土壤重金属污染植物修复的研究概况

田宇哲，王 莹，王 锐，关 旸

(1．黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室;2．哈尔滨师范大学)

0 引言

金属是地质演变过程中重要的组成成分．在人类早期的生活中已经存在了金属．所有生物系统的进化过程中，金属都是其中重要的组成部分，这些系统已经适应了金属的存在并演化出了相应的代谢机制．在十九世纪末和二十世纪，随着采矿的增加和工业活动的发展，由金属引起的环境污染变得明显．在大量的金属污染地区，被分散到表层沉积物和地下水中的一些金属为环境修复带来了新的挑战．在重金属污染治理当中，不具生物降解能力和污泥产生是其两大主要制约因素．目前，由于自然和人为原因引起的重金属污染是一个全球关注的重要环境问题．由于重金属的持久存在性和在食物链中的积累和生物放大作用，人类对其释放后不合理的处理，对公众健康构成严重的威胁．

1 重金属污染的来源

对重金属元素的区分有两个标准，若以密度4．0为准，则有密度高于4．0的重金属元素约60种，如以密度5．0为准，则有45种．值得注意的是，砷(As)、硒(Se)虽密度小于4．0，但习惯上仍被列入重金属污染范围内，这是由于其毒性及其他重要性质与重金属极为相似［1］．随着当今世界经济全球化的飞速发展，工业化进程加速，矿物开采与金属冶炼程度加深，重金属污染物通过各种不同途径进入土壤，使土壤重金属污染的程度日益加剧．在土壤中重金属(如铜、锌和镉)所带来的主要问题，不同于有机污染物，它们不能被生物降解，因此，在环境中存在时间较长．自然环境中的重金属污染可能是由于岩石风化和火山爆发等自然过程造成的，但是也可能是人为原因造成的［2］．然而，重金属污染的主要来源是人类造成的，如工业活动、交通、城市废物管理不恰当、不合理的垃圾填埋和富含重金属的化肥、农药的使用等［3］．人类污染的主要来源则是摄取在废弃土壤中生长的植物，使用密集的农场管理做法，如应用污水污物的排放和农药的处理，这也造成了传统农业土壤的污染．虽然这些做法可以通过保护植物免受有毒病菌侵害并为他们提供快速和持续增长所必须的所有营养物质来使得产量显著增加，但这些方法也同样使得土壤中的重金属和有机污染物含量大量增加，反过来富集于植物体中．

岩石风化和人为重金属来源是导致重金属流到土壤中的两种类型．根据罗斯的研究［4］，重金属污染的人为来源可分为五大类型:①开采和冶炼金属(如砷、镉、铅、汞);②工业(如砷、镉、铬、钴、铜、汞、镍、锌);③大气沉降物(如砷、镉、铬、铜、铅、汞、铀);④农业(如砷、镉、铜、铅、硒、铀、锌);⑤废物处理(如砷、镉、铬、铅、铜、汞、锌)．

2 重金属对植物的毒害

植物有自然吸收重金属的能力，除了如镉、铅、汞等这类总是在任何级别的营养金字塔中有毒的重金属外，还包括必须的微量重金属元素，例如铜、锌．然而大量的微量重金属对于植物也是有害的．植物接触过量的微量重金属可能导致植物细胞的结构和生理过程发生改变［5］．观察植物重金属中毒的早期阶段，其特征之一是抑制细胞的增殖和生长［6］．这一特征也与氧化应激的出现有关［7］．细胞积累活性氧(ROS)导致氧化爆裂，这些伤害被认为是通过若干大分子［5］(如脂类［8］和蛋白质［9］)的氧化增加的细胞损伤．一些金属离子，如Fe2+和Ca2+、Cu2+可能诱导细胞的氧化损伤，再加上通过芬顿型反应的细胞自氧化［7］．尽管不同植物接触镉［10］或铜［11］离子后有诱导出现氧化应激反应的证据，但是没有描述存在芬顿型反应．增加重金属后观察到其他的细胞反应是巯基肽代谢的变化．重金属对植物具有毒性，主要表现为:①抑制叶绿素生长;②破坏蛋白质合成;③造成金属元素缺乏;④导致生物量减少．如，铅是蛋白质和配体的强烈反应物，可以抑制叶绿素的合成［12］．

