，還有一種說法是，這種熱帶樹種聚集鎳元素是對(duì)其他植物的一種化學(xué)攻擊。也就是說，當(dāng)葉子落到地上，土壤中的鎳含量增加，會(huì)導(dǎo)致其他植物難以生長(zhǎng)，該樹種由此獲得更多的資源，使自身得到更多的存活機(jī)會(huì)。

能夠超量積累重金屬并將其運(yùn)移到地上部分的植物，被稱為“超積累植物”或“超富集植物”，它們體內(nèi)某一金屬元素濃度大于臨界值。由于不同元素在土壤和植物中的自然濃度不同，因此臨界值的確定取決于植物富集的元素類型。

超積累植物必須具備下列條件：地上部分（莖或葉）的重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的10～500倍，臨界值分別為錳、鋅10000毫克/千克，鎘100毫克/千克，金1毫克/千克，鎳、鉛、鈷、銅、砷1000毫克/千克；植物地上部分的重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其根部的重金屬含量，表現(xiàn)為特殊的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬并儲(chǔ)藏于地上部分的能力；植物對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐性，即能在污染場(chǎng)地旺盛地生長(zhǎng)，植物生物量較大，生長(zhǎng)周期短，能超量積累一種或同時(shí)積累幾種重金屬元素。

植物修復(fù)優(yōu)點(diǎn)多

在土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，鎘、鉻、鉛、砷、汞等重金屬是明確規(guī)定必須加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控的有害重金屬。土壤修復(fù)技術(shù)是使遭受污染的土壤恢復(fù)正常功能的技術(shù)措施，包括熱力學(xué)修復(fù)技術(shù)、熱解吸修復(fù)技術(shù)、焚燒法、土地填埋法、化學(xué)淋洗、堆肥法、滲透反應(yīng)墻、生物修復(fù)和植物修復(fù)等。

植物修復(fù)技術(shù)被普遍認(rèn)為是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的修復(fù)技術(shù)，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)熱點(diǎn)問題和前沿研究領(lǐng)域。它具有物理、化學(xué)修復(fù)方法無法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，例如：費(fèi)用低廉，應(yīng)用面積大，對(duì)土壤環(huán)境擾動(dòng)??；治理效果永久，不破壞場(chǎng)地結(jié)構(gòu)，不引起二次污染，能美化景觀；重金屬可再循環(huán)和部分回收。

植物修復(fù)技術(shù)主要利用超積累植物在重金屬污染土壤里生長(zhǎng)，從污染土壤中超量吸收一種或幾種重金屬，并因其自身的超富集現(xiàn)象，將重金屬轉(zhuǎn)移、貯存到莖、葉等地上部器官。隨后，人們將植物整體（包括部分根）收獲并集中處理，然后連續(xù)種植，以便使污染土壤中重金屬含量降到可以接受的水平，從而使污染土壤得以修復(fù)。

按照植物修復(fù)的作用過程和機(jī)理的不同，植物修復(fù)技術(shù)可分為植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和根系過濾。

植物提取是目前研究最多且最具發(fā)展前景的一種技術(shù)。重金屬經(jīng)具有較強(qiáng)富集能力的植物根系吸收后，繼而轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存到植物莖、葉，然后收割莖、葉，從而達(dá)到去除土壤重金屬元素的目的。

植物揮發(fā)是指利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)或微生物，將土壤中的污染物（主要是汞、砷、碲）吸收到植物體內(nèi)后轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，揮發(fā)出來，釋放到大氣中。植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕環(huán)境危害。

植物穩(wěn)定是指利用植物及其根系吸收、富集或沉淀土壤中的重金屬，使土壤中的大量有毒金屬轉(zhuǎn)化為相對(duì)無害的物質(zhì)，從而降低土壤中有毒金屬的移動(dòng)性、生物有效性，減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性。該方法適合廢棄礦區(qū)的重金屬污染或者放射性元素污染的治理。

根系過濾是指利用耐性植物龐大的根系過濾和吸收功能富集水體中的重金屬元素，將植物收獲進(jìn)行妥善處理，達(dá)到治理水體重金屬污染的目的。此種方法更多地應(yīng)用于治理水體污染。根系過濾主要用于處理含放射性污染物質(zhì)、重金屬和其他污染物質(zhì)的廢水。

