重金属污染土壤的植物修复研究进展

唐德友 刘 维（索尔维投资有限公司研发中心环境部门上海201108）

重金属污染土壤的植物修复研究进展

唐德友 刘 维
（索尔维投资有限公司研发中心环境部门上海201108）

土壤中的重金属污染一直是国际难题。植物修复，利用绿色植物吸附、去除土壤中的重金属或使其无害化。与传统环境修复技术相比，植物修复技术具有治理成本的低廉性，环境美学的兼容性，治理过程的原位性。本文主要对土壤重金属污染植物修复的研究现状与作用机理进行综述。

重金属；土壤；植物修复

前言

土壤重金属污染来源广泛，包括采矿、冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、制革和染料等工业排放的三废及汽车尾气排放、农药和化肥的施用等。导致土壤污染的重金属主要包括As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn等，通常情况下是几种重金属的复合污染[1]。土壤中的有害重金属积累到一定程度就会对土壤植物系统产生毒害，不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，并可能通过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。尤为严重的是有毒重金属在土壤系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。因此，土壤系统中的金属（特别是有毒重金属）污染和防治一直是国际上的难点和热点研究课题。

植物修复是一种利用自然生长植物或遗传培育植物修复金属污染土壤的技术的总称，它在技术和经济上都优于传统的物理或化学的方法，是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的方法，并已在全球得到了迅速的发展和应用。

1 植物修复技术的产生与应用现状

早在1583年，意大利植物学家Cesalpino首次发现超富集植物（Hyperaccumulator）后，1814年Desvaux将其命名为Alyssum bertolonii(庭荠属)，1848年，Minguzzi和Vergnano首次测定该植物叶片中(干重)富含Ni达7900ug/g(0.79%)[2]。之后研究发现，这些植物是一些地方性的物种，其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关性[3]。这些植物作为指示植物在矿藏勘探发挥了一定的作用[4]。在中国，利用指示植物找矿的工作也开展较早，如在长江中下游安徽、湖北的一些铜矿区域分布的Elsholtzia harchowensis Sun(海州香薷,俗称铜草)在铜矿勘探中发挥了重要作用。重金属污染土壤上大量地方性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究，同时某些能够富集重金属的植物也相继被发现。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属污染的思想；随后有关耐重金属植物与超富集植物的研究逐渐增多，植物修复作为一种治理污染土壤的技术被提出，工程性的试验研究以及实地应用效果显示了植物修复技术商业化的巨大前景。

1998年Heaton等人利用一种转基因水生植物——盐蒿和陆生植物拟南芥、烟草去移除土壤中的无机Hg和甲基Hg，这些植物携有经修饰的细菌Hg还原酶基因merA，可将根系吸收的Hg2+转化成低毒的HgO，从植物体中挥发出来。

1987年Nishizono等人研究了蹄盖蕨属(Athyriumyokoscense)的根细胞壁在重金属耐性中的作用，认为该植物所吸收的Cu、Zn、Cd总量中有70%一90%位于细胞壁，大部分以离子形式存在或结合到细胞壁结构。

2004年，丁克强、骆永明等人研究了黑麦草(kliummultinomm Lam)能促进根际土壤中菲等多环芳烃的降解。这种修复作用可能与种植黑麦草后根际土壤中多酚氧化酶活性提高有关。黑麦草地上部可积累少量苯并[a]芘，其本身对土壤苯并[a]芘污染有净化作用。叶海波等人2003年研究结果表明，Zn与Cd在东南景天的生长影响具有生理拮抗效应，Zn与Cd在高浓度的时候都能抑制茎和根的生长，但是在1000 umol Zn/L处理条件下，适当地提高镉浓度能缓解高Zn处理对植物生长的抑制；在400 umol Cd/L处理下，提高Zn浓度能缓解Cd毒，使景天根和茎受抑制的症状减轻。

