重金属污染区修复植物研究进展

阮 飞，况红玲，王 燕，刘 丹，瞿燕群，杜 丹，李世鹤，王小锋

（1.武汉法雅园林集团有限公司，湖北 武汉430206；2.湖北民族学院 林学与园艺学院，湖北 恩施445000）

1 引言

重金属，是指相对密度在5以上的金属，在工业上划入重金属的共有10种：铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、锡（Sn）、镍（Ni）、钴（Co）、锑（Sb）、汞（Hg）、镉（Cd）和铋（Bi）。除此之外，锰（Mn）也是一种十分常见的重金属。重金属一般以天然浓度广泛存在于自然界中，不会直接对人类产生危害，但由于人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属如Pb、Hg、Cd、Co等进入大气、水、土壤、植物、动物中，以各种化学形态存在，再进入生态系统后就会存留、积累和迁移，造成严重的生态环境污染。其中，对人体毒害最大的重金属有Pb、Hg、砷（As）、Cd和Cu 5种。Pb一旦进入人体就很难排除，能直接伤害人的脑细胞，特别是胎儿的神经系统，可造成先天智力低下；对老年人会造成痴呆，另外还有致癌、致突变作用。Hg主要侵犯神经系统，特别对中枢神经系统的危害极大，以肝、肾、脑组织含量最多，会导致注意力缺陷，语言和记忆障碍，运动及感觉能力的下降等。As是砒霜的组分之一，有剧毒，会致人迅速死亡，长期接触少量，会导致慢性中毒，另外还有致癌性。进入人体的Cd主要蓄积于肾脏和肝脏（分别约占全身蓄积量的1／2和1／6），损害肾、肝、骨骼和消化系统，特别是肾小管的损害，使再吸收发生障碍，可出现蛋白尿、氨基酸尿和糖尿。Cd及其化合物对动物和人也有一定的致癌、致畸和致突变的作用。Cu是人体所需的微量元素，当人体Cu摄入量不足时可引起缺乏病，但摄入过量却又可能造成中毒，包括急性Cu中毒、肝豆状核变性、儿童肝内胆汁淤积等病症。这些重金属在水中不能被分解，人饮用后毒性放大，与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机物。生物从环境中摄取重金属后可以经过食物链的生物放大作用，在较高级生物体内成千万倍地富集起来，然后通过食物进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来造成慢性中毒，危害人体健康。随着人类生态环境和复杂疾病的日益恶化，人们对重金属污染给人类带来的危害越来越感到恐惧和不安。多年来，各国科学家在重金属污染区的修复植物方面做了许多研究工作。现将近些年的研究进展简单总结如下，以供致力于选育更多能抗重金属污染的植物，改善人们生存环境的相关主题的研究者参考。

2 修复重金属污染区的乔木

2.1 修复单一重金属污染区的乔木

早期，科研工作者主要针对单一重金属污染区的植物修复研究。杨伟东［2］等人采用水培试验方法，研究了Cd对垂柳（Salix babylonica L.）3个无性系生长、吸收、积累及耐性的影响。结果表明：Cd对垂柳生长参数影响与无性系和介质中Cd的剂量有关，低浓度Cd（10 μmol／L）对3个无性系生长参数影响不显著；根系与地上部分Cd含量随介质中Cd浓度升高而增加；Cd主要积累于垂柳根部，地上部分Cd积累在无性系之间存在差异，Cd浓度为10μmol／L时，3个无性系地上部分含Cd量均大于100μg／g，迁移系数 （TF）小于1。何德等人从事的研究发现，旱柳 （Salix matsudana Koidz.）对重金属Cd的积累较高［9］。欧阳林男等人从事的Mn污染土壤的修复研究结果表明，构树（Broussonetia papyrifera）是一种抗锰或嗜锰的植物种类，在 Mn污染环境中表现出来极强的生命力和耐受力，可作为理想的锰矿污染区修复的先锋树种［16］。此外，栾树可作为用材林使用，有一定的经济价值，也可作为锰矿区植物修复的首选乔木植物之一［14］。康薇等人从事的对湖北古铜矿的研究结果表明，在Pb污染区域可选择栽植二球悬铃木（Platanus acerifolia Willd.）和构树，在 Cd污染区域可选择栽植法国冬青（Viburnum odoratissimum Ker－Gawl）、梧桐（Firmiana plataL.）等树种［18］。

