重金属污染土壤植物修复研究

2021-11-30刘爱中

科技经济导刊 2021年24期

刘爱中

（湖南人文科技学院农生院，湖南娄底 417000）

近年来，随着工农业尤其是采矿业的大力发展，土壤重金属污染日渐严重，已引起人们高度关注。土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性和持久性的特点，且重金属还会通过食物链危害人体健康。目前，治理土壤重金属污染的方法有物理法、化学法和生物法。前两种方法虽然技术较为成熟，但由于成本高，操作复杂，且对土壤结构和微生物区系容易产生破坏，在大规模的土壤重金属污染治理中实际应用价值小。生物修复包括微生物修复和植物修复。吸附重金属和转化重金属是微生物修复的主要方式，因此，微生物修复并没有将重金属从土壤中去除。植物修复是一种原位治理技术，以其独有的成本低、操作简单、对土壤扰动少等优点，已成为国内外污染修复研究的热点[1]。

利用植物治理重金属污染土壤的设想是美国学者Chaney等于1983 年首次提出的。此后，植物修复技术逐渐成为重金属污染治理的研究重点，并逐步走向商业化。在北美和欧洲地区，重金属污染土壤植物修复能带来40 亿美元的市场年均价值。植物修复是一门环境污染治理技术，它以植物耐受和富集某种或某几种化学元素为前提，利用植物及微生物共存体系使环境中污染物得到有效清除。植物不仅可以改变污染物中元素的形态和有效性，还可以累积、稳定和转移污染物，因而植物修复是一条解决土壤污染的根本途径。重金属污染土壤的植物修复就是利用具有重金属耐性和富集特性的植物，降解、转化、稳定、吸收和提取土壤中的重金属，通过植物及其根际微生物共存体系，改变土壤重金属的形态和结构，降低土壤中重金属的浓度，使受重金属污染的土壤部分恢复到原初状态，有效达到修复重金属污染土壤的目的。

1.植物修复重金属污染土壤的方法

植物修复重金属污染土壤是利用植物的吸收和代谢功能，将土壤中的重金属转化、吸收、稳定或提取的过程。由于重金属的理化性质各异，植物的新陈代谢也不尽相同，植物修复有多种特点和功能，但总体上可分为植物提取、植物挥发、植物稳定和根际过滤4 大类。

植物提取：植物提取作为目前植物修复诸多方法中研究最热、发展前途最大的技术，是利用植物特别是其地上部富集重金属能力强的特性，通过植物吸收土壤中的重金属并将其转移至地上部分贮存，收获植物地上部分并对其进行处理，从而减轻重金属对土壤的污染。研究表明Thlaspi caerulescens 对土壤Zn 的去除效率分别是萝卜的79 倍、油菜的146 倍[2]。植物提取技术的前提是筛选出来的植物必须既能耐受重金属又能大量富集重金属。因此，超富集植物的寻找和筛选是植物提取技术的难点和关键。

植物挥发：有些植物对重金属有很强的吸收、运输和挥发能力。植物挥发是利用这些植物将土壤中的挥发性重金属吸收到植物根系，然后将其运输至地上部，再将其转化为气态形式，最后通过叶片等部位释放到大气中，从而减轻挥发性重金属对土壤的污染。这一修复途径只适用于挥发性重金属（比如汞、硒等），而且将重金属释放转移到大气中存在环境风险，因而植物挥发技术有较大的局限性。

植物稳定：植物稳定是利用植物根部对重金属的耐性和富集特性，通过植物根系累积和固持土壤中的重金属以及根系分泌物，改变土壤重金属形态，降低重金属的移动性和毒性。植物分泌物可将Cr6+还原为Cr3+，从而降低Cr 的毒性。植物稳定有两种主要功能，一方面通过植被恢复保护受污染的土壤免受风沙尘暴侵袭，减少水土流失和土壤渗漏，防止重金属的淋移和扩散；另一方面通过根系对重金属的吸附固持和累积沉淀以及根系分泌物对重金属形态的转化，降低重金属的生物有效性，减少重金属的迁移。这种方法只是将重金属稳定在植物根系，但不能永久去除重金属。

根际过滤：根际过滤是指植物借助根系的吸收和根表面的过滤，从重金属污染的水体或湿地中吸收、累积和沉淀重金属，减轻重金属对水体或湿地的污染。水体和湿地重金属污染植物修复的主要途径是根际过滤。用于根际过滤的植物通常根系发达、表面积巨大（如宽叶香蒲和印度芥菜等），对重金属的吸附能力强、过滤效果好。芦苇和宽叶香蒲可有效清除湿地中的Zn、Cd 和Pb，水体中的水葫芦和浮萍对Cu、Se 和Cd 有很好的去除效果。

2.重金属污染植物修复机理

植物对重金属的抗性机理：有些植物体内具备防御系统，能够抵抗逆境的危害，比如重金属毒害，这些即使在很高的重金属含量环境中也能够生长并完成生活史。植物可通过避性和耐性两种途径获得对重金属的抗性，且同一植物中两种途径往往能协同作用。

限制重金属的跨膜吸收：植物可通过限制重金属的跨膜运输以减小植物对重金属的吸收。细胞膜是细胞与外界环境的分界面，环境中的重金属离子通过细胞跨膜运输进入细胞内，重金属能否运输入植物细胞内以及输入的数量主要取决于细胞膜的透性，而决定细胞膜透性大小的主要因素是细胞膜的组成结构。也就是说，细胞膜的组成结构决定重金属能否进入细胞。因而，细胞膜的不同组成结构和变化能力的大小导致植物重金属抗性产生差异。

