水生植物富集重金属(综述)

水生植物富集重金属的研究

摘要：水体重金属污染已经成为一个日益严重的环境问题，了解水体重金属污染原理、处理水体重金属，已经成为一个必须解决的课题。本文分析了重金属对水生植物的影响以及水生植物对重金属离子的富集和去除。综述了重金属的来源，在国内外的污染现状，以及具体的治理方法，分析了各种方法的优缺点。在所有的方法中，利用水生植物修复是最有潜力的。并重点讨论了常见重金属离子对水生植物的影响，包括重金属对水生植物伤害的作用机理、毒害途径及其影响水生植物吸收重金属的因素，统计了水生植物对重金属离子的耐受上限。

关键字：重金属水生植物富集植物修复

Accumulation of heavy metals of aquatic plants Abstract: The paper reviews the source of heavy metals，its pollution statusand control methods at home and abroad，and points out that the phytoremediation by water plants is the most potential method after analyzing advantages and disadvantages of all differ entcontrol methods. Analyses the influence of heavy metals in aquatic plants for heavy metalions and aquatic plants the enrichment and purify. The paper discusses the harmful mechanism and toxic paths to water plants，and the factors affecting absorption of heavy metals by water plants，and summarizes the maximum to lerant values of different water plants to hea y metalions.

Keywords：heavy metals aquatic plants purify and enrichment phytoremediation;

重金属污染现已成为危害最大的水污染问题之一。由于重金属元素具有难降解、易积累、毒性大等特点，另外还能被生物富集吸收进入食物链危害人、畜、鸟等各种生命[1]，因此在水环境中重金属污染尤其受到人们关注。人类如果长期食用重金属含量超过一定值的水产品，会引发各种疾病，如臭名昭著的“公害病”-水俣病和骨痛病等就分别由汞和镉引起。因此，寻找高效的重金属富集植物仍然是重金属污染植物修复的关键。

1.重金属离子对水生植物的影响

1. 1 重金属对水生植物的伤害机理

重金属伤害水生植物主要的机理为自由基伤害理论。通常情况下，许多酶促反应和某些低分子化合物的自动氧化都会产生活性氧。水生植物在长期的进化过程中在体内形成了由SOD、CAT和POD酶组成的有效的清除活性氧的酶系统。它们在一定范围内及时清除机体内过多的活性氧，以维持自由基代谢的动态平衡，能维持水生植物体内活性氧自由基的较低水平，从而避免了活性氧对水生植物细胞的伤害。由于重金属能导致水生植物体内活性氧产生速率和膜脂过氧化产物明显上升，从而使水生植物体内活性氧自由基的产生速度超出了水生植物清除活性氧的能力，因而引起细胞损伤。这是重金属对水生植物产生毒害的一个重要机制[2]。而重金属对水生植物的影响作用主要表现在改变细胞的细微结构，抑制光合作用、呼吸作用和酶的活性，使核酸组成发生改变，细胞体积缩小和生长受到抑制等[3]。孔繁翔等人在研究中发现，不同浓度的锌等重金属对羊角月牙藻的生长进度、蛋白质含量、ATP水平等有明显的影响，其实验结果表明，金属离子在其所试验的范围内对其生长速率均有抑制作用[4]。1. 2 重金属对水生植物产生毒害的生物学途径

重金属对水生植物产生危害的途径可能有两种: 一是大量的重金属离子进入水生植物

体内干扰离子间原有的平衡系统，造成正常离子的吸收、运输、调节和渗透等方面的阻碍，从而使代谢紊乱；二是较多的重金属离子进入水生植物体内，不仅和核酸、蛋白质、酶等大分子结合，而且还可以取代某些蛋白质和酶行使其功能时所必须的特定元素，使其变性或活性降低[5]。

