植物对铀污染土壤的修复

赵晓蕊，单连友，张金远，龚 霞，郭晓敏，黄尚书，王文敏

(1.江西农业大学理学院 江西 南昌 330045； 2.上海市海丰农场 江苏 大丰224153；3.江西农业大学园林与艺术学院 江西 南昌 330045； 4.江西农业大学国土学院 江西 南昌330045)

随着核工业的飞速发展，铀(Uranium,U)矿大量开采后留下的尾矿和废渣给附近的环境造成了持续性的放射性污染。铀主要以3种方式进入人体中[1]：1)吸入含铀的气溶胶;2)摄入被铀污染的水;3)通过食物链进入[2-3]。通过食物链进入人体中的铀以化学毒性和内照射两种形式对人体造成损伤[4]，根据剂量的大小，可引起不同程度的急慢性中毒，诱发骨癌和肺癌等癌变[5-6]，给人类的生命和健康带来极大的威胁[7]，所以对于被铀污染的土壤必须进行及时修复[8-9]。目前，治理铀污染的方法主要有传统的物理方法、化学方法和较为新兴的生物修复方法。传统方法主要有客土法、淋洗法、原位覆盖法和络合物浸提法等[10-11]，这些方法虽有一定效果，但存在着价格昂贵、难于大面积实施、修复不彻底和易造成二次污染等弊端。生物修复一般分为微生物修复和植物修复，微生物修复是通过由自然筛选或人工驯化而来的微生物的特殊生理代谢活动，例如吸附重金属，或是改变重金属在土壤中的化学形态，从而削弱其毒害作用[12]。但由于污染现场干扰因素极为复杂，微生物修复技术的场地应用需要融合环境工程、环境化学及土壤学等多学科知识，目前该技术大多仍处在实验室研究阶段。植物修复技术主要是利用植物的固定和提取作用移除土壤中的放射性铀元素，具有成本低廉、易于实施和对环境干扰作用小且无二次污染等优点，故其被认为是目前最有潜力的生物修复技术[13]。国内外开展了大量植物修复污染土壤的相关研究，本文综述了最近20年的相关研究，以期为铀污染土壤的植物修复提供理论依据和实践指导。

1 植物修复的概述

植物修复(Phytoremediation)技术是指利用某些植物所具有的对某种重金属的忍耐性或积累性，吸收富集环境中的重金属元素，从而达到治理重金属污染的一项绿色修复技术。重金属的植物修复技术主要分为3种类型：1)植物对重金属的固定作用(Phytostabilizaton or Phytoimmbolization)，是指植物通过根系分泌物与土壤中的重金属相互作用，以钝化重金属的毒性或迁移性，从而减缓重金属污染的扩散；2)植物的挥发作用(Phytovolatilization)，是植物通过根系吸收土壤中的重金属或类金属，经过自身代谢作用使吸收的重金属或类金属以挥发态的形式释放到大气中，如植物对汞和硒的挥发作用；3)植物对重金属的提取技术(Phytoextraction)，是指利用某些对重金属元素具有富集作用的植物来吸收土壤中的重金属元素，这些植物可将重金属由根部转移到地上部分(茎和叶)，最后通过集中收获地上部分来降低土壤中的重金属污染。例如Morrey等[14]报道的Ni超积累植物Berkheyacoddii的地上部分Ni含量可以达到其干质量的3.7%，且这种植物易于繁殖和培养[15]，适于种植在Ni污染严重的地区。

寻找对重金属具有富集和忍耐作用且易于生长收获的植物是植物修复技术的核心。超积累植物的概念是Brooks等[16]于1977年提出的，通常认为重金属含量超过一般植物100倍的植物即属于超积累植物，此外该植物地上部分重金属含量要大于其根部重金属含量[17-19]，并且在重金属污染严重的情况下，该植物的生长仍不受很大程度的抑制[20]。

