重金属吸附累积特殊品种研究

2020-01-18张文博王彩虹

黑龙江科学 2020年2期

张文博，王彩虹

(河套学院，内蒙古巴彦淖尔 015000)

0 引言

随着工业化进程的加快，土壤污染问题日益严重。重工业带来的不只是地方财政的巨额收入，同时还有工业污染带来的环境问题。冶金业、采矿业的快速发展使土壤问题显现出来，出现土壤生产能力下降、农产品污染、生态环境破坏等严重问题。有报道称，中国有2 000万公顷的农田被重金属污染，也就是有1/5的耕地被污染，因为重金属污染而造成的粮食减产大于1 000万吨[1]。土壤中过量的重金属不仅会影响粮食作物生长，而且土壤中的重金属会随着食物链进入人体，并进一步富集，严重危害人类健康。由此引发的农田土壤重金属污染及粮食安全问题越来越受到人们的重视，尤其是研究人员的重视[2]。

目前，国内外治理农田重金属污染的举措(即预防粮食重金属污染的举措)主要有：一是物理化学方法。利用物理化学原理来实现去除土壤重金属污染，效果较为显著。缺点是需要投入大量人力和物力，可能引起二次污染。二是生物修复方法。利用生物技术来完成土壤的重金属修复，包括微生物修复、动物修复和植物修复。此法廉价、绿色、有成效，缺点是植物生长周期长。三是利用重金属吸附累积特殊品种法。将重金属超累积和低累积植物应用于预防粮食的重金属污染。本研究从重金属超累积和低累积植物品种的概念、可能机理、影响因素等方面进行综述，旨在为预防粮食重金属污染提供基础参考[3-4]。

1 重金属吸附累积特殊品种概述

1.1 重金属超累积植物

重金属超累积植物最原始的定义是由Brooks等人于1977年提出的，是指能够大量吸收并在体内累积重金属的一类特殊植物。后来，又由Baker对重金属超累积植物给出了具体参考值，即以植物叶片中的重金属含量的阈值区分，Hg达到10 mg/kg、Cd达到100 mg/kg、Ni、Co、Cu、Pb、Mn达到1 000 mg/kg，Zn达到10 000 mg/kg以上。目前，使用最多的超富集植物的定义需要满足三个条件：一是植物地上部分的重金属含量超过此地普通植物的100倍以上；二是地上部分重金属含量大于其地下部分；三是该植物没有表现出毒害特征。利用重金属超富集植物吸收土壤中的重金属并转移到地上永久去除被认为是预防粮食污染很有前景的修复农田方法[5-7]。

1.2 重金属的低累积植物

在重金属污染的农田中，通过种植低累积植物品种得到安全的食用部分来实现预防粮食重金属污染。近年来，扬中艺等人提出了污染对策品种(即污染防治品种)的概念：在一定污染条件下，植物可食部分积累的重金属量比安全食用标准低，并且此种低累积的特性是稳定的[8]。有研究人员还提出了排异植物的概念，是指在重金属污染土壤上可以正常生长、植物的地上部分和地下部分重金属含量都较低的植物。对于粮食安全而言，使用污染对策品种这一概念更为严谨和贴切[9]。

2 植物对重金属吸附累积的差异

2.1 植物吸附累积重金属的差异

不同种类的植物外形与结构差异和吸附积累重金属的机理不同，对重金属的吸附累积存在明显差异，这是筛选重金属超累积植物的前提条件[10]。有研究人员做了粮食田间试验，在同一田地不同浓度Cd胁迫下种植小麦、水稻、大豆、玉米，分析结果发现，对Cd的吸附累积小麦最大，水稻大于大豆，玉米最小[11]。研究表明，绿叶蔬菜也存在重金属吸附累积的差异。对重金属的吸附累积而言，绿叶类蔬菜>根类蔬菜>豆类蔬菜。同一种植物不同基因型之间的重金属吸附积累也存在一定差别，这是筛选重金属低累积植物的前提条件。有研究者把13个油菜品种种在同一块田地里，对其地上部分测定重金属含量，发现绿叶部分Cd的含量差别很大，最高相差18倍[12]。国外研究者以14种常规水稻品种为研究对象，测定其Cr的含量，发现不同品种水稻之间Cr的含量有很大差异。另外，同一植物的根、茎、叶、果实对同一重金属的吸附累积也有差异。植物代谢旺盛的部位富集重金属较多，反则较少[13]。

2.2 重金属进入植物体的分布

重金属是通过植物的根系进入到植物体内的，部分重金属固定于植物根部，一部分重金属向地上部分转移，两者之间哪个占比重大，不同重金属是有不同比例的。研究者检测了水稻各部位Cu、Cd等重金属含量，大小关系为根最高，茎叶次之，籽实含量最少。有研究表示，对湿地植物进行Cu、Cd、Pb等测定，发现根系的重金属浓度是地上部分的5～60倍。对于有些植物而言，某些重金属元素累积在植物的地上部分，烟草中Cd的含量高于绿叶根部[14-15]。

3 形成植物累积重金属差异的机理

3.1 植物生理学机理

有研究表明，不同品种的硬质小麦中，累积Cd量高的品种有机酸含量比累积Cd量低的品种高得多。对于不同品种的水稻而言，根系沉淀的铁氧化物数量不同，使得不同品种水稻对Cd的含量不同，根系表面铁膜数量越多，水稻含镉量越高。植物根系的形状、生理特性和根系的分泌物等都是植物对重金属吸附累积的影响因素。另外，重金属在植物体内的转运和分配机制的不同也会影响其在植物体内重金属的含量[16]。

3.2 分子生物学机理

目前，与植物重金属累积相关基因方面的研究主要有植物螯合素和金属硫蛋白的解毒机制以及金属转运蛋白分子机制。有研究表明，绒毛草的基因中有抑制砷酸盐吸收系统的基因，能有效降低As的累积，减轻毒性。已鉴定出拟南芥中有植物络合素，它是一种小分子多肽，能够络合重金属。研究人员把拟南芥中的植物络合素转录到印度芥菜中，能提高印度芥菜对重金属的耐受能力。ABC转运蛋白具有很强的转运能力，它有主动运输的功能，能够运输多种机制通过生物膜。有研究表明，水稻基因组测序有45个全长ABC转运蛋白[17-19]。

4 影响土壤中可被植物吸附累积的重金属因素

植物只能吸附累积土壤中的一小部分重金属，大部分的重金属在土壤中是以难溶解或不能溶解的化合物形式存在的。植物吸附累积重金属的量是由土壤有效态决定的。一是重金属的浓度。通常情况下，植物所吸附累积的重金属浓度与土壤中的重金属浓度成正比。二是pH。研究人员发现，pH每增加0.5个单位，镉的吸附量就会增加一倍，氧化还原电位降低，植物对镉的吸附量明显下降。三是重金属之间的相互作用。植物对重金属的吸附累积具有加和性和协同性，吴燕玉等人通过实验发现，对于苜蓿来说，Cd、As的存在使苜蓿吸收Cu和Pb的能力明显提升[20-21]。