重金属污染和重金属富集植物研究现状

杨礼 马银花

摘 要：目前国内外的专家学者对有关重金属污染和重金属富集植物做了大量的研究，并取得了一系列的成果。该文在系统总结这些成果的基础上，从监测、治理和富集等方面分析了总体研究现状，并对重金属富集植物今后的研究领域和方向进行了展望。

关键词：重金属污染;重金属富集植物;监测

Abstract：At present， experts and scholars at home and abroad have done a lot of research on heavy metal pollution and heavy metal enrichment plants， and achieved a series of results.Based on the systematic summary of these achievements， this paper will briefly evaluate the overall research status from the aspects of monitoring， governance and enrichment， and finally briefly discuss the practical significance of the theory of comparative advantage.

Key words：Heavy metal pollution; Heavy metal enrichment plants; Monitoring

在工業革命后，重金属与人类的关系日益密切。人们在开采重金属的过程中由于技术限制，免不了对环境和生物造成不同程度的影响。随着地球环境恶化，人们逐渐意识到治理和控制污染是迫在眉睫的任务。首先，植物的根系在土壤污染中直接受影响，而在植物生长中，植物的根系有着不可替代的作用[1]。在很多学科中植物的根系都有着重要的研究意义，有研究指出植物的变异，约有80%与根系产生的变异有关[2]。

从1989年以来，约有近7000篇有关“工程”“土壤”“植物根系”等文献，为环境治理等方面提供了重要的理论依据[3]，同时表明重金属污染治理和重金属富集植物已是世界研究的主要问题之一。在进入21世纪后，学者又发现植物根系和环境与土壤微生物的共生相互作用，这些都和治理重金属污染的土壤，以及后期的恢复有着密不可分的关系[4]。随着科学技术的进步，检测技术和仪器设备的发展，有更多试剂投入使用，如ETDA去除土壤重金属[5]。

1 重金属污染研究现状

大气污染和水污染长期以来一直受到人们的关注，相对而言土壤污染所受到的关注则较少。一方面是由于土壤污染的隐蔽性和滞后性所致，另一方面也是由于人们的认识有限所致。当治理大气污染和水污染取得成效后，土壤污染问题的严重性和紧迫性就充分显露出来了，在国际上越来越受到重视，并成为环保领域中研究的热点问题[6]。土壤重金属污染对人类健康、农业产量、土壤生态系统和水环境尤其是地下水储量的危害，已成为世界性的难题[7]。

1.1 重金属污染地植物和水体 植物对于营养获取在很大程度上取决于环境条件，特别是土壤条件，以及植物本身的遗传背景[4]。而在很多地方，重金属污染已经严重破坏了当地环境，锡矿山固体废物来自于矿山开采过程中矿石经选冶后，产生的尾矿或废渣矿山产生的废石和尾矿堆是矿区主要的污染来源，尾矿堆中含有大量的重金属污染物，这些污染物在降水淋滤及风化作用下会迁移至矿区周边环境，造成土壤的污染。炉渣、尾矿排放堆积于厂区或矿区附近，侵占和破坏了大量土地资源，造成水土流失，成为山体崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生的隐患[8]。由于各地的地质成因的不同[9]，不种重金属也会形成不同程度的污染，这种复合污染成为矿区很多植物生存、生长和发育的限制因子[10]。有相关研究指出同地区生物吸收系数的会产生区别，植物对土壤中元素的吸收程度是有限的，其吸收程度与土壤污染程度并不一致， 除土壤中元素的浓度影响外， 还受到元素的生物吸收能力制约[11]。近些年来在部分重金属污染地区，随着研究的深入，伴随着矿产资源、生态破坏和矿区环境污染加剧，特别是土壤中重金属的存在引起的污染，通过实验已经证实自然矿区其特殊性，在污染的条件下成为自然筛选植物的手段，许多植物在这种环境中生存、降解、变异或死亡[12]。而当重金属流入河流中，便会产生河流沉积物。河流沉积物是河流生态系统的基本和不可分割的组成部分，不仅为底栖生物提供营养，而且还作为诸如重金属污染物的汇聚之地和次要来源[13]。河流沉积物中的重金属由于其固有的毒性、广泛的来源、不可降解性、生物累积性和在水生环境中的持久性已经引起了人们的广泛关注[14]。以湖南河床研究为例，目前学者只研究典型污染地区河床10cm左右的浅层土壤[15]。对于河床方面的研究进展较为缓慢，一是由于水下的采集较为困难，二是新发现领域，缺乏较好的检测的手段等。这些因素或多或少导致研究进展缓慢。一些地区，地下水的汇入，情况变得更为复杂。在采矿业发达地区并含有地下水区域，重金属首先污染土壤，再经过土壤流入江河，部分重金属渗透入土壤深处，经过一段时间后，透过土层达到地下水。