2 重金属污染的植物修复机理

2.1 离子区隔化作用

植物能够将进入其细胞内的重金属离子屏蔽进入液泡内。在这一过程中液泡膜上的重金属离子与氢离子反向转运蛋白和依赖于AT'P的质子泵起着主要的作用。比如，在Cd2+诱导下，可以从植物细胞中分离出两种PC-Cd复合物：贫硫的低分子量PC—Cds复合物(1owmoleculerweight，LMW)和富硫的高分子量PC-Cds复合物(highmoleculerweight，HMW)。这两种复合物作为载体和清道夫将原生质内的重金属运输至液泡，通过液泡将重金属区室化是植物重金属抗性的重要机制。一些重金属超积累植物可把重金属贮存在叶片表皮的表皮毛中，避免重金属对叶肉细胞的直接伤害。

2.2 鳌合作用

植物能分泌某些金属结合蛋白和某些特殊的有机酸来螯合重金属。超积累植物也可能分泌金属结合蛋白(类似于金属硫蛋白或植物螯合肽)作为植物的离子载体，还可能分泌某些化合物，促进土壤中金属溶解。万敏等通过对不同镉积累类型、小麦根际土壤低分子量有机酸与镉的生物积累的研究，证实了植物可以通过分泌有机酸来复合或螯合溶解土壤中的Cd。

2.3 生物转化作用

植物还原土壤中的重金属进入植物体内的重金属离子Cr、Se、As等，由于被还原或被整合到有机物质中去，从而大大的降低其毒性。一些植物在缺铁或铜的条件下，根系还原Fe3+或Cu2+能力增加，吸收的Fe、Cu、Mn、Mg也增加。此外，Fe/Mn水合氧化物的吸附作用影响土壤中重金属的可移动性。当这些氧化物还原时，则导致吸附的重金属释放。

2.4 细胞修复机制

重金属胁迫能导致大量的活性氧自由基产生，自由基能损伤主要的生物大分子及引起膜脂过氧化，而植物中的多种抗氧化防卫系统能够清除自由基，保护细胞免受氧化胁迫的伤害。植物对高浓度铜的基本抵御机制，便是增加原生质膜的抗性及原生质膜底的修复。

3 植物修复技术的优缺点

植物修复技术与传统的物理、化学技术相比具有技术和经济上的双重优势，主要体现在以下几个方面：1）实用范围广，在清除土壤中重金属污染物的同时，可清除污染土壤周围的大气、水体中的污染物；2）污染物在原地去除，可通过传统农业措施种植植物，使成本大大降低；3）植物本身对环境的净化和美化作用，更易被社会所接受；4）植物修复过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被修复过的土壤适合多种农作物的生长。

重金属污染土壤的植物修复也存在一些缺点，比如，（1）目前最具有推广价值的超积累植物植株矮小、生物量低、生长缓慢和生活周期长，因而修复效益低，不易于机械化操作；（2）通常一种植物只吸收一种或两种重金属，从而限制了植物修复技术在复合污染土壤治理方面的应用；（3）植物对土壤肥力、气候、水分、盐度、pH值等有一定的要求，而这些植物多为野生植物，目前对其生活习性和耕种方法还不了解。

结语

对于重金属污染的土壤，采用植物修复技术是一种低耗费的有效途径。虽然目前对于可利用超富集植物的生物量、适应条件还不够满意，但一方面我们可以继续寻找和发掘对重金属的超富集植物，另一方面可以应用现代分子生物学手段进行相关基因的分离与分子克隆，将其转移到生物量交高的植物体中，从而产生适合人们需求的转基因植物。

[1]谢正苗,黄昌勇,徐建民.土壤污染化学[J].土壤化学研究与应用.北京:中国环境科学出版社,1997:168-199.

[2]丁克强,骆永明,刘世亮,et al.黑麦草对土壤中苯并[a]芘动态变化的影响[J].土壤学报,2004,41(003): 348-353.

[3]叶海波,杨肖娥,何冰,et al.东南景天对锌镉复合污染的反应及其对锌镉吸收和积累特性的研究[J].农业环境科学学报,2003,22(005):513-518.

[4]王学东,周红菊,华珞.植物对重金属的抗性机理及其植物修复研究进展[J].南水北调与水利科技,2006,4 (002):43-46.