1.3 常见重金属离子对水生植物的影响

1.3.1 Hg的影响

汞属于毒性很强的重金属离子，中毒临界值很低。在临界值以下，Hg能增加细胞内核糖体、核糖体亚基及多聚核糖体的数量，诱导蛋白质合成。当其积累的数量超过临界值时就会影响植物的正常生理活动。随着Hg浓度的增大，光合作用系统受到不可修复的破坏，表现为植株受到严重伤害。其原因是汞的积累抑制叶绿素酸酯还原酶和影响氨基-γ-酮酸的合成，而影响叶绿素的生物合成；同时使叶绿体膜系统在结构上受到逐渐破坏，导致叶绿素总量的下降，光合速率降低，从而对整个生命循环过程带来灾难性的影响[6]。

1.3.2 Cd的影响

镉过量时，能降低有机体内RNA和蛋白质的合成速度，破坏核糖核蛋白质体，引起DNA 胞嘧啶的甲基化，导致DNA的损伤；并且能通过水流和食物链在水中迁移，形成循环危害[7]。镉毒害的主要机制在于它对细胞内蛋白质和核酸等重要的生物大分子上的巯基具强大的亲合力，对磷酸盐功能团等其他侧链也显示出亲和力，且易于移动，往往集中在生长旺盛的部位，显示其敏感的毒害损伤作用[8]。

1.3.3 Cu的影响

铜是水生植物体内多酚氧化酶、氨基氧化酶、酪氨酸酶、抗坏血酸酶、细胞色素氧化酶等的组成，能提高水生植物的呼吸强度。水生植物生长过程中需要少量的铜，缺少铜会影响叶绿素的含量，叶片出现失绿现象，繁殖器官的发育受到影响，严重时导致死亡。当然，过量的铜同样会对水生植物生长造成不良影响。主要是阻碍对其他元素的吸收，被吸收的铜主要集中在根部，造成根部的铜过量，严重阻碍对其他元素的吸收。另外，过量的铜抑制脱酸酶的活性间接阻碍氨向谷氨酸的转化，造成氨在根部大量堆积，使根受到严重的损害[9]。1.3.4 Zn的影响

锌是植物正常发育所必需的微量元素之一，是植物激素IAA的重要原料。缺乏时植物体的吲哚乙酸含量会降低，植物矮小。同时缺锌还会阻碍叶绿体的发育，并使植物出现明显的小叶病症状[10]。当锌过量时，对植物的超微结构造成影响，并随浓度的增大，毒性加剧。过量锌主要对细胞的膜系统产生影响。与叶绿素和细胞核相比，线粒体更加敏感。其毒害过程为：首先线粒体膨大，在较高浓度下，叶绿体的内囊体排列紊乱，线粒体成空泡状。细胞核核膜破裂，核仁散开。最后为叶绿体解体，细胞核凝胶状染色质散入细胞质中，对各细胞器造成致死性伤害[11]。

1.3.5 Pb的影响

在一定的范围内，铅能够促进根的生长，也可以从多个方面影响水生植物。铅能够影响植物抗氧化酶系统，使蛋白质和生物大分子变性，从而伤害植物。同时，铅也能够影响植物细胞膜的透性，使其生理生化反应发生紊乱。铅对植物细胞分裂素亦有影响。铅胁迫的毒理在于破坏植物叶绿素、线粒体和细胞核的超微结构，减少叶绿素和抗坏血酸的含量，降低硝酸还原酶和脱清还原酶的活性，继而阻碍水生植物的呼吸代谢、光合作用、清素还原、细胞分裂等生理功能正常进行，并最终影响植物品质和生物量[12。过量的铅进入水生植物体内，将对其造成严重的影响，甚至是死亡。

由于不同的植物对不同的重金属有其不同的耐受限度，故有必要知道其对重金属离子的临界值。部分水生植物对重金属的耐受上限临界值见表1。[13]