对重金属的排斥：植物主要通过排泄和组织脱落两条途径对重金属进行排斥，如分泌脱落酸促进重金属毒害较重的叶片脱落或加速老叶的脱落。植物原生质膜能主动将重金属排出体外。植物吸收重金属后，再将其排出体外达到解毒目的。

体外络合：植物根系分泌物可使土壤重金属的形态发生改变，使重金属的生物有效性降低，重金属对植物的毒害减轻。根系分泌物能与土壤重金属离子形成金属螯合物，降低重金属的生物活性和移动能力。另外，根系分泌物能包埋吸附重金属从而将其在植物根外沉淀，根系分泌的黏胶状物质具有络合作用可使重金属离子（如Cd2+、Pb2+、Cu2+等）滞留于根外。

抗氧化防卫系统的作用：植物受重金属胁迫时，其体内产生大量活性氧，对植物造成毒害。而植物细胞形成的抗氧化防卫系统能够在一定限度内将过多的活性氧清除，保护细胞免受伤害。抗氧化防卫系统主要由GSH、AsA 等非酶性活性氧清除剂和SOD、CAT、POD 等酶性活性氧清除剂以及维生素C、维生素E 等抗氧化剂组成。它们协同作用，将细胞中过多的活性氧清除，使自由基代谢保持动态平衡。

脯氨酸和可溶性蛋白的作用：植物细胞中脯氨酸和可溶性蛋白含量的增加，能促进细胞渗透势的升高和功能蛋白数量的增加，保证细胞代谢正常，提升植物抵抗逆境的能力。有研究表明，植物对Cd 毒害产生解毒的机制之一是增加植物细胞可溶性蛋白质含量。作为植物渗透调节物质，脯氨酸的积累能清除活性氧、减轻膜脂过氧化引起的毒害，增强植物重金属抗性。

植物对重金属的富集机理：关于植物重金属的富集机理研究，目前主要在植物对重金属的活化与吸收、运输与转移、累积与分布等方面取得了一定进展。

植物对重金属的活化与吸收：重金属富集植物能改变植物根际环境，有效活化根际土壤重金属，促进植物对重金属的吸收。其活化途径主要有根系分泌物中的质子或有机酸促进重金属的释放；根系释放的植物螯合肽和高铁载体加速Fe、Cu、Zn、Cd 等元素的结合态溶解；根系还原性酶使重金属高价离子还原成低价态，促进重金属的溶解[3]。根系吸收是植物富集重金属的重要环节。重金属离子进入根细胞的方式是通过共质体或质外体，大部分离子需依赖转移或通道蛋白的转运才能进入根系。植物对重金属的吸收受多种生态因子的综合作用，其中与土壤重金属含量、土壤pH、CEC、有机质以及植物根际微生物等密切相关。

植物对重金属的运输与转移：进入植物根细胞中的重金属被运输与转移至植物的各部位。植物对重金属的运输与转移分为三个步骤，第一步是重金属从共质体载入木质部，第二步是重金属在木质部和韧皮部的运输，第三步是重金属转移地上部茎叶等部位。有些富集植物由于内皮层凯氏带完整，质外体途径受阻将抑制重金属运输，植物通过降低液泡中重金属含量促进重金属向地上部的转移，但其机理尚不清楚。木质部中重金属的运输速率与根压和蒸腾作用密切相关。

重金属在植物体内的累积与分布：进入植物体的重金属，通过运输与转移，积累在植物各部位，但区室化分布明显。在组织水平上，在表皮、亚表皮和皮下组织中贮存的重金属占大部分；在细胞水平上，分布在细胞壁和液泡中得重金属占大多数。细胞壁对重金属有沉淀作用，Athyrium yokoscense 根系富集的Zn、Cd、Cu 中有70%～90%分布在细胞壁上。植物还可以将重金属贮存在液泡中，使体内过多重金属与生理活性区隔离。利用电子探针对Tcaerulescens 叶片中积累的Zn 进行分析，发现Zn 主要贮存在液泡中。Rauser 等通过电镜观察，发现液泡中积累了Cd 的结晶Cd3(PO4)2，表明液泡对重金属的区室化作用。

3.植物修复技术展望

目前，植物修复技术尚停留在试验阶段。该技术的研究和发展必须依靠大量的田间结果来支撑，而且它涉及多门学科知识如土壤学、生态学、环境学、植物学、遗传学和生物工程学等的综合运用，因而未来的研究还需在理论基础和实践方面获得突破，推动植物修复技术从实验室走向产业化。筛选和驯化自然界中富集和超富集植物，以满足实际应用需要，是植物修复研究在今后一个时期的首要任务。进一步研究植物对重金属的富集机理、抗性机理、解毒机理、以及根际微生物对重金属生物有效性的影响机制等问题[4]。基因工程技术和分子生物学的结合，将植物细胞中耐有毒有害物质的超富集基因、抗性基因移植到根系发达、生长迅速、生物量大的植物中，培育出生物量大、富集能力强的植物，提高植物修复效率。加强对影响植物修复的生态因子及其调控手段的研究，生态因子的研究主要包括土壤重金属含量、重金属生物有效性、土壤pH、CEC、有机质以及植物根际微生物等问题；调控手段的研究主要包括改良剂、有机质等的应用和灌溉、施肥等农业措施的实施。