超积累植物对重金属污染的修复机制主要有以下几种：1)将重金属滞留在根部，限制重金属向上运输，使得地上部分、尤其是叶片中重金属含量极低，这是一种普遍的耐性机制，例如，植物可将Cu保留在根部，避免过量的Cu对植物光合作用及其它重要生理过程的干扰[21]。2)细胞膜的选择透过性,细胞膜的磷脂双分子层结构决定了其具有渗透屏障功能，因而可通过限制重金属离子的透过而降低细胞内重金属离子的浓度，维持细胞正常的渗透压。3)细胞区室化作用,细胞区室化是指植物细胞将重金属元素贮存在某些特定的细胞或者亚细胞结构中，以限制重金属元素的转移。例如植物细胞壁的金属沉淀作用和液泡对重金属的蓄积作用。细胞壁是重金属进入植物细胞的第一道屏障。重金属元素大部分以离子形式存在或络合于细胞壁结构质如纤维素上，阻止其进一步通过细胞膜进入细胞质。而液泡本身就具有调节细胞渗透压、贮存代谢废物、积累有毒物质和信号传导等生理作用，液泡内的各种蛋白、糖等都能够与重金属离子结合，使植物体内过量的重金属离子与代谢反应中心隔离。4)螯合作用,重金属的胁迫会诱导植物体内合成一系列的螯合蛋白以对抗逆境。目前研究较多的主要有金属硫蛋白(MT)和谷胱甘肽衍生肽植物络合素(PCs)等。金属硫蛋白是一种低分子量且富含半胱氨酸的蛋白质，也是人和动物体内最重要的重金属解毒剂。研究表明，重金属存在时，MT基因的转录会增强，MT含量也随之增加，作为金属螯合蛋白起作用，以防止重金属毒害。此外，细胞质内的小分子物质有机酸(如苹果酸、草酸等)以及氨基酸及其衍生物等也可与重金属离子形成螯合物，使其毒性下降。而重金属的运输与转移则是由根系进入植物体，通过共质体(细胞内)或质外体(细胞外)两个途径来实现。

目前，应用植物修复重金属污染土壤主要是采用超积累植物或者生物量大而且重金属含量高的植物来去除土壤重金属。布氏庭芥(Alyssumbertoloonii)是著名的Ni超积累植物，这种植物在土壤中Ni总量为 1 600 mg·kg-1情况下，其地上部分富集的Ni含量约为土壤中的4倍，可达到6 900 mg·kg-1[22]。十字花科植物天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)对Cd有很高的积累能力，地上部分的Cd含量可达2 800 mg·kg-1[23]。肾蕨科植物蜈蚣草(Pterisvittata)是一种As超积累植物，Lenaq等[24]研究了14种生长于被铬化砷酸铜污染土壤上的植物，发现蜈蚣草是其中积累As含量最高的植物，其体内As含量最高可达4 980 mg·kg-1。陈同斌等[25]也通过试验证明，利用蜈蚣草修复污染的土壤后，蜈蚣草叶片内As含量远高于污染土壤中的AS含量。最近研究发现，玉簪属植物紫玉簪(Hostaventricosa)对Pb具有超富集潜力[26]，低浓度的Pb2+还可以促进玉簪种子的萌发[27]。刘周莉等[28]研究发现，木本植物忍冬(Lonicerajaponica)在高浓度的Cd处理下，仍能正常生长，具备较好的耐性和较高的富集系数，是一种新发现的Cd超富集植物。除此之外，杨肖娥和龙新宠[29]发现东南景天(Sedumalfredii)是一种Zn超积累植物，这种植物大面积生长在矿区，其地上部分可大量富集土壤中的锌元素。宝山堇菜(Violabaoshanensis)对Cd的积累[30]，商陆(Phytolaccaacinosa)对Mn的积累等也是目前利用超积累植物进行修复的研究重点[31]。部分典型超富集植物及其富集能力见表1。

2 植物修复铀污染土壤的研究进展

利用超积累植物修复铀污染的土壤已经是目前国内外研究的热点，具有超富集铀元素能力的植物也在不断的被发现。针对被铀污染的水体和土壤，目前已有利用植物修复技术进行治理的系列实验和应用。例如利用向日葵(Helianthusannuus)和菜豆(Phaseolusvulgarisvar.vulgaris)去除地下水中铀，发现两种植物的除铀能力可达到25 mg·kg-1，去除率可达到90%[32]。通过水培试验研究浮叶植物野生水葫芦(Eichhorniacrassipes)、漂浮植物浮萍(Lemnaminor)、满江红(Azollaimbircata)、沉水植物菹草(Potamogetoncrispus)和挺水植物空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)的除铀能力[33]，结果表明，满江红可除去水中97%的铀，说明满江红是一种对铀具有忍耐性、富集铀能力强且生长繁殖速度很快、除铀率高的水生植物，可以用做铀污染水体植物修复的潜在植物物种。此外，严政等[34]通过研究凤眼莲(Eichhorniacrassipes)、大薸(Pistiastratiotes)对铀胁迫的反应发现，两种植物对铀都有很强的富集能力，且凤眼莲的富集能力强于大薸。

表1 部分典型超富集植物及其富集能力Table 1 Hyper accumulator and accumulation ability

国外开展利用植物修复技术治理铀污染土壤方面的研究比较早，美国和西班牙等国家的学者都相继筛选出多种对铀元素具有积累或者超积累作用的植物。早在2001年，Shahandeh和Hossner[35]发现，将向日葵和印度芥菜(Brassicajuncea)种植于富含铀的土壤中，两种植物嫩枝中铀的质量分数可以达到102 mg·kg-1。Huang[36]通过研究发现，十字花科植物印度芥菜和大白菜(B.pekinensis)也具有富集铀的能力，两种植物的地上部分铀的富集量可达到5 000 mg·kg-1。Dana等[37]通过研究风滚草类植物发现，这类植物虽然生长在干旱或者戈壁等恶劣的自然环境下，却可以在开花之前大量地吸收富集铀，是特殊生境下的具有富集能力的植物。种植在日本本土的印度芥菜叶片部分可以积累的铀含量达到2 000 mg·kg-1[38]。Mirjana等[39]发现，烟草(Nicotianatabacum)具有大量吸收铀的能力，是潜在的用于铀污染土壤的超富集植物。除此之外，国外也有学者报道禾本科植物芦苇(Dhragmitesaustralis)对铀元素也有一定的富集作用[40]。

近年来，我国学者也陆续开展了对植物修复技术治理铀污染土壤的研究工作。徐俊等[41]采用溶液培养结合土壤培养的方法，研究了小白菜(B.chinensis)、菠菜(Amaranthaceaespinacia)等对铀的吸收程度差异，结果表明，在土壤中铀含量为100 mg·kg-1的土壤栽培条件下，菠菜地上部分铀含量达232 mg·kg-1(干质量)，根部含量达到433 mg·kg-1(干质量)，菠菜可能对铀污染土壤的植物修复工作具有潜在的应用价值。唐丽等[42]选取十字花科、锦葵科和菊科共10种植物作为试验材料，采用铀浓度为100 mg·kg-1的土壤作为培养基，培养55 d后发现，特选榨菜(Brassicajunceavar.tunida)地上部分铀含量可以达到1 115 mg·kg-1，特选榨菜适合作为铀超积累植物进行植物修复。空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)是一种繁殖能力很强、生物量大、根系发达且抗逆性强的植物，其对Cd、Zn等金属的积累效果较好[43-44]，对铀也表现出高的耐受性和富集能力，主要积累在根部，茎和叶部的积累较少[45]。聂小琴等[4]采用野外采样和电感耦合等离子体质谱仪分析法，测定某铀尾矿库内自然生长的14种优势植物及其根系土壤中核素的含量，并针对植物对核素的耐受性和富集性能进行分析，发现双穗雀(Paspalumdistichum)、圆果雀(P.orbiculare)、水莎草 (Juncellusserotinus)、水蜈蚣(Kyllingabrevifolia)和碎米莎草(Cyperusiria)的地上部分及金毛狗(Cibotiumbarometz)的地下部分对铀和钍(Th)均有不同程度的累积，且碎米莎草对铀表现出了超耐受性和超富集性。黄德娟等[46]首先采用“无样地取样法”对南方某铀矿植物群落进行调研，测定了该铀矿上芒草(Miscanthussinensis)等9种优势植物体内的铀含量。结果表明，芒草、鸭跖草(RhoeoSpathacea)、凤尾蕨(Aspleniumyunnanense)和野棉花(Anemonevitifolia)4种草本植物体内铀含量大于土壤中铀含量，具有较强的铀富集作用。Li等[47]针对中国南方某铀矿尾矿的部分植物对重金属的转移能力进行分析，首次提出以植物修复指数(PF,Phytoremediation Factor)这一标准来评估某植物是否可用于修复含有某元素的污染土壤，并研究发现碎米莎草和五叶地锦(Parthenocissusquinquefolia)满足此标准，可以用于含铀和钍的污染土壤的植物修复。除此之外，Edenspace公司发现，采用连续种植和收割植物的方法可使经过处理的土壤中铀含量大大降低[48]。一些植物的铀富集能力见表2。