植物富集重金属和其他可能的污染物的能力随植物基因型和金属污染物的性质有关［13］．例如，当植物过量吸收镉时，直接或间接的抑制植物的一些生理过程，如呼吸作用、光合作用、细胞伸长、植物水分代谢、氮代谢和矿质营养，最终导致生长贫瘠和低生物量［13］．在对重金属的后续研究中发现，如镉、铜、锌、铅等不同金属，较高浓度单独或作为混合物使用时显著降低了干物质积累、共生和在金属处理的砂质粘土土壤中生长的绿豆［14］、鹰嘴豆［15］和豌豆［16］的产量．

3 植物修复

植物修复，也被称之为绿色修复或植物生物修复，常用来清除环境中的污染物．植物修复所用植物可以是自然生长的，也可以是通过遗传工程培育出来的．而植物修复的理论基础，是某些植物自身或共存微生物可以忍耐并超量积累某种或某些污染物．对于治理土壤重金属污染的工作，植物修复不失为一种重要的修复和治理途径［17］．土壤重金属植物修复具有成本低、不破坏土壤生态环境、造成二次污染机会较少、易为公众所接受等优点．尤其对于贵金属污染土壤，采用植物修复的方法，还可以完成贵金属的回收再利用．植物提取、植物挥发、植物稳定是目前比较流行的土壤重金属植物修复的三大途径．

3．1 植物提取

植物提取，又称植物萃取，这方面工作在国外开展的较早．最早由Chaney提出，植物源源不断地从土壤中吸收营养物质，同时也将土壤中的污染物吸收进来．如果这种植物对重金属的富集能力较高，那么利用这种植物的吸收和转运功能，就可将土壤中的重金属污染物通过根系转移到植物的地上部分．大面积种植这种植物并对地上部分进行处理，就可使土壤中的重金属含量显著降低［18］．在植物提取过程中，运用最为广泛的是超积累植物提取法．超积累植物(hyperaccumulator)，也称超富集植物，这类植物可以显著富集污染环境中的重金属．相对于普通植物，超富集植物对重金属污染的忍耐力更强，对重金属的吸收能力和富集能力也更为理想．Brooks等人1977年最早提出了这一概念［19］．超积累植物比普通植物对重金属的富集能力高出几十倍到几百倍，超积累植物的这一特点对于重金属土壤的植物修复来说，是非常有用的．目前已发现的超积累植物数量已经达到五百种左右，其中对镍的超富集植物最多(主要是十字花科庭荠属植物)．Baker在欧洲中西部发现了能富集镉高达2130mg·kg-1(干重)的十字花科植物天蓝褐菜(T．caerulescens)，它是已知的积累浓度最高且研究最深入的超富集植物之一［20］．我国开展这方面工作的时间较晚，陆续发现了一些植物对重金属的超富集作用．韦秀文等［21］发现杨树对镉和汞有很好的消减和净化功能，可以用于镉和汞污染的土壤修复．据报道，红根苋可富集137Cs，利用红根苋的这一特点，可对切尔诺贝利核电站附近地区的核污染土壤进行植物修复［22］．熊愈辉通过大量实验研究发现矿山型东南景天是一种镉超积累植物［23］．一项对中国东南部铅锌矿区的调查研究显示，矿山生态型的东南景天可在高浓度铜、锌、铅条件下生存，并能大量吸收转移锌元素，可用来修复锌污染的土壤［24］．

