植物修复重金属

3植物修复污染土壤的研究进展
• 不同植物修复重金属污染土壤时所起的 作用不同，同一种植物对不同的重金属累 积量不同，同一植物的不同部位对同一种 的重金属累积量也不同。重金属目前世界 上已经发现的可超量积累Cd、Co、Cu、 Pb、Ni、Se、Mn、As和Zn等的植物约500 种，广泛分布于植物界的45个科。在对Cd、 Zn、Cu、As等重金属超积累植物的鉴定方 面，以我国的研究最多。
7结语
• 植物重金属污染修复技术的成败和将来的发展完全取 决于选取合适的植物，这种植物必须具有最理想和可开发 的生长特性、生理特形态特性和农业应用的适应性。虽然 利用植物修复技术对土壤污染的治理还存在一些不足，但 从发展前景来看，其具有较高的研究和实用价值，特别适 合发展中国家采用。随着各方面研究的深入，植物修复技 术在环境保护和污染治理领域必将得到更加广泛的推广和 应用。植物修复较之传统的物理、化学处理方式，有其独 特的优点。首先，植物是以阳光为能源，节省人力物力， 投资成本低，适合大规模的应用；其次，利用植物修复有 利于土壤生态系统的保持，不会出现类似化学治理导致的 土壤 pH 变化，或者土壤板结等二次污染；再次，植物修 复有美学价值，对环境基本没有破坏作用，易被公众所接 受。
• （1）土壤因素，重金属进入土壤后，很快就会通过一系 列的物理、化学以及生物过程与矿物质或有机物结合，土 壤释放（解吸）重金属的能力以及重金属从土壤团粒转移 到植物根部的过程，这两个过程决定了金属的植物可利用 性。这两个过程取决于下列几个因素，土壤黏粒含量：黏 土矿物具有特殊的表面，并带有负电，具有很高的阳离子 交换量，可以通过离子交换来吸附土壤溶液中的重金属离 子， 从而降低重金属的有效性。土壤 pH 值：不同植物修 复重金属污染土壤时，都有其适宜的 pH 范围，应控制好 pH 范围，使修复效果更优.如铜在土壤 pH 为 5～7 时， 活性最小，而当 pH>7．5 时，铜的溶出量反而增大，这 可能是由于形成了铜的羟基络合物而增大了溶解度的缘故。 化肥中含有的氨离子或施加土壤酸化剂可以维持土壤的微 酸性环境，有可能增加土壤中重金属的植物可利用性并提 高植物的吸收。土壤中的有机质：土壤中的有机质通过对 重金属的吸附、络合和改变土壤的氧化还原条件，其分解 过程中形成各种有机酸可与土壤中重金属反应而形成难溶 性化合物（如褐藻酸、油酸等），从而影响了重金属的形 态、迁移以及生物有效性。
2。植物修复污染土壤的机理
• 有一种植物叫作超富集植物，它可以使体内 的重金属含量比普通的植物重金属含量高10倍甚 至上百倍。重金属植物对重金属的修复包括植物 自身的吸收、运输以及植物的根际行为两方面的 机制。①植物对重金属的吸收和富集，包括植物 根系的吸收、植物向地上部分运输及在植物体内 贮存。②植物的根际行为。植物根系由于生长发 育和生理代谢活动，形成了一个不同于非根际的 微生态系统，它是土壤、植物和微生物相互作用 的场所，也是水分、养分和污染物进入植物体内 的门户。
1.植物修复
• 植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元 素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境 中的污染物的一门环境污染治理技术。植物修复技术的理 论研究始于20世纪50年代，50一70年代。非耐性植物和 耐性植物的机理研究是当时的热点；70年代末一90年代初， 人们逐渐把注意力转向对超积累植物的研究；90年代以后， 有人开始注意到超积累植物及其微生物共存体系研究的重 要性。随后有关研究迅速增多，国际上也掀起研究植物修 复技术的高潮，相继召开了一系列的国际学术交流会。 1995年以来，相关研究的论文在(Nature))和(Science)上 共发表了5篇，1999年美国CRC出版社开始出版有关植物 修复的国际期刊。
• 总结为：（1）大多数超积累植物根系较浅， 对于深层污染的修复有困难，生长缓慢， 修复周期比其他物理、化学技术长；（2） 植物物种和生长受到地理气候及地质条件 的限制；（3）污染物会通过落叶重新回到 土壤中去， 也有可能通过食物链为人或动 物误食并重新返回土壤中。（4）经常只能 积累某些元素，还未发现能积累所有关注 元素的植物。