在修复土壤铀污染的研究中，植物修复取得了一定的成绩，但大多数研究仅处在实验室研究阶段，并没有应用于大面积污染场地的修复中。此外，用于修复的耐性植物或富集植物，大多为草本植物，其根系一般较浅，只能吸收表层土壤中的污染物，对较深层的污染物则力不从心。这些原因都不同程度上限制了植物修复的大面积实施。

表2 铀富集优势植物及其富集能力Table 2 Uranium hyper accumulator and accumulation ability

3 植物修复技术存在的问题及展望

利用超积累植物对铀污染土壤进行治理虽然具有一定优势，但进行植物修复需要同时考虑植物本身的生长习性、污染场地的土壤理化性质及土壤微生物性质等综合因素，因此植物修复技术的发展目前仍存在一定的局限性[49-52],首先是超富集植物的遴选。目前，应用于植物修复的超富集植物一般都存在着生长缓慢、植株矮小、生物量低、根系浅和生长周期长等缺点，严重影响了植物修复的效率。此外，一些铀富集植物通常只能忍耐铀元素，对其他重金属元素则不能吸收甚至出现毒性作用。而在污染现场,特别是一些铀矿的尾矿中还存在其它浓度较高的重金属元素，如锰元素等，因而找到一种可以吸收同一环境中多种重金属元素的植物也可提高植物修复的效率。由于植物本身是活的有机生命体，对于生长环境(土壤性质、气候和温度等)有一定的要求，因此部分富集植物具有地域限制，盲目引种到其它污染场地可能会造成物种入侵等生态威胁。此外，植物受到病虫害威胁时也会大大影响其修复能力。因此，选择合适的超富集植物是植物修复技术实施以及提高修复效率的关键。其次，植物富集铀后的处置回收也是植物修复铀污染亟待解决的问题。目前的处置方法主要有焚烧法、填埋法、灰化法和高温分解法等[52]，其中，高温分解法已用于蜈蚣草中As的回收，回收率达88%[53]。但目前仍没有可应用于铀富集植物的回收技术，而针对铀的放射性等特点，找到适合的回收处置办法是防止二次污染的关键。

针对上述问题，植物修复技术未来的的发展应主要着眼于提高修复效率方面。就铀污染土壤的修复而言，影响植物修复效率的因素主要包括植物种类、土壤物理化学性质、土壤微生物的种类和数量、土壤改良剂和肥料的施用和铀的化学形态等[54]。目前研究较多的提高修复效率的措施主要集中在以下几个方面。