表1 水生植物对重金属的耐受上限 mg/kg

重金属离子水车前星星梅浮萍金鱼藻水葫芦Hg - - 7.0 1.0 0.06

Du 15.4 40.9 0.4 7.8 -

Cd 0.1 - 2.5 5.0 0.32

Zn 4.0 14.1 20.0 - -

Pb 40.3 86.9 19.3 - 30.2

2.水生维管束植物对重金属的去除

水体中的重金属(Hg、Cd、Pb、Ni、Zn 等)以各种形态分布在水相、底质及生物体中，表现出不同的环境地球化学行为和毒性特征。近些年来，随着工农业生产排放量的增加，重金属离子的污染已经成为十分突出的水环境问题之一。因此，以各种手段进行水环境重金属的去除应运而生。其中，利用大型水生植物修复重金属污染水体不但投资小、效率高，而且会带来较高的环境生态效益。大型水生高等植物是一个生态学范畴上的类群，是不同分类群植物通过长期适应水环境而形成的趋同性适应类型，主要包括两大类：水生维管束植物和高等藻类[14]。水生维管束植物具有发达的机械组织，植物个体比较高大。通常具有4种生活型：挺水、漂浮、浮叶和沉水[15]。它是水生态系统保持良性运行的关键类群，也是整个水生生植群落多样性的基础。与藻类相比，大型水生植物的特点是更易人工操纵，即可通过人工收获将其固定的污染物带出水体[16]，这些特点是利用大型水生植物进行污水治理的理论基础。

鉴于大型水生大型植物在湖泊、河流生态系统中的重要作用，许多学者对其在重金属污染监测和治理方面做了研究，并取得了一定的效果。

2.1 水生植物对重金属的代谢生物学

水生植物对重金属的代谢表现为吸收和富集作用、降解作用以及沉降、吸附和过滤作用等方面[17]，通过植物挥发、吸收和吸附等途径，实现对重金属的去除。植物挥发是指重金属通过植物作用产生毒害性小的挥发态物质，目前在这方面研究最多的是金属元素Hg和类金属元素Se；植物吸收也称植物过滤活植物萃取，属集永久性和广域性于一体的植物修复途径，是利用专性植物根、茎吸收一种或几种污染物，尤其是重金属；植物吸附则直接发生在植物根（或茎叶）表面，被认为是去除水体重金属最为迅速的手段，它是由螯合离子交换和选择性吸收等理化过程共同作用的结果[18]。能用于植物去除的植物类型应具有的特性：

（1）即使在污染物浓度较低时也具有较高的积累率；

（2）能在体内富集高浓度的污染物；

（3）能同时吸收积累数种重金属；

（4）生长快，生物量大；

（5）具有抗虫、抗病能力[19]。

近年来大量的研究显示，水生植物的根部对重金属的富集最为显著，其次是茎、叶和果实。不同水生维管束植物对重金属的富集能力顺序为：沉水植物＞漂浮（浮叶）植物＞挺水植物。

2.2 水生植物对重金属的去除

2.2.1 挺水植物

在野外自然环境中，许多挺水植物可以蓄积大量重金属，并且植物体内重金属含量与外界污染水平相关，可以作为指示生物和蓄积物种。Rai等[20]和Dwivedi等[21]调查发现水蕹是一种很好的蓄积植物，该植物最大可以蓄积Cu：62，Mo：5，Cr：13，Cd：11，As：0.05μg/g

DW。长苞香蒲[22]和美洲水葱以及荷叶香蒲[23]体内也可以蓄积很高浓度的重金属，可以用来作为植物修复物种。Sasmaz等也证实，荷叶香蒲可以作为重金属污染土壤和水体中的指示植物和蓄积植物，Mn转运系数大于1，以及在该植物的Zn、Mn的叶部浓缩系数大于1[24]。Bareen 和Khilji研究表明，长苞香蒲90d后也可以去除底泥中42% Cr，38% Cu和36% Zn[25]。

挺水植物大多有粗壮的根系，还有许多发达的不定根，其主要通过根系从废水中蓄积重金属，根部净化效果明显大于叶部。Iannelli等研究芦苇暴露在高浓度50μmol/L Cd2+水体中21d后，其根部可以蓄积3.69mg/gDW Cd2+，而叶部蓄积能力明显小于根部，只能蓄积0.08mg/gDW Cd2+[26]。Jiang等利用芦苇处理2mmol/L Zn2+21d后，根、茎、叶分别可以蓄积14.34、0.95、1.45mg/gDW Zn2+[27]。