1.2 水体中微生物 污染地区中的地下水区域是一个相对封闭的环境，重金属在此得以大量保留，水中原来含有的氢、氧离子与微量金属元素长期与渗透浸入的重金属反应，严重危害了当地及下流居民的生命健康[16]。当被污染的地下水或者是地上水与城市管网系统中的污水混合将会有更为严重的后果。在法国某一地区，学者们将医院和城市废水等多种污染物，如有机化合物、重金属、洗涤剂、消毒剂、药品和对抗生素耐药的微生物的废水进行研究，以便进行生态毒理学和抗生素耐药性监测[17]。其中的微生物大部分死去，小部分在重金属，抗生素等物质的作用下发生了变异，目前研究人员正在对后续相关进行实验，他们尝试与其他测试地点进行比较，以此来巩固结论。也有部分，学者开始将抗生素与重金属锌进行混合以评估重金属污染时间变化对微生物群落多样性的影响，并量化不同重金属胁迫对抗生素耐药性的选择效应[18]。据估计在35年内抗生素滥用会导致60～100万亿美元的损失和共计3亿人民受灾[19]，对抗生素与重金属研究已经逐渐被人们所重视，相关的研究也在不断的加深。

2 富集植物研究现状

2.1 重金属修复植物 重金属对于土壤的污染，首先受到影响的便是生活在当地的植物与小型动物。但对于植物而言，土壤中重金属积累是有毒害作用的。它们的根可以吸收土壤中高浓度的金属离子，然后转移到影响重要代谢的生化反应上[20]。土壤中高浓度的金属会导致土壤肥力和农业产量的损失，同时也会降低土壤微生物的活性[21]。重金属在植物中的毒性不像在微生物和动物等其他生物中那么容易发现[22]，超富集植物是植物实际应用于净化污染土壤和工业废物的物质基础。在过去20年里，中国的研究人员进行了大量的筛选工作，发现了许多不同的元素超富集植物，包括紫背豆蔻、雙子叶植物、金缕梅、商陆、紫翅蕨、东南景天和铅垂景天等[23]。近年来，有学者发现在富集植物方面，许多与人们生活密切相关的植物也有极大的修复潜力，如油菜、水稻、龙葵、稻草等。

2.2 植物重金属富集能力 学者发现这些植物对不同重金属胁迫都有这一定的富集能力。根是植物生长发育中最为重要的环节之一，也是植物吸收外界营养的重要方式之一。由于根系具有较好的可塑性，面对不同的重金属胁迫，它们的结构会发生变化，从而产生有利于幼苗活力和产量的稳定的变化。研究人员采用不同浓度的重金属胁迫培养油菜，得出了油菜根系在低浓度锌胁迫下能诱导根系更快形成和生理适应，但过量则对植物产生毒害作用[24]。在多数地区重金属污染并非一种重金属，而是由多种重金属混合，当铅、镉和砷在土壤中共存时，它们作为协同、拮抗和添加剂的交互毒性比单个重金属更复杂。随着实验进行，学者发现铅、镉和砷对龙葵生长抑制和氧化损伤有剂量反应作用。铅和镉之间的相互作用反而小于单一的毒性，而砷-铅和或砷-镉混合大于单一毒性。植物同时接触铅、镉和砷不仅增加了铅和砷的吸收，同时降低了镉的吸收，而且产生了较高的氧化毒性。原因在于土壤中，大多数镉是可替换的形式，而铅和砷的形态较为稳定[25]。对于植物整体，在植物冠层上湿或干沉积大气沉淀后，大气重金属可通过植物叶片器官吸收。不像根对金属的转移，对植物叶片从大气中吸收重金属知之甚少。据相关文献所知，在叶片方面存在显著的研究空白[26]。