2.2 修复复合重金属污染区的乔木

随着环境的恶化，人们逐渐发现重金属污染区的重金属种类远远不只一种，随之具有复合修复功能的植物也相继被发现。张婧等人认为，重金属元素中有很多是对桉树（Eucalyptus robusta Smith）生长发育有促进作用的微量元素；并且桉树在Cd、Zn、Mn、Pb、Cu等重金属土壤污染地区栽植可以取得成功，且桉树对于土壤中上述重金属元素有较好的富集效果；再者在上述重金属污染区种植桉树，由于桉树树干通直，后期还可以通过间伐取得木材，解决木材供应紧张的难题，可谓一举两得，具有可观的经济收益［1］。据 Paolis et a1报道，杨树（Populus L.）根系发达，对毒性外来物质耐受性强，具富集及转运重金属到地上部分的能力［3］。在整个北美洲，杨树已被广泛应用于修复重金属、盐、有机溶剂和放射性物质所污染的土地，是有效的Cd和Zn的富集植物［4］。据国外报道，柳树（Salix matsudana Koidz.）对重金属离子Cd和Zn具有较高的积累能力［5～7］，柳树生长迅速 ，生物量大 ，能有效地从土壤中吸收重金属元素 ，清除效率较高 ，对受工业金属污染的土壤起到整治的作用［8］。方晰等人对湘潭锰矿废弃地的植物进行了盆栽试验，得出栾树（Koelreuteria paniculata）对矿渣废弃地土壤适应性强，生长旺盛，生物量大，可在一定程度上改善土壤肥力，且对Mn、Cd有一定的吸收作用的研究结论［15］。张炜鹏等人从事的南方绿化树种对重金属的积累的研究认为，垂枝榕（Ficus beniamina‘Exotica’）、菩提树（F.religiosa）、凤凰木（D eloniw reg ia）、南洋杉（Araucaria cunningham ii）分别对 Pb、Cd、Hg、As的积累作用较大，宜用这些树木进行重金属污染的治理和修复，洋紫荆（B auhinia variegata）、南洋杉、高山榕（F.altissinza）、小叶榕（F.microcarpa）分别对Pb、Cd、Hg、As的抗性最小，即敏感性最强，可用于重金属污染的监测［17］。康薇等人从事的对湖北古铜矿的研究结果表明，对于Cu、Pb和Cd等重金属复合污染区域适宜栽植法国冬青、梧桐、苦楝（Melia azedarach L.）、女 贞 （Ligustrum lucidum L.）、桂 花 （Osmanthus fragrans （Thunb.）Lour.）、青 冈 栎 （Cyclobalanopsis glauca（Thunb.）Oerst.）、毛泡桐（Paulownia tomentosa（Thunb.）Steud.）、杉 木 （Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook）、意杨（Populus euramevicana cv.‘I－214’）、樟树（Cinnamonum campora（L.）Pres）、夹竹桃（Nerium indicum Mill.）和刺槐（Robinia pseudoacacia L.）等树种，且认为木本植物生物量为草本植物的几十乃至数百倍，所积累的重金属总量远远高于一般超富集草本植物［18］。张富运等人报道合欢（Albizia julibrissin Durazz.）、泡 桐 （Paulownia Sieb.et Zucc.）、红 椿（Toona ciliata Roem.）、旱柳等乔木对 Pb表现出一定抗性，且生物量较大，具有一定的修复潜力，在治理铅锌尾矿水土污染中具有应用前景［20］。综合何德等人的研究成果，说明旱柳是一种可用于Pb、Zn、Cd复合污染区生态修复的树种。陈益泰等人通过在浙江富阳市的废弃铅锌尾矿库进行的人工植被恢复试验 ，筛选出8种植物作为废弃铅锌尾矿库绿化的优选植物。一类是抗性较强，受害轻微，生长较好，体内重金属浓度不高的植物，如紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn.）、截叶胡枝子（Lespedeza cuneata）、火 炬 树 （Rhus Typhina）、桤 木 （Alnus cremastogyne）、夹竹桃；另一类是受害较重、生长一般，但体内重金属浓度较高、积累量较大，如加拿大紫荆（Cercis canadensis）、盐肤木（Rhus chinensis）、紫花苜蓿（Medicago sativa）［21］。