3．2 植物挥发

对于土壤中的挥发性污染物，可利用植物挥发的方法来去除．植物挥发常用的植物有胡萝卜、水稻、卷心菜、花椰菜等．这些植物可在吸收污染物后将其转化为气态物质．气态的污染物通过自由扩散从植物体中挥发出来转移到大气中．由于这种方法是将污染物转移到大气中，因此对环境有一定的影响．汞、硒是植物挥发法相关研究中最受关注的两种元素，许多湿地植物可将75%的硒转化为单质，另外20%～25%则转化为挥发态［25］．肖鹏飞等［26］有文献表明，硒积累植物黄芪属可将硒转化为挥发态的二甲基二硒，而硒的非积累植物苜蓿释放二甲基硒．印度芥菜有较高的吸收和积累硒的能力，在种植这一植物的第1年和第2年可使土壤中全硒量分别减少了48%和13%［27］．Pilon Smits 等［28］证明硒还原酶是植物挥发过程中一种重要的酶类，它能促进硒酸根通过脂膜进入根内，促进植物对硒的吸收，从而在根际细菌协助植物还原、同化体内硒化合物过程中发挥重要作用，同时它也是将硒酸盐同化为有机态硒的主要限速酶．与硒还原酶作用相似的还有汞还原酶，有研究者将汞还原酶修饰基因从细菌中分离出来，并导入拟南芥属植物中，达到了与硒还原酶类似的效果［29］．烟草和拟南芥等都可将不能挥发的汞化合物转化为可挥发的汞单质［30］．

3．3 植物稳定

植物稳定作为一种固定土壤中重金属的方式，与某些植物对重金属污染环境的耐性是分不开的，这些耐性植物对重金属的稳定作用与机械稳定过程密切相关，另据研究，吸收沉淀过程也对植物稳定起到关键作用．包括分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程．通过一系列化学反应，可使重金属的毒性、生物有效性等显著降低，从而排除在水体污染链和食物链之外．在此过程中，只是改变了土壤中的重金属存在形态，其含量并未减少．祖艳群等［31］研究表明，植物稳定技术对废弃场地重金属污染物和放射性核素污染物固定尤为重要．目前，Cottor-Howells报告施磷酸盐可以促使铅在Agrostis Capillaris根际土壤中形成磷氯铅矿［32］．肖鹏飞等［26］发现，印度芥菜(B．juncer)的根可降低铬污染物的毒性．Hector M．Conesa等［33］研究发现，铅污染也可利用植物稳定来治理．运用植物稳定的修复方法很难彻底解决重金属污染，在一定条件下污染危害可能会发生反复．

4 前景与展望

到目前为止，对于受重金属污染的土壤，已经进行了很多研究并取得了一些突破性的进展，例如植物提取、植物挥发、植物稳定三种修复方式的应用以及多种超富集植物的发现等．尽管如此，在植物修复领域还存在许多不尽如人意的情况:目前已发现的超富集植物种类还不够多，不能满足各种环境下的治理需要;有限种类的超富集植物其生长速度较慢，治理效率较低;对超富集植物根际促生菌的研究还不够深入，对其种类、数量、生存环境、培养方式、效用机理等方面的认识还比较肤浅．

重金属污染土壤的治理涉及多种学科，是一项综合性强、较为复杂的系统化工作．例如，利用基因工程的方法分离相关酶的基因并将其导入目标植物内，将超富集植物的修复能力与目标植物的生长能力结合起来;利用微生物学方法培养根际促生菌并接种于目标植物，使根际促生菌得到更广泛的应用．在实际应用过程中，如何保持重金属、植物、土壤三者之间的平衡是植物修复的难点．由于，不同地区土壤性质、气象条件存在差异，污染物种类、含量也不尽相同，选用合适的超富集植物是修复工作的关键．许多地区遭受多重重金属污染，土壤中含有多种重金属，使得修复工作更加复杂和困难，这就需要科研工作者对各种重金属、各种超富集植物及其根际促生菌的相互关系进行更深入的研究．

正如上文所说，未来的研究应着重于运用多学科的方法和成果为植物修复开辟新的道路，例如，结合生物化学、环境科学、植物生理学、土壤科学和生物工程等学科．现如今，已有很多方法可以用来提高植物修复重金属污染土壤的能力，如施加螯合剂和螯合肽基因、施加植物营养、与基因工程技术相结合等．重金属污染土壤的植物修复无疑为人们提供了一条崭新的思路，是环境污染治理的一个有效手段，在未来将有广阔的发展前景．

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