重金屬污染土壤的植物修復研究進展

唐德友 劉 維（索爾維投資有限公司研發(fā)中心環(huán)境部門上海201108）

重金屬污染土壤的植物修復研究進展

唐德友 劉 維
（索爾維投資有限公司研發(fā)中心環(huán)境部門上海201108）

土壤中的重金屬污染一直是國際難題。植物修復，利用綠色植物吸附、去除土壤中的重金屬或使其無害化。與傳統(tǒng)環(huán)境修復技術(shù)相比，植物修復技術(shù)具有治理成本的低廉性，環(huán)境美學的兼容性，治理過程的原位性。本文主要對土壤重金屬污染植物修復的研究現(xiàn)狀與作用機理進行綜述。

重金屬；土壤；植物修復

前言

土壤重金屬污染來源廣泛，包括采礦、冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、制革和染料等工業(yè)排放的三廢及汽車尾氣排放、農(nóng)藥和化肥的施用等。導致土壤污染的重金屬主要包括As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn等，通常情況下是幾種重金屬的復合污染[1]。土壤中的有害重金屬積累到一定程度就會對土壤植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，不僅導致土壤的退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，而且通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，并可能通過直接接觸、食物鏈等途徑危及人類的生命和健康。尤為嚴重的是有毒重金屬在土壤系統(tǒng)中的污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點。因此，土壤系統(tǒng)中的金屬（特別是有毒重金屬）污染和防治一直是國際上的難點和熱點研究課題。

植物修復是一種利用自然生長植物或遺傳培育植物修復金屬污染土壤的技術(shù)的總稱，它在技術(shù)和經(jīng)濟上都優(yōu)于傳統(tǒng)的物理或化學的方法，是解決環(huán)境中重金屬污染問題的一個很有前景的方法，并已在全球得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。

1 植物修復技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用現(xiàn)狀

早在1583年，意大利植物學家Cesalpino首次發(fā)現(xiàn)超富集植物（Hyperaccumulator）后，1814年Desvaux將其命名為Alyssum bertolonii(庭薺屬)，1848年，Minguzzi和Vergnano首次測定該植物葉片中(干重)富含Ni達7900ug/g(0.79%)[2]。之后研究發(fā)現(xiàn)，這些植物是一些地方性的物種，其區(qū)域分布與土壤中某些重金屬含量呈明顯的相關(guān)性[3]。這些植物作為指示植物在礦藏勘探發(fā)揮了一定的作用[4]。在中國，利用指示植物找礦的工作也開展較早，如在長江中下游安徽、湖北的一些銅礦區(qū)域分布的Elsholtzia harchowensis Sun(海州香薷,俗稱銅草)在銅礦勘探中發(fā)揮了重要作用。重金屬污染土壤上大量地方性植物物種的發(fā)現(xiàn)促進了耐金屬植物的研究，同時某些能夠富集重金屬的植物也相繼被發(fā)現(xiàn)。1977年,Brooks提出了超富集植物的概念；1983年Chaney提出了利用超富集植物清除土壤重金屬污染的思想；隨后有關(guān)耐重金屬植物與超富集植物的研究逐漸增多，植物修復作為一種治理污染土壤的技術(shù)被提出，工程性的試驗研究以及實地應(yīng)用效果顯示了植物修復技術(shù)商業(yè)化的巨大前景。

1998年Heaton等人利用一種轉(zhuǎn)基因水生植物——鹽蒿和陸生植物擬南芥、煙草去移除土壤中的無機Hg和甲基Hg，這些植物攜有經(jīng)修飾的細菌Hg還原酶基因merA，可將根系吸收的Hg2+轉(zhuǎn)化成低毒的HgO，從植物體中揮發(fā)出來。

1987年Nishizono等人研究了蹄蓋蕨屬(Athyriumyokoscense)的根細胞壁在重金屬耐性中的作用，認為該植物所吸收的Cu、Zn、Cd總量中有70%一90%位于細胞壁，大部分以離子形式存在或結(jié)合到細胞壁結(jié)構(gòu)。

2004年，丁克強、駱永明等人研究了黑麥草(kliummultinomm Lam)能促進根際土壤中菲等多環(huán)芳烴的降解。這種修復作用可能與種植黑麥草后根際土壤中多酚氧化酶活性提高有關(guān)。黑麥草地上部可積累少量苯并[a]芘，其本身對土壤苯并[a]芘污染有凈化作用。葉海波等人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(yīng)，Zn與Cd在高濃度的時候都能抑制莖和根的生長，但是在1000 umol Zn/L處理條件下，適當?shù)靥岣哝k濃度能緩解高Zn處理對植物生長的抑制；在400 umol Cd/L處理下，提高Zn濃度能緩解Cd毒，使景天根和莖受抑制的癥狀減輕。

2 重金屬污染的植物修復機理

2.1 離子區(qū)隔化作用

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)。在這一過程中液泡膜上的重金屬離子與氫離子反向轉(zhuǎn)運蛋白和依賴于AT'P的質(zhì)子泵起著主要的作用。比如，在Cd2+誘導下，可以從植物細胞中分離出兩種PC-Cd復合物：貧硫的低分子量PC—Cds復合物(1owmoleculerweight，LMW)和富硫的高分子量PC-Cds復合物(highmoleculerweight，HMW)。這兩種復合物作為載體和清道夫?qū)⒃|(zhì)內(nèi)的重金屬運輸至液泡，通過液泡將重金屬區(qū)室化是植物重金屬抗性的重要機制。一些重金屬超積累植物可把重金屬貯存在葉片表皮的表皮毛中，避免重金屬對葉肉細胞的直接傷害。

2.2 鰲合作用

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。超積累植物也可能分泌金屬結(jié)合蛋白(類似于金屬硫蛋白或植物螯合肽)作為植物的離子載體，還可能分泌某些化合物，促進土壤中金屬溶解。萬敏等通過對不同鎘積累類型、小麥根際土壤低分子量有機酸與鎘的生物積累的研究，證實了植物可以通過分泌有機酸來復合或螯合溶解土壤中的Cd。

2.3 生物轉(zhuǎn)化作用

植物還原土壤中的重金屬進入植物體內(nèi)的重金屬離子Cr、Se、As等，由于被還原或被整合到有機物質(zhì)中去，從而大大的降低其毒性。一些植物在缺鐵或銅的條件下，根系還原Fe3+或Cu2+能力增加，吸收的Fe、Cu、Mn、Mg也增加。此外，F(xiàn)e/Mn水合氧化物的吸附作用影響土壤中重金屬的可移動性。當這些氧化物還原時，則導致吸附的重金屬釋放。

2.4 細胞修復機制

重金屬脅迫能導致大量的活性氧自由基產(chǎn)生，自由基能損傷主要的生物大分子及引起膜脂過氧化，而植物中的多種抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)能夠清除自由基，保護細胞免受氧化脅迫的傷害。植物對高濃度銅的基本抵御機制，便是增加原生質(zhì)膜的抗性及原生質(zhì)膜底的修復。

3 植物修復技術(shù)的優(yōu)缺點

植物修復技術(shù)與傳統(tǒng)的物理、化學技術(shù)相比具有技術(shù)和經(jīng)濟上的雙重優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）實用范圍廣，在清除土壤中重金屬污染物的同時，可清除污染土壤周圍的大氣、水體中的污染物；2）污染物在原地去除，可通過傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)措施種植植物，使成本大大降低；3）植物本身對環(huán)境的凈化和美化作用，更易被社會所接受；4）植物修復過程也是土壤有機質(zhì)含量和土壤肥力增加的過程，被修復過的土壤適合多種農(nóng)作物的生長。

重金屬污染土壤的植物修復也存在一些缺點，比如，（1）目前最具有推廣價值的超積累植物植株矮小、生物量低、生長緩慢和生活周期長，因而修復效益低，不易于機械化操作；（2）通常一種植物只吸收一種或兩種重金屬，從而限制了植物修復技術(shù)在復合污染土壤治理方面的應(yīng)用；（3）植物對土壤肥力、氣候、水分、鹽度、pH值等有一定的要求，而這些植物多為野生植物，目前對其生活習性和耕種方法還不了解。

結(jié)語

對于重金屬污染的土壤，采用植物修復技術(shù)是一種低耗費的有效途徑。雖然目前對于可利用超富集植物的生物量、適應(yīng)條件還不夠滿意，但一方面我們可以繼續(xù)尋找和發(fā)掘?qū)χ亟饘俚某患参铮硪环矫婵梢詰?yīng)用現(xiàn)代分子生物學手段進行相關(guān)基因的分離與分子克隆，將其轉(zhuǎn)移到生物量交高的植物體中，從而產(chǎn)生適合人們需求的轉(zhuǎn)基因植物。

[1]謝正苗,黃昌勇,徐建民.土壤污染化學[J].土壤化學研究與應(yīng)用.北京:中國環(huán)境科學出版社,1997:168-199.

[2]丁克強,駱永明,劉世亮,et al.黑麥草對土壤中苯并[a]芘動態(tài)變化的影響[J].土壤學報,2004,41(003): 348-353.

[3]葉海波,楊肖娥,何冰,et al.東南景天對鋅鎘復合污染的反應(yīng)及其對鋅鎘吸收和積累特性的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2003,22(005):513-518.

[4]王學東,周紅菊,華珞.植物對重金屬的抗性機理及其植物修復研究進展[J].南水北調(diào)與水利科技,2006,4 (002):43-46.