重金屬富集植物種質(zhì)資源收集研究進(jìn)展

張英　朱守晶 揭雨成　邢虎成　佘瑋 魯雁偉 陳建芳

摘 要 隨著工礦業(yè)發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快、農(nóng)藥化肥的施用，我國(guó)的重金屬土壤污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。相比物理、化學(xué)修復(fù)方法，植物修復(fù)技術(shù)更加廉價(jià)、安全，成為目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)。超富集植物是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵核心，開(kāi)展超富集植物的收集、篩選、研究工作具有非常深遠(yuǎn)地意義?；诖?，結(jié)合國(guó)內(nèi)外在重金屬超富集種質(zhì)資源收集方面的進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

關(guān)鍵詞 重金屬；超富集植物；種質(zhì)資源

中圖分類號(hào)：S46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.27.089

隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，礦山開(kāi)采冶煉、工業(yè)“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）、汽車尾氣、化肥農(nóng)藥的施用所帶來(lái)的土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越引起世界各國(guó)的關(guān)注。廣義上的重金屬是指密度大于5 g·cm-3的金屬元素，生態(tài)環(huán)境方面的重金屬是指Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn以及具有較強(qiáng)生物毒性的As。土壤中的重金屬可通過(guò)食物鏈在動(dòng)物以至于人體內(nèi)富集，進(jìn)而對(duì)人體健康造成損害，例如20世紀(jì)發(fā)生在日本富山縣和水俁鎮(zhèn)的“痛痛病”和“水俁病”，就是分別由Cd中毒和Hg中毒引起的。礦山開(kāi)采所產(chǎn)生尾庫(kù)是土壤重金屬污染的主要來(lái)源，這些固體廢物來(lái)到地表以后，由于環(huán)境變化造成了多種重金屬元素向地面土壤當(dāng)中的釋放，進(jìn)而產(chǎn)生了重度重金屬污染的土壤，造成生態(tài)環(huán)境的惡化。

農(nóng)業(yè)部污灌區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)污灌區(qū)面積約在140萬(wàn)公頃，其中重金屬污染面積占64.8%。過(guò)去50年中，世界排放到環(huán)境中的重金屬Cd約22 000萬(wàn)噸、Cu約939 000萬(wàn)噸、Pb約783 000萬(wàn)噸、Zn約1 350 000萬(wàn)噸。土壤是極其寶貴的自然資源，由于土壤重金屬污染具有不可逆、隱蔽性等特點(diǎn)，一旦遭受污染就難以修復(fù)。因此，重金屬污染土壤修復(fù)的需求越來(lái)越變得緊迫，成為亟待解決的棘手問(wèn)題。

1 植物修復(fù)的概念

植物修復(fù)的設(shè)想最早是由美國(guó)科學(xué)家Chaney在1983年提出的，即通過(guò)種植一些超富集植物來(lái)清除土壤中的重金屬。植物修復(fù)是生物修復(fù)的一部分，一般是指利用綠色植物的生命代謝活動(dòng)來(lái)吸收、分解、揮發(fā)或固定土壤環(huán)境中的重金屬，降低重金屬在土壤中的總量和有效態(tài)含量，從而使污染了的環(huán)境能夠部分恢復(fù)到原初狀態(tài)的過(guò)程。

2 超富集植物的特征

目前，對(duì)重金屬超積累植物比較公認(rèn)的判定標(biāo)準(zhǔn)包括以下三個(gè)方面。1）植物地上部較普通植物能夠積累10～500倍某種或幾種重金屬，即地上部干重的Cd含量應(yīng)在l00 mg·kg-1以上，Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量應(yīng)在

l 000 mg·kg-1以上，Mn、Zn含量應(yīng)在10 000 mg·kg-1以上。2）地上部重金屬含量大于根部或地下部該重金屬含量，即轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)>1。3）對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐性且沒(méi)有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。

3 重金屬超富集植物種質(zhì)資源

1948年，Minguzzi等[1]首先在意大利南部富含Ni的風(fēng)化土壤中發(fā)現(xiàn)了Ni超富集植物，其葉片干重的Ni含量高達(dá)1%，這是人們首次找到超富集植物。目前，世界各國(guó)對(duì)遏藍(lán)萊屬（Thlaspi）、庭芥屬（Alyssuns）、蕓苔屬（Brassica）的超富集植物研究的較多?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的Cu、Mn、Ni、As、Cd、Co、Zn、Pb和Se等重金屬元素的超積累植物達(dá)到492種左右，分布于45個(gè)科，其中320多種是Ni超富集植物。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)植物修復(fù)領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣并取得了一定成果。

4 重金屬超富集植物的特征

尋找和培養(yǎng)生物量大、生長(zhǎng)速率快、生長(zhǎng)周期短的超富集植物，是提高植物提取技術(shù)效益的長(zhǎng)期策略?，F(xiàn)有的超富集植物大部分都是野生植物資源，其生長(zhǎng)速度慢、生物產(chǎn)量低、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、地域性強(qiáng)，并且大多只能修復(fù)一種重金屬污染，難以達(dá)到修復(fù)重金屬污染土壤的目的。由以上存在的問(wèn)題可以推出，理想的修復(fù)用植物應(yīng)該符合以下五個(gè)特征。1）具有富集一種或幾種重金屬的能力，并能富集于植物的地上部分。2）對(duì)富集于體內(nèi)及體外未被吸收的重金屬有耐受性。3）具有高的生物量，生長(zhǎng)速度快。4）具有發(fā)達(dá)的根系。5）為人們所熟悉，已經(jīng)掌握其栽培及植保技術(shù)，且在當(dāng)?shù)鼐陀猩L(zhǎng)。為此，繼續(xù)尋找開(kāi)發(fā)生物量較大又具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的且對(duì)重金屬耐性強(qiáng)、富集性強(qiáng)的植物或作物是植物修復(fù)技術(shù)走向工程應(yīng)用的首要任務(wù)。