改造污染的土壤

鉛污染是目前土壤無機(jī)污染中較為嚴(yán)重且廣泛存在的問題。如果長(zhǎng)期暴露于低濃度的鉛污染環(huán)境中，會(huì)嚴(yán)重影響兒童的成長(zhǎng)（包括智力發(fā)育）和神經(jīng)功能。在重金屬鉛的超積累植物名單中，有土荊芥、圓錐南芥、羽葉鬼針草、茼麻、香根草、綠野莧菜、紫穗槐、麻瘋樹、鳳眼蓮和蒼耳等。其中，香根草因生物量大，植被覆蓋率高，是我國(guó)鉛鋅礦復(fù)墾中最有效的植物之一。

鎘是一種具有強(qiáng)毒性的重金屬，對(duì)環(huán)境破壞性大，同時(shí)鎘進(jìn)入食物鏈對(duì)生物體的毒害具有隱蔽性和累積性。能夠修復(fù)重金屬鎘污染土壤的超積累植物有油菜、寶山堇菜、天藍(lán)遏藍(lán)菜、魚腥草、商陸、龍葵、菖蒲、球果蔊菜、向日葵、煙草、楊樹等，其中生物量較大的油菜被認(rèn)為是最佳植物。魚腥草雖未達(dá)到超積累植物的水平，但因其根系發(fā)達(dá)、 生長(zhǎng)速度快和分布地域廣的特點(diǎn)，對(duì)鎘具有一定富集能力，是理想的修復(fù)鎘污染土壤的材料。

土壤砷污染是由砷或其化合物所引起的環(huán)境污染，主要來源于工業(yè)和城市的廢水和固體廢棄物、農(nóng)藥、化肥、牲畜排泄物和生物殘?bào)w，以及大氣沉降物等。砷污染對(duì)環(huán)境和人體健康會(huì)造成嚴(yán)重影響。砷和砷化物一般可通過水、大氣和食物等途徑進(jìn)入人體，造成危害。砷元素的毒性極低，但砷化物均有毒性，三價(jià)砷化合物比其他砷化合物毒性更強(qiáng)。蜈蚣草、粉葉蕨、長(zhǎng)葉鳳尾蕨、鳳尾蕨等名列重金屬砷超積累植物名單內(nèi)，其中蜈蚣草還對(duì)鉛、鎘等重金屬有很強(qiáng)的吸收能力。目前，利用蜈蚣草修復(fù)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤已在實(shí)踐中獲得了成功。

土壤中的鉻可以通過植物攝取進(jìn)入食物鏈，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，從而影響生態(tài)平衡。鉻降低土壤的酸堿值（pH值），抑制植物的根系生長(zhǎng)，破壞根系的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，影響植物對(duì)水分及養(yǎng)分的正常吸收和利用，加速植物的老化和凋謝。印度芥菜和旱柳等對(duì)鉻具有超積累作用。其中，印度芥菜比其他物種多移除2倍多的鉻，能減少28%的鉛、48%的硒，而且在對(duì)抗鋅、汞和銅元素上也很有效。在20世紀(jì)80年代，人們?cè)跒蹩颂m切爾諾貝利放射銫污染土壤的植物修復(fù)中，利用印度芥菜移除放射性銫-137（銫的一種核素）。

汞是環(huán)境中毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一。土壤汞污染是指由汞或含汞化合物引起的環(huán)境污染，主要來源于工業(yè)污染（如汞礦開采、燃煤發(fā)電和金屬冶煉等）、農(nóng)業(yè)污染（如有機(jī)汞農(nóng)藥的使用）以及自然因素（如火山活動(dòng)）。土壤汞污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，包括對(duì)土壤微生物、植物和人體的影響。苧麻、楊樹和大米草等是重金屬汞的超積累植物。一畝苧麻每年可從土壤中提取4320毫克汞。在“中國(guó)汞都”的主礦區(qū)——貴州省銅仁市敖寨鄉(xiāng)，就大量種植苧麻以修復(fù)被汞污染的土壤，使土壤汞含量達(dá)標(biāo)。苧麻是我國(guó)古代重要的纖維作物之一。它的栽培歷史最為悠久，距今已有4700多年。即使在高汞條件下，苧麻的產(chǎn)量和品質(zhì)都不會(huì)受到影響，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分明顯。

