植物修复重金属铜污染的研究进展

＊毕玲丽 陈莹 米玛 施隆敏 崔小梅

（西藏大学生态环境学院 西藏 850000）

随着城市化和工业化的快速发展，重金属污染成为了我国当今面临的重要环境问题之一。其具有长期性、累积性、难降解和生物富集等特点，会对土壤、水体和空气等环境要素造成严重的危害，引发一系列生态环境和人类健康问题，因此，寻找一种有效的污染治理方法显得尤为重要。

植物修复具有经济有效、操作简单的特点，其中湿地植物由于其独特的生态适应性和富集能力，成为了近年来备受关注的治理方法之一。现在已发现大约721种超富集植物[1]，其中富集铜的植物包括芦苇、菖蒲、苔草、蒿草类等54种[2]。研究表明芦苇、香蒲、苣荬菜、播娘蒿、垂柳等植物对铜的富集能力较好，且芦苇是其中富集能力最好的[3]。柳叶绣线菊对土壤中铜有较强的富集效应，转移系数大于1[4]；其他湿地植物如香蒲和美人蕉等，也表现出一定的富集能力，对铜转移系数分别为2.251和0.097[5]。

目前植物对吸收机制和过程的研究还待进一步阐明，本论文结合铜的来源、危害，对植物富集铜的机制进行阐述，表明了选择合适的植物对修复Cu污染的必要性，为今后探索和研究不同类型植物的吸附提供理论支撑。

1.铜的来源与危害

（1）来源。铜的来源分为自然源和人为源。自然源即土壤母质中含铜，人为源主要是由人类的生产活动所引起，包括矿物资源的开采、农业活动、养殖业和工业生产。

①矿物资源的开采。矿藏的开采是铜污染的重要来源。铜在自然界中以化合态存在，残渣态是最稳定的，不易被植物吸收，对环境的毒害小；有机态对土壤最重要，易被植物利用[6]。在多种环境因素的作用下，铜在采矿、运输及冶炼的过程中，经长期的自然氧化、酸化、雨水淋溶等被释放进入到周边环境，造成危害。同时，开采过程中产生的金属粉尘也是造成污染的来源之一。

②农业活动。农业活动中铜的来源与农药、肥料、除草剂使用以及废水灌溉有关[7]。不合理使用农药导致铜在降雨和灌溉中随着地表径流或者地表水和地下水循环交换，对水资源造成污染，进而导致更多的环境问题[8]。图1为铜在环境因子与生物圈中的相互作用。

图1 农业活动中铜的迁移

③养殖业。养殖业为防病促生长会向饲料中添加大量铜锌，高铜情况下除了能导致猪的代谢紊乱、增强胃溃疡等[9]，还会随着牲畜的粪便排出，作为有机肥料添加到土壤中进而造成污染。牧业消毒杀菌所使用的波尔的主要成分是硫酸铜，当硫酸铜剂量超过125mg/kg，波尔多液将会产生亚慢性毒性[10]。

④工业生产。作为一种丰富的自然资源，Cu具有优良的导电性、导热性等，被广泛应用于电、能源石化、轻工、新兴工业等领域。在应用过程中，产生“三废”，“三废”通过大气沉降、废液渗透、固废接触等途径污染环境。

总之，不同来源产生的铜经母岩变质、大气沉降、污水灌溉、固废填埋等途径进入大气、水、土壤，发生迁移变化。

（2）危害。铜是生物体必需的微量元素，能合成生物体生长发育所需的各种酶。人体中的铜主要作铜蛋白的原料，超过摄入量的铜会导致血红蛋白变性，破坏细胞膜，抑制酶活性，影响正常的生理活动。早在19世纪末，就有研究表明铜有抗生育影响[11-12]，其原理分为两部分：一是Cu2+抑制精子中的SH酶；二是Cu2+在宫腔内溶蚀，增加宫颈粘液和宫内膜Cu2+浓度，对受精造成抑制作用。铜(Ⅱ）还会增加患上阿尔茨海默病的风险[13]。

铜还参与植物的新陈代谢，如光合作用的电子传递系统、呼吸系统和细胞壁的合成[14]。不同含量的Cu会导致植物出现不同表现，高浓度铜会破坏DNA并使蛋白质变性；含量低又无法达到稳定叶绿体中叶绿素及其他色素的作用，从而使光合作用减弱。

铜对微生物的毒害作用是通过抑制细胞呼吸来影响其指示、自净作用。胡兰兰的研究表明铜含量超过0.015mg/L时会抑制水体的微生物作用而导致水体的自净作用下降[15]。此外，1mg/L和2mg/L的Cu2+会抑制SOUR和ttc-脱氢酶活性而降低污泥活性[16]。

2.修复机制

湿地植物达到修复铜污染的目的是通过植物的根部作用将土壤中的铜富集于地下部分并转移到地上部分累积，通过收割植物地上部分，达到修复目的，如图2所示。植物对铜污染的修复效应是通过多种机制实现的，主要包括以下三方面：

图2 植物修复铜污染技术原理图

（1）植物稳定技术。植物稳定技术是一种原位降低金属活动性、生物有效性的技术，通过植物的吸收或者根系分泌的特殊物质，使铜钝化，固定在根系周围，防止其向水中土壤深层、地下水扩散。然而该技术处理的铜不会被植物所利用，随着土壤条件的改变，仍有可能被复原[17]，重新危害环境。因此，植物稳定技术有待进一步研究。

（2）植物提取技术。植物提取则是利用超富集植物的超量积累机制[18]。超富集植物对铜的积累量是在1000mg/kg以上，通过根部作用将铜转移、贮存到植物地上部分，然后收割植物地上部分并集中处理。目前植物提取分为两种，连续植物提取和螯合剂辅助的植物提取。连续植物提取主要依靠植物本身的吸收积累量，降低土壤中的铜含量；螯合剂辅助提取是通过螯合剂增加环境中铜浓度，促进铜在植物体内的运输，增强植物地上部分的富集能力。但是需考虑螯合剂是否会带来新的环境污染问题。

（3）植物根际微生物修复技术。微生物—植物—土壤形成的根际圈，能够帮助增强植物的富集能力。翟海波[19]阐述了菌根真菌强化修复能力的机理：一是其菌丝的强吸附力能将铜固定在根内或根外菌丝的细胞壁和原生质层中，减轻危害；二是它的分泌物会改变土壤的pH、Eh、微生物的群落结构，进而改变铜的植物有效性，促进根对铜的吸收。例如，球囊霉属菌根真菌能促进银白杨的螯合蛋白和网格蛋白基因上调表达增强对铜的抗性[20]。

3.植物的选择

在应用植物修复技术时，关键在于选择合适的植物。铜是植物所必需的微量元素，对植物的生长发育有“低促高抑”的效果。因此需考虑多种因素，如对环境的适应能力、富集系数、生长周期及耐受力[21]；季节也是重要因素之一[22]。另有研究表明根系表面积和叶片生物量决定了蒸腾作用和总生物量，从而影响植物的修复效率[23]。此外，还要从美学上考虑是否具有观赏性。植物修复铜污染具有经济、生态友好的优点，但相对物理、化学修复方法而言效率较低，李春林[24]对矿山开采附近的土地进行了植物修复，虽然铜等元素的平均浓度下降了20%以上，但植物修复周期长达八个月。总之，在选择植物用于铜污染修复时，需要综合考虑，以达到最佳效果。

4.结语

植物修复重金属污染是一种绿色经济、可持续的治理方法，与物理化学方法相比，在处理重金属污染方面具有许多竞争优势，仅依靠单一的植物修复，存在很多缺点。在未来的研究上，应在其他技术和植物联合修复的基础上创新发展，深入研究联合修复技术的优缺点，可以从以下几个方面加强植物修复的研究工作：

（1）选择理想的植物。理想的修复植物包括两类：一类选择具有生物量大、品质好、根系旺盛、目标污染物积累多、抗逆性强等特点的植物；另一类筛选更高效的Cu超积累植物。在未来研究方向上，可以将重点放在细胞及分子水平上，通过转基因手段培育高效富集植物。

（2）植物联合修复方法。单一的植物修复方法受生长周期、富集系数、地理条件等的限制，采用联合修复技术能够避免单一修复的局限性，提高修复效率。在今后的研究上，可以探索多种方法的共同修复，展开对化学药剂—微生物—植物—电动[25]—材料联合的创新研究。

（3）植物处理。为实现生态环境与发展经济有机统一[26]，要将植物处理与生物能源生产相联系，实现生物质的经济转化，促进植物修复Cu污染这一过程的可持续发展，以及该方法在经济上的可持续发展。