2.3 水生修复植物根茎叶重金属富集能力 在1项有关洞庭湖水藻富集实验中，植物的穗，叶片，跟，芽，茎秆中不同重金属浓度是不同的。研究发现穗和叶中镉金属浓度最高;而根中铜和锰含量最高，穗中铅含量最高，穗和芽中锌含量最高。相反，在茎、根和芽中检测到最低的镉浓度;在叶和茎中检测到最低的铜浓度;在圆锥花序、根茎和茎中检测到最低的锰浓度;茎中铅浓度最低;叶、茎和根茎中锌浓度最低[27]。有研究发现同一物种的植物，在不同气候条件下培养，也会对不同的重金属胁迫产生不同的反应。有实验发现，对处于同块湿地34种植物进行5d的暴雨冲刷，测试其对重金属富集能力，结果表明，在各科植物中，巨大的须根系统和以叶片为主的芽可以较好的富集重金属。此外，田间条件，包括季节变化和与水中其他物质的相互作用，环境中各种不同种或同种植物也可能改变植物对重金属的吸附能力[28]。所以，富集植物的生存不是单一物种，而是要以多个物种相互配合协作完成。以便在短时间内，完成对此区域的改善和修复。在某项研究中发现，水生凤尾草的根叶有极大的重金属富集潜力，但是其富集量不足以满足需求，于是学者通过外部改变其超氧化酶等蛋白酶改善本种植株的富集力。经过RNA-seq检测和黄酮类测定，证实了植物的根与叶表现了不同的重金属吸附能力。根系通过提高其抗氧化水平来抵抗镉的毒性，而叶片则通过维持光合作用的生理功能来保护植株[29]。

2.4 盐碱区富集植物 在一些地区，尤其是盐碱地区，植物为了适应当地环境，特化了自己的器官，但随着重金属污染的加剧和扩散，它们又不得不又再一次地适应环境，盐生植物由于对盐度的耐受性，也表现出对重金属的高度耐受性和对增强根和茎的金属转移力[30]。有人发现生物炭作为修复污染土壤的重要材料可以辅助盐碱植物进行相关的修复工作，但不同的生物炭对重金属的生物利用度有不同的影响，将这两者结合的实验目前尚在进行。但生物炭作为一种良好的重金属吸附材料，可以将农作物中的铅、铜高效吸附，对锌，镉也有良好的表现[31]。一直以来用作环境监测植物的苔藓类植物，近些年来有学者发现此类植物结构简单、遗传多样性、全能性、快速菌落形成能力、高金属抗性的行为，也可作为一种良好的富集植物，陆地苔藓与重金属的吸收、积累、毒化和脱毒关系机制值得进一步研究[32]。

3 结语

重金属在生活中随处可见，要防止其对环境和人类的损害[33]。很多地方做了“先开采后治理”方案，造成大量的污染，地上、地下水、土壤都收到了不同程度的污染[34]。地方环保部门在选择重金属污染土壤修复技术时，应根据受重金属污染土壤的理化性质、污染程度、修复目标、治理经费、治理期限以及技术方法的适用范围等因素进行综合考虑，以选取最佳的技术方法或其组合[35]。富集植物也要与当地的环境相适应，并且要多种修复植物协同配合。新型微生物的重金属修复，其性能来源于其自身的防御机制，如酶硒细胞形态变化等。这些防御机制包括微生物酶的积极参与，如氧化还原酶、氧合酶等，这些酶会影响生物酶的速率[36]。植物根系在生物圈、环境和农业中起着至关重要的作用，关于其生长和结构的定量原则仍然知之甚少[37]。由于富集植物在土壤中的迁移能力的潜在增加和由此产生的环境风险，治理受到混合物污染的土壤必须谨慎地执行[38]。对重金属污染土壤进行去污处理对于降低相关风险，维护环境健康和生态恢复至关重要[39]。

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（責编：王慧晴）