3.1添加土壤改良剂 植物修复的效率与土壤理化性质密切相关。土壤改良剂是指可以改善土壤性质的物料。应用于污染或退化土壤的改良剂，其改良作用主要体现在改变污染物在土壤中的稳定性及促进超积累植物对污染物的吸收[55-56]。它的作用机制主要包括螯合与络合作用、调节土壤pH值作用及离子交换作用等。许多研究证实，添加土壤改良剂(如柠檬酸、苹果酸、乙酸等)能够大幅度提高植物对铀的富集，其中，添加柠檬酸的效果最好[57]。Mihalik等[58]研究发现，施加低剂量的柠檬酸可使柳树(Salixspp.)和向日葵对铀的提取效率有很大提高，并证实低剂量柠檬酸的添加促进了铀在植物体内的转移。

3.2采用植物-微生物联合修复技术 植物-微生物联合修复技术主要是指向土壤中接种特定的具有植物促生作用的微生物(植物根际促生菌)来增强植物对环境的适应能力，促进植物对污染物的吸收。植物根际促生菌(Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPR)是指依附于植物根际表面，生长于根际土壤微环境中，能够显著促进植物生长的一类细菌的总称[59]。PGPR的作用机制非常多样化，例如，它可以产生调节植物生长的信号类物质IAA、赤霉素和乙烯等，可以进行非共生固氮作用，可以产生抗生素或氰化物等来抵抗植物病原菌，一些促生菌还具有解磷作用。Sarama等[60]从北印度的某富铀地区分离出一种荧光假单胞菌，经鉴定发现该菌株为绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa)，该分离株显示出对铀、Cu、Cd、Zn和Pb的高度忍耐力，以及对铀的高效转移能力。此外，该菌株对许多抗生素(氨苄青霉素、卡那霉素、氯霉素、噻肟单酰胺菌素和四环素等)具有抗性，对植物无毒性作用并可与植物病原菌产生拮抗作用，因此可以作为植物根际促生菌来促进污染土壤的植物修复过程。但研究表明，高浓度的铀对微生物的活性、群落结构、种群数量及土壤酶活性都有抑制作用[61-62]，因而在实施过程中需要考虑污染现场的铀浓度是否会对微生物产生毒害作用。

3.3利用分子生物学技术筛选优势的富集植物 目前已发现的用于放射性重金属污染的修复植物通常都具有植株矮小、生物量低、生长缓慢且生长周期长等缺陷，基于上述缺陷，采用遗传学或基因工程手段来改善修复植物的富集能力及其生长状况，培育出优势的超积累植物，可以大大提高植物修复的效率。例如通过传统杂交育种技术，利用不同超积累植物基因的多样性进行杂交，从大量的遗传变异后代中可选育出具有优势超积累基因的植物。此外，还可利用基因工程手段，使植物体内金属螯合蛋白的基因或某些参与富集作用的关键酶基因超量表达，以此提高植物对重金属的富集能力。Wang等[63]对芥菜的YSL(Yellow Stripe-Like)基因BjYSL7进行分子克隆和鉴定，并使其超量表达于烟草中，获得的烟草植株对重金属(Pb、Cd和Ni等)具有高度的忍耐力，研究结果显示，该基因参与Pb、Cd和Ni等金属由植物根部向茎部的转移过程，并促进植物对重金属的忍耐力。尽管转基因超积累植物的研究取得了一定的成果，但是从试验阶段到直接应用转基因植物修复大面积污染土壤需要较长的时间，而且转基因植物也可能存在目前无法预见的生态风险，因此这一措施的实施与否仍需要更深入的研究和讨论。

总之，对于铀污染的土壤，采用植物修复技术来治理是一条低耗费、高效率的有效途径，继续寻找和筛选出更多的具有铀超积累或忍耐能力的本土植物是植物修复铀污染技术的基础，采用多种手段和配套技术来辅助植物修复过程，以提高其修复效率是植物修复技术的关键。因此，科研工作者需要积极开展盆栽试验及田间试验，并将结果与污染现场的实际情况相结合，综合考虑各方面因素来提高植物修复的综合效率。

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