采集回收金屬

我國(guó)古代的農(nóng)學(xué)家早有發(fā)現(xiàn)：“山上有蔥，其下有銀；山上有薤，其下有金；山上有姜，下有銅錫?！痹谧匀唤缰校拔稹敝参锊辉谏贁?shù)。在富含重金屬的地方，由于缺少競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，超積累植物能活得更好，因此植物探礦成為挖礦人的一個(gè)共識(shí)。比如，紅色石竹花是尋找金礦的好幫手，鈾元素會(huì)使紫云英的花朵變?yōu)闇\紅色，在生長(zhǎng)有大量針茅草或者錦葵的地方很可能會(huì)有鎳礦，等等。

在礦山，常常采用傳統(tǒng)的“刮地皮”的方式來挖出地下的礦物。在提取礦物的過程中，又需要大量的水、電力或化石能源來濃縮、提純礦物。但有的地區(qū)金屬含量太低，傳統(tǒng)的采礦手段沒法繼續(xù)富集和開采，這時(shí)候超積累植物便可以大顯身手，其富含金屬的特性可以用來回收金屬。

例如，天藍(lán)遏藍(lán)菜喜歡金屬鋅，它的根部有用來轉(zhuǎn)運(yùn)鋅離子的蛋白。在缺鋅的土壤中，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會(huì)大量表達(dá)。而在富鋅的土壤中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能會(huì)受到抑制。再如，像庭薺這樣喜歡鎳的植物，會(huì)將鎳粒子和體能物質(zhì)合成穩(wěn)定的化合物，降低對(duì)自身的危害。還有喜歡砷的蜈蚣草，會(huì)將砷離子置于細(xì)胞液中，不讓它進(jìn)入細(xì)胞器毒害自己的器官。

再如，紫花苜蓿能夠從土壤中吸收并積累鉭等金屬元素。鉭是一種重要的稀有金屬，在電子、化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于鉭與鈮等元素經(jīng)常共生在一起，因此分離和提取鉭一直是一個(gè)技術(shù)難題。通過種植紫花苜蓿，隨后收割植物并進(jìn)行相應(yīng)的處理，提取出其生長(zhǎng)過程中吸收的鉭。

美國(guó)農(nóng)學(xué)家魯弗斯·查尼首次嘗試種植庭薺來開采鎳礦。他帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在一公頃含鎳量約0.2%的土地上種植庭薺，一年可以獲得100千克鎳，而這些鎳不過是土壤中所有鎳的四百分之一。在這片土地上，植物“采礦工”可以工作400年。等庭薺吸飽了土壤里的鎳后，將它們晾干燒成灰燼，這些灰燼中富集有含量10%到20%的高純度鎳。如果將這些灰燼送到冶煉廠加工或提煉，就可以制成鎳塊、鎳催化劑或其他化工產(chǎn)品。

在研究中，有科學(xué)家提出，由于富含金屬的土壤很難讓小麥或水稻等糧食作物提高產(chǎn)量，植物采礦可以作為一種可行的替代方案，給當(dāng)?shù)貛砀玫慕?jīng)濟(jì)效益。植物采礦并不會(huì)取代糧食作物種植，而是作為一種暫時(shí)的種植方案，可以等土壤質(zhì)量改善后，再種植糧食作物。

愛爾蘭卡洛技術(shù)研究所的植物學(xué)家克里斯·安德森領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)從34種植物中篩選最擅長(zhǎng)吸收鋰元素的植物。他們發(fā)現(xiàn)白菜中有一種叫作“堿金屬”的成分，包括鉀、鈉、鋰等元素。研究人員決定通過種植白菜來提取鋰，在土壤中添加某些化學(xué)物質(zhì)，使鋰元素從土壤化合物中釋放出來，變成更易吸收的鋰離子，大大提高了白菜的吸收率。白菜提取鋰的方法，不僅能夠提高鋰的開采效率，還可以將在菜窖里儲(chǔ)存太久或保管不善而變質(zhì)的廢棄白菜變廢為寶。

名詞卡片

配體分子：指能夠以配位鍵的形式結(jié)合到中心離子周圍的分子。

生物量：指在某一特定時(shí)間內(nèi)，特定區(qū)域內(nèi)生物的總質(zhì)量/干重。

耐性植物：指對(duì)各種不良環(huán)境和污染物具有一定適應(yīng)力和抵抗力的植物。

生物有效性：指土壤重金屬在生物體內(nèi)吸收、積累及其毒性程度。

復(fù)墾：指對(duì)被破壞或退化的土地的再生利用及其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的綜合性技術(shù)過程。