5 苧麻對(duì)重金屬的抗性和富集能力

岳慶玲[2]對(duì)寶山鉛鋅銀礦區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在高Pb土壤背景下，苧麻地上部的Pb含量超過(guò)1 000 mg·kg-1，在柿竹園礦區(qū)和寶山礦區(qū)，苧麻對(duì)各種重金屬元素的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都大于1，表明苧麻可能是Cd和Pb超富集植物。佘瑋[3]對(duì)石門雄黃礦區(qū)、冷水江銻礦區(qū)、瀏陽(yáng)七寶山礦區(qū)的野生苧麻重金屬吸收積累特征的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為2.07和3，As富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為1.04和12.42，Sb富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為1.91和9.04，盆栽和微區(qū)試驗(yàn)表明，在最高89.9 mg·kg-1 Cd處理下，雖然株高、生物量、葉片數(shù)、SPAD值降低，苧麻存活率仍能達(dá)到100%，可以完成正常生長(zhǎng)周期，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鎘特性。韋朝陽(yáng)等[4]在兩個(gè)砷礦區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，石門雄黃礦尾砂壩附近，僅生長(zhǎng)蜈蚣草、苧麻，舊冶煉區(qū)僅有苧麻等10種植被，苧麻對(duì)砷具有極強(qiáng)的耐性，高砷區(qū)苧麻葉、莖、根中的砷含量分別為536 mg·kg-1、

103 mg·kg-1、69 mg·kg-1。曹德菊等[5]采用盆栽試驗(yàn)，研究了苧麻對(duì)Cd的耐受能力，結(jié)果表明苧麻對(duì)Cd有一定的富集積累效應(yīng)，在Cd濃度達(dá)200 mg·kg-1時(shí)長(zhǎng)勢(shì)較好，低于200 mg·kg-1的Cd溶液可促進(jìn)苧麻生長(zhǎng)，富集系數(shù)最高可達(dá)9.95，具有一定的修復(fù)潛力。龍育堂等[6]在Hg污染稻田種植苧麻，發(fā)現(xiàn)在土壤Hg含量130 mg·kg-1

以下的條件下苧麻的產(chǎn)量、品質(zhì)未受明顯影響，土壤Hg凈化率達(dá)41%，土壤自凈年限比水稻縮短8.5倍。陳志澄等[7]對(duì)廣東土法煉砷廢墟及其周邊砷污染調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻是耐砷植物，模擬試驗(yàn)表明種植苧麻可減少As的遷移，不會(huì)引起二次污染。雷梅等[8]對(duì)湖南柿竹園礦區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻是優(yōu)勢(shì)種，在重金屬污染最嚴(yán)重的才山選礦廠，僅有蕁麻科的苧麻、鳳尾蕨科的蜈蚣草、木賊科的木賊零星分布，苧麻對(duì)重金屬有一定的富集能力，其地上部和根部鉛含量分別為680 mg·kg-1和444 mg·kg-1，對(duì)鉛的富集能力明顯高于其他植物。苧麻還具有很強(qiáng)的富集鎘的能力，在含鎘10 mg·kg-1的污染農(nóng)田土壤上，其地上部含量就能達(dá)到

l5 mg·kg-1，可見(jiàn)苧麻屬于富集型植物。

6 研究展望

植物修復(fù)相比傳統(tǒng)修復(fù)方法具有很多優(yōu)勢(shì)，如環(huán)保、廉價(jià)、適用于大面積土壤修復(fù)等，但作為一門剛剛興起的技術(shù)還存在一些缺陷，1）植物對(duì)土壤環(huán)境中的重金屬有一定的耐性限度，污染過(guò)于嚴(yán)重的土壤不適用于植物修復(fù)。2）多數(shù)超富集植物屬于野生植物，生物量小，生長(zhǎng)緩慢且具有落粒性，易受環(huán)境條件影響。3）修復(fù)周期較長(zhǎng)，難以適用于快速修復(fù)。4）根系較淺，大部分超積累植物的根系分布在耕層20～30 cm的深度，只適用于表層土壤修復(fù)。5）對(duì)重金屬具有選擇性，大多數(shù)只能富集一種或幾種重金屬，不具備廣譜性。6）大部分植物修復(fù)還處于示范階段。因此，加強(qiáng)重金屬超富集植物種質(zhì)資源的搜集、整理和分類工作，尋找生物量更高、生長(zhǎng)速度更快，特別是能夠進(jìn)行復(fù)合污染修復(fù)的野生超富集植物資源，并克隆、鑒定相關(guān)作用基因，對(duì)現(xiàn)有作物特別是不進(jìn)入食物鏈的經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行改良，創(chuàng)造新的超富集植物種質(zhì)資源，將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 雷梅，岳慶玲，陳同斌，等.湖南柿竹園礦區(qū)土壤重金屬含量及植物吸收特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（5）：1146-1151.

（責(zé)任編輯：劉昀）