重金属富集植物种质资源收集研究进展

张英　朱守晶 揭雨成　邢虎成　佘玮 鲁雁伟 陈建芳

摘 要 随着工矿业发展、城市化进程的加快、农药化肥的施用，我国的重金属土壤污染问题日趋严重。相比物理、化学修复方法，植物修复技术更加廉价、安全，成为目前各国研究的热点。超富集植物是植物修复技术的关键核心，开展超富集植物的收集、筛选、研究工作具有非常深远地意义。基于此，结合国内外在重金属超富集种质资源收集方面的进展进行简要综述。

关键词 重金属；超富集植物；种质资源

中图分类号：S46 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.27.089

随着城市化和工业化的发展，矿山开采冶炼、工业“三废”（废水、废气、废渣）、汽车尾气、化肥农药的施用所带来的土壤重金属污染问题越来越引起世界各国的关注。广义上的重金属是指密度大于5 g·cm-3的金属元素，生态环境方面的重金属是指Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn以及具有较强生物毒性的As。土壤中的重金属可通过食物链在动物以至于人体内富集，进而对人体健康造成损害，例如20世纪发生在日本富山县和水俣镇的“痛痛病”和“水俣病”，就是分别由Cd中毒和Hg中毒引起的。矿山开采所产生尾库是土壤重金属污染的主要来源，这些固体废物来到地表以后，由于环境变化造成了多种重金属元素向地面土壤当中的释放，进而产生了重度重金属污染的土壤，造成生态环境的恶化。

农业部污灌区调查发现，我国污灌区面积约在140万公顷，其中重金属污染面积占64.8%。过去50年中，世界排放到环境中的重金属Cd约22 000万吨、Cu约939 000万吨、Pb约783 000万吨、Zn约1 350 000万吨。土壤是极其宝贵的自然资源，由于土壤重金属污染具有不可逆、隐蔽性等特点，一旦遭受污染就难以修复。因此，重金属污染土壤修复的需求越来越变得紧迫，成为亟待解决的棘手问题。

1 植物修复的概念

植物修复的设想最早是由美国科学家Chaney在1983年提出的，即通过种植一些超富集植物来清除土壤中的重金属。植物修复是生物修复的一部分，一般是指利用绿色植物的生命代谢活动来吸收、分解、挥发或固定土壤环境中的重金属，降低重金属在土壤中的总量和有效态含量，从而使污染了的环境能够部分恢复到原初状态的过程。

2 超富集植物的特征

目前，对重金属超积累植物比较公认的判定标准包括以下三个方面。1）植物地上部较普通植物能够积累10～500倍某种或几种重金属，即地上部干重的Cd含量应在l00 mg·kg-1以上，Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量应在

l 000 mg·kg-1以上，Mn、Zn含量應在10 000 mg·kg-1以上。2）地上部重金属含量大于根部或地下部该重金属含量，即转运系数>1。3）对重金属具有较强的耐性且没有出现明显的毒害症状。

3 重金属超富集植物种质资源

1948年，Minguzzi等[1]首先在意大利南部富含Ni的风化土壤中发现了Ni超富集植物，其叶片干重的Ni含量高达1%，这是人们首次找到超富集植物。目前，世界各国对遏蓝莱属（Thlaspi）、庭芥属（Alyssuns）、芸苔属（Brassica）的超富集植物研究的较多。现已发现的Cu、Mn、Ni、As、Cd、Co、Zn、Pb和Se等重金属元素的超积累植物达到492种左右，分布于45个科，其中320多种是Ni超富集植物。近年来，许多学者对植物修复领域产生了浓厚的兴趣并取得了一定成果。

4 重金属超富集植物的特征

寻找和培养生物量大、生长速率快、生长周期短的超富集植物，是提高植物提取技术效益的长期策略。现有的超富集植物大部分都是野生植物资源，其生长速度慢、生物产量低、修复时间长、地域性强，并且大多只能修复一种重金属污染，难以达到修复重金属污染土壤的目的。由以上存在的问题可以推出，理想的修复用植物应该符合以下五个特征。1）具有富集一种或几种重金属的能力，并能富集于植物的地上部分。2）对富集于体内及体外未被吸收的重金属有耐受性。3）具有高的生物量，生长速度快。4）具有发达的根系。5）为人们所熟悉，已经掌握其栽培及植保技术，且在当地就有生长。为此，继续寻找开发生物量较大又具经济价值的且对重金属耐性强、富集性强的植物或作物是植物修复技术走向工程应用的首要任务。

5 苎麻对重金属的抗性和富集能力

岳庆玲[2]对宝山铅锌银矿区调查发现，在高Pb土壤背景下，苎麻地上部的Pb含量超过1 000 mg·kg-1，在柿竹园矿区和宝山矿区，苎麻对各种重金属元素的转运系数都大于1，表明苎麻可能是Cd和Pb超富集植物。佘玮[3]对石门雄黄矿区、冷水江锑矿区、浏阳七宝山矿区的野生苎麻重金属吸收积累特征的调查发现，苎麻Cd富集系数和转移系数最高为2.07和3，As富集系数和转移系数最高为1.04和12.42，Sb富集系数和转移系数最高为1.91和9.04，盆栽和微区试验表明，在最高89.9 mg·kg-1 Cd处理下，虽然株高、生物量、叶片数、SPAD值降低，苎麻存活率仍能达到100%，可以完成正常生长周期，表现出较强的耐镉特性。韦朝阳等[4]在两个砷矿区的调查发现，石门雄黄矿尾砂坝附近，仅生长蜈蚣草、苎麻，旧冶炼区仅有苎麻等10种植被，苎麻对砷具有极强的耐性，高砷区苎麻叶、茎、根中的砷含量分别为536 mg·kg-1、

103 mg·kg-1、69 mg·kg-1。曹德菊等[5]采用盆栽试验，研究了苎麻对Cd的耐受能力，结果表明苎麻对Cd有一定的富集积累效应，在Cd浓度达200 mg·kg-1时长势较好，低于200 mg·kg-1的Cd溶液可促进苎麻生长，富集系数最高可达9.95，具有一定的修复潜力。龙育堂等[6]在Hg污染稻田种植苎麻，发现在土壤Hg含量130 mg·kg-1

以下的条件下苎麻的产量、品质未受明显影响，土壤Hg净化率达41%，土壤自净年限比水稻缩短8.5倍。陈志澄等[7]对广东土法炼砷废墟及其周边砷污染调查发现，苎麻是耐砷植物，模拟试验表明种植苎麻可减少As的迁移，不会引起二次污染。雷梅等[8]对湖南柿竹园矿区调查发现，苎麻是优势种，在重金属污染最严重的才山选矿厂，仅有荨麻科的苎麻、凤尾蕨科的蜈蚣草、木贼科的木贼零星分布，苎麻对重金属有一定的富集能力，其地上部和根部铅含量分别为680 mg·kg-1和444 mg·kg-1，对铅的富集能力明显高于其他植物。苎麻还具有很强的富集镉的能力，在含镉10 mg·kg-1的污染农田土壤上，其地上部含量就能达到

l5 mg·kg-1，可见苎麻属于富集型植物。

6 研究展望

植物修复相比传统修复方法具有很多优势，如环保、廉价、适用于大面积土壤修复等，但作为一门刚刚兴起的技术还存在一些缺陷，1）植物对土壤环境中的重金属有一定的耐性限度，污染过于严重的土壤不适用于植物修复。2）多数超富集植物属于野生植物，生物量小，生长缓慢且具有落粒性，易受环境条件影响。3）修复周期较长，难以适用于快速修复。4）根系较浅，大部分超积累植物的根系分布在耕层20～30 cm的深度，只适用于表层土壤修复。5）对重金属具有选择性，大多数只能富集一种或几种重金属，不具备广谱性。6）大部分植物修复还处于示范阶段。因此，加强重金属超富集植物种质资源的搜集、整理和分類工作，寻找生物量更高、生长速度更快，特别是能够进行复合污染修复的野生超富集植物资源，并克隆、鉴定相关作用基因，对现有作物特别是不进入食物链的经济作物进行改良，创造新的超富集植物种质资源，将成为未来的发展趋势。

参考文献：

[1] Minguzzi C， Vergnano O. Ⅱ Contenuto Dinichel Nelleceneridi Alyssum Bertolonii Desvaux[J]. Soc Tose Sci Nat Ser A，1948，55：49-74.

[2] 岳庆玲.湖南典型矿区土壤和植物重金属污染研究[D].杨陵：西北农林科技大学，2004.

[3] 佘玮.苎麻对重金属吸收和积累特征及镉胁迫响应基因表达研究[D].长沙：湖南农业大学，2010.

[4] 韦朝阳，陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报，2001（7）：1196-1203.

[5] 曹德菊，周世杯，项剑.苎麻对土壤中镉的耐受和积累效应研究[J].中国麻业，2004，26（6）：272-274.

[6] 龙育堂，刘世凡，熊建平，等.苎麻对稻田土壤汞净化效果研究[J].农业环境保护，1994，13（1）：30-53.

[7] 陈志澄，毋福海，黄丽玫，等.砷矿尾砂污染及其治理研究[J].环境污染与防治，2006，28（3）：180-182.

[8] 雷梅，岳庆玲，陈同斌，等.湖南柿竹园矿区土壤重金属含量及植物吸收特征[J].生态学报，2005，25（5）：1146-1151.

（责任编辑：刘昀）