3 修复重金属污染区的草本植物

一些草本植物对重金属具有较高的积累能力，如印度芥菜（Brassica juncea）、商陆（Phytolacca acinosa）、向日葵（Helianthus decapetalus）、蜈蚣草（Pteris vittata）等等［10，11］。聂发辉等人对商陆的超富集重金属能力的研究表明，商陆具备镉超富集植物的一些特点，在植物修复应用中具有一定的应用前景 ，可对之作进一步的实验研究。特别指出，与其他植物不同的是 ，商陆对镉的储存多集中在茎叶中，地上部分镉远远大于地下部分［22］。一般植物对重金属的富集量都是地下部分大于地上部分。据谭长银等报道，美国利用遏蓝菜属（Thlaspi L.）植物修复长期施用污泥导致重金属污染的土地取得了明显的效果［12］。中山大学汤叶涛等人首次在我国发现圆锥南芥（Arabis paniculata L.）有修复Pb、Zn、Cd复合污染土壤的功能，填补了国内多金属超富集植物的空白［13］。据梁希等人报道，Mn超积累植物多为草本植物，主要为陆科、蓼科和卫矛科，它们虽然能超富集Mn，但生物量小，没大的经济价值，在实际治理中并不实用［14］。束文胜等人报道鸭跖草（Commelina communis Linn.）达到Cu超富集植物标准，海州香薷（Elsholtzia splendens Nakai ex F.Maekawa）、蝇 子 草（Silene gallica L.）、头 花 蓼 （Polygonum capitatum Buch.－Ham.ex D.Don）和 狗 尾 草 （Setaria viridis（L.）Beauv.）等种类为 Cu的耐性植物［19］。张富运等人报道比较典型的Zn超富集植物有东南景天（Sedum alfredii Hance），As 超 积 累 植 物 有 蜈 蚣 草［Nephrolepiscordifolia（L.）Presl］和大叶井 口边草（Pteris nervosa Thunb.（P.cretica auct.Non L.）），Cd超积累植物有油菜（Brassica campestris L.）和宝山堇菜（Viola baoshanensis）以及 Mn超积累植物商陆等［20］。何闪英等人采用盆栽方法，研究了Cu（0～1500mg·kg）和酸雨（pH值2.5～5.6）复合胁迫对酸模Cu富集、生长和抗氧化酶系统的影响。结果表明酸模的根（Rumex acetosa）和地上部Cu的积累量随土壤Cu浓度的增大而增加，且根富集量大于茎叶富集量，酸雨能促进酸模对Cu的吸收；随着土壤中Cu浓度和酸雨强度的增加，酸模的生物量逐渐下降。Chunilall等发现绿穗苋（Amaranthus hybridus）和一种红苋（Amaranthus dubi us）对重金属Cd有很强的富集能力［24］。李凝玉等人从事的研究也证明了上述观点，认为两种苋菜（红苋和绿苋）具有生物量大、易栽培、施加NPK肥能够大幅增加生物量的同时不减少器官对Cd的吸收等优点 ，作为Cd污染土壤的修复植物有巨大应用前景［25］。杨菲等人对安徽铜陵冬瓜山铜矿水木冲尾矿库生态修复植物香根草及其根际尾矿砂中重金属Cu、Zn、Mo和Cd进行了赋存形态分析，结果表明：香根草根际尾矿砂中4种元素形态绝大部分是残渣态，但Cu和Cd的有效态含量远高于香根草正常生长所需，表明香根草是有色金属矿山尾矿库理想的生态修复植物［26］。

4 展望与建议

由于重金属污染的造成与人类的活动密切相关，而这种污染隐蔽性强，危害大，修复需要的时间长、代价高，应引起全人类的高度重视。没有意识此问题严重性的当地政府应多加强干预，劝导人类尽快停止目光短浅、一味追求眼前经济利益的造成污染的活动，以免污染区的范围越来越大，导致难以控制和治理。

随着全球自然灾害发生频率的增加，全球气候变暖趋势的不断加剧以及中国PM2.5污染区的不断扩大，抗重金属污染的植物尤其是乔木综合有效运用已不仅仅是一个地区、一个国家的难题，而是在全世界矿区、采煤区等陆地区域函待解决的长久性世界难题，同时这些植物是否也能有效调解气候，改善空气质量，维持生态平衡，也是人们对植物用途的密切期望。污染区重金属修复植物和生态平衡调节植物的综合研究与应用有待于在今后的工作中进一步加强。

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