挺水植物有许多种类如风车草，鸢尾，石菖蒲，假马齿苋，席草，羽毛草，水薄荷和水龙被广泛应用于人工湿地、人工浮床等重金属废水处理系统中，都得到了良好的效果（表2）。

表2 挺水植物处理重金属废水的应用效果

植物种类初始浓度

（mg/L）处理时间

（d）

处理效果文献

风车草Al：0.79；Cd：0.009；Cu：1.04；

Mn：0.302；Pb：0.0103；Zn：

4.25 3238，8.4，15602，4850，

74.4565μg/gDW

[28]

风车草Cr，Mn：1.0 10 [29]

鸢尾Cd：0.02；Cr，Pb：0.2；Fe，

Cu，Mn：2.0 15 93.4%-99.6% [30]

石菖蒲91%-99.7%

假马齿苋Cr:5 7 1600μg/gDW[31]席草739μg/gDW

羽毛草Hg:0.501；Fe：103.55；Cu：

5.556；Zn：28.056 21 34.4%，42.6%，73.1%，99.9% [32]

水薄荷32.6%，44.9%，63.7%，99.7% 水龙34.7%，30.9%，92.9%，99.9%

2.2.2 漂浮植物

漂浮植物中水浮莲、凤眼莲、浮萍、紫萍的根部、叶部都可以蓄积很高含量的重金属[33]，是一些重金属种类的蓄积植物。浮萍是一种很好的Cd，Se，Cu蓄积植物，但是蓄积Pb，Ni 能力较差[34]；浮萍在处理10μmol/L Cd2+水体，12d后，该植物体内Cd2+浓度达到0.63mg/gDW[35]；在不超过50μmol/L Cu2+培养液中，48h后可以蓄积Cu2+达到5.5mg/gDW[36]。Chandra等研究表明，浮萍和紫萍可以作为修复重金属的蓄积植物，这两种植物体内蓄积Fe2+和Cu2+的浓度是水体中浓度的78倍，并且具有持续蓄积Cr6+的能力[31]。除了上述漂浮植物，其他如满江红、卡州萍、细绿萍、槐叶萍等也被应用于生态修复实践中处理重金属废水，得到了很好的效果（表3），并且植物体内重金属浓度和环境初始浓度显著性相关[37-38]。

表3 漂浮植物处理重金属废水的应用效果

植物种类初始浓度

（mg/L) 处理时间

（d）

处理效果文献

凤眼莲Cu：0.12~0.48；Cd：

0~0.06；Ni：0~3.5；Pb：

0.03~0.35；Zn：0.2~1.8 21.6，0.24，13.5，5.42，

26.2kg/hm2

[39]

凤眼莲、水浮Cu，Zn，Cr，Fe，Cd：1~5 5 90%以上[40]

莲、紫萍

满江红Hg：0.1~3.0 6 80%~94% [37]卡州萍Hg，Cr：0.1~1.0 12 75%~100% [38]细绿萍Pb，Cd，Ni，Zn：4 15 61%，57%，68%，74% [41] 细绿萍Cd，Cr，Cu，Ni，Zn：8~15 7 10，1.99，9，9，6.5g/L [42] 细绿萍Pb：15；Hg：10 7 98.9%，86.8% [43] 槐叶萍Cu：1~50 3 92.8%~98.0% [44]

2.2.3 浮叶植物

浮叶植物相对与其他生活型水生植物蓄积能力较弱，但是其中一些物种对一些特定重金属有很好的蓄积能力。田字苹是一种对Hg，Mn，Cd，Cu，Pb很好的蓄积植物[33]，并且在野外环境中它最大可以蓄积Cd和As分别为12，0.04μg/gDW[21]。菱是一种对Cd，Pb很好的蓄积植物，其在Cd，Pb浓度分别为0.11，0.71μg/mL的水体中，蓄积含量分别可以达到13.05，87.75μg/g[45]；研究同时表明莲则对Cu，Zn具有很强的蓄积能力[45]。野外调查也证实，菱可以蓄积大量重金属且其体内重金属含量与外界污染水平相关[20]。由于睡莲有很强的蓄积重金属能力，并且还是一种景观植物，其较多的运用于生态工程当中。利用睡莲处理1~200μmol/L 的Cr6+废水，发现其具有很强的蓄积能力且根>叶>根茎，它对1μmol/L Cr6+去除率可以达到93%[46]；Choo等研究也表明，睡莲能够从10mg/L Cr6+水体中蓄积Cr6+多达2.119mg/g[47]。Lavid 等利用睡莲处理50mg/L Cd2+废水，其根部、叶部蓄积量分别达到3.18，2.49mg/g DW[48]。2.2.4 沉水植物

沉水植物的整个植株都生活在水中，造就了其特殊的生理结构。许多种类的沉水植物都是当地水域的优势物种，并且其根部、叶部都可以蓄积很高含量的重金属（根部含量大于叶部含量）[22，33]，是很好的蓄积植物。

沉水植物中苦草、轮叶黑藻、菹草、龙须眼子菜和水池草等对重金属也具有很强的耐受能力和蓄积去除能力（表4），并证实了植物体根部积累能力最强[49-50，51]以及植物体内重金属浓度与环境中的浓度显著性相关[37，52]。

目前，对沉水植物修复重金属污染研究较多的一个方向是利用植物吸附重金属，以达到去除的目的。沉水植物吸附重金属在较短时间内（20~160min）达到平衡，基本上与Langmuir 模型拟合（表5），表现出了很强的去除能力。

表4 沉水植物处理重金属废水的应用特征

植物种类初始浓度（mg/L）处理时间处理效果文献苦草Hg：0.1，0.5，1.0，3.0 6d 70%~84% [37]苦草Hg：4 7d 50~224μg/gDW [49]黑藻Hg：0.2 4d 13.2μg/gDW [50] 黑藻Se：1，2，5，10，20，50 7d 100%，100%，100%，100%，

94.3%，92.0%

[53]

狐尾藻Co：0.5;Ni：4.6;Cu：1.5;Zn：

612

84d 74%，75%，74%，81% [54] 狐尾藻Cd：0~64 4d 85%~94% [55] 菹草92.5%~96.5%

蓖赤眼子菜Cd：0.34;Pb：5.39;Mn：

6.04;Zn：5.51; 2h

96%，79%，89%，66%，74%

88%，78%，83%，67%，65

[52]

马来眼子菜Cu：4.96

金鱼藻Cd：0.25，0.5;Zn：1 15d 515，816，2167μg/gDW [56] 水池草Cd，Cu：1~7 4d 1955，6135μg/gDW [57]

表5 几种沉水植物吸附重金属特征

植物种类重金属种类最大吸附容量q max（mg/g）文献穗花狐尾藻Cu，Zn，Pb，Co，Ni，Cd 10.4，15.6，46.5，2.3，5.8，8.2 [58-60]光叶眼子菜Cu，Zn，Pb 40.8，32.4，141 [61] 金鱼藻Cu，Zn，Pb 6.17，14.0，44.8 [62] 龙须眼子菜Cd，Pb 32.4，24. 8 [63] 轮叶黑藻Cu 21.6 [64]

3.展望

作为水域中重要的初级生产者，水生维管束植物在整个水生生态系统中有着举足轻重的地位，植物对重金属的去除技术作为一种高效生物治理途径，正日益受到重视。虽然目前国内外在水生管束植物的选择、耐受性、吸附机理以及应用方面进行了许多卓有成效的研究，但这毕竟属于一项新兴的技术，还应着重解决如下问题：（1）筛选耐寒能力强的水生植物，开发修复效率高、运行成本低的新型生物修复技术；（2）利用基因工程技术培育高富集重金属的水生维管束植物，提高它们对重金属的吸收能力和耐受性；（3）继续开展多因素条件下的水生维管束植物修复研究，解决水环境中多金属污染、种群竞争、微生物侵袭等导致的修复能力下降问题；（4）继续筛选环境适应性强和对重金属富集能力强的品种；（5）研究多种类型植物的组合修复重金属污染水体。

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