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景天属中的一些植物具有较强的富集重金属的能力。Sun等研究 发现，东南景天不仅能忍耐高浓度Zn、Cd复合污染，还对其具有超 量积累的能力。刘威等发现一种新的Cd超富集植物宝山堇菜，在自然 条件下其地上部Cd平均含量为l 168ms／ks，最大含量为2310ms／ ks，而在温室条件下其地上部Cd平均含量可达4 825ms／ks。刘秀梅 等研究发现，印度芥菜对Cd的活化率可达2.17％，遏蓝菜属植物对 Cu和Zn的活化率分别达2.74％和3.56％，这充分说明印度芥菜和遏 蓝菜对重金属具有较高的耐性。同时研究还发现，在盆栽试验条件下， 乡土植物羽叶鬼针草和酸模对Pb有很好的耐性，能把绝大部分的Pb 迁移到茎叶，有效去除受污染土壤中的重金属Pb。叶春和研究了紫花 苜蓿对Pb污染土壤的修复及活化机理，指出紫花苜蓿可以当作土壤 Pb污染的一种理想修复植物。吴双桃等首次报道了土荆芥茎叶Pb质 量分数高达3 888mg／kg。对土壤Cr污染富集效果明显的植物有遏蓝 菜、李氏禾等。薛生国等发现，商陆对Mn具有明显的富集特性，该 发现填补了我国Mn超富集植物研究的空白。此外，陈同斌等于1999 年首次报到了蜈蚣草能大量富集As，进一步研究显示其对As有极强 的耐性和独特的富集能力。韦朝阳等也发现了另一种As的超富集植 物——大叶井口边草。
4 植物累计重金属的影响因素
• 植物对重金属的累积效果与许多因素 有关，主要有重金属浓度、Ph、电导率、 营养物质状况、迁移速率(TF)，有的还与土 壤中磷、铅等微量元素及生物活性有关。 在用植物修复重金属污染土壤过程中，为 了使植物有效地吸取并累积或稳定土壤中 的重金属，应该适当地控制和调节可控因 素，使修复效果达到最优。
5物修复技术研究中存在的问题
• 综上所述，利用植物修复污染土壤中重金属的研究取 得了一定的进展，但该技术涉及植物学、土壤学、生态学、 遗传学、环境学等多个领域，所以将植物修复应用到实际 中还存在许多问题，主要表现在：已知的超积累植物多为 野生型稀有植物，分布的区域性较强，并且常具有个体矮 小、生物量低、生长缓慢等特点，所以修复治理效率低、 周期长而难于满足商业要求；我国物种资源丰富，但目前 发现的超积累植物比较少。因此，可从我国丰富的杂草资 源中进行筛选，寻找、培育和驯化有利于治理环境污染的 超积累植物，从而满足实际应用的需要；土壤微生物活性、 土壤本身的理化特性、污染区的气候地理条等因素影响植 物修复的有效性，且植物受病虫害袭击也会影响修复效果； 大多数植物由于根圈范围有限，只能修复土壤浅层；根系 供养不足的地区，根系发育不良，修复效果也降低。
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土壤重金属污染问题是一个很严重的问题，某些重金 属，如Cd、Zn等，可通过土壤—植物系统，经由食物链 进入人体，直接危害人体健康。当进入土壤中的污染物超 过土壤的自净能力，或污染物在土壤中的累积量超过了土 壤基准值时，就会给生态系统造成一定的危害。近年来， 随着工业化进程的加速，各种重金属对土壤环境的污染变 得越来越严重，世界各国都面临着不同程度的土壤污染问 题。利用传统的物理、化学等方法修复技术不仅成本昂贵， 而且对环境扰动大，会破坏土壤结构和土著微生物，还有 可能会造成二次污染。利用植物修复技术，可以在不破坏 土壤生态环境的前提下，植物的根系可以吸收大量的重金 属元素，达到修复土壤重金属污染的目的。植物修复重金 属污染技术是一种绿色技术，是一种很有潜力的技术。处 理重金属的途径主要有两种：一是改变重金属在土壤中的 存在形态；二是从土壤中去除重金属。
• （2）植物因素，不同的超积累植物所积累的重金属类型及积累量都 不同，如十字花科的庭荠属和李禾氏植物积累 Ni 效果明显，高山萤 属类超积累 Cu、Co 等效果明显，蜈蚣草对 As 的积累效果明显，根 据不同污染环境的土壤选择不同的超积累植株类型， 有一些特殊的环 境甚至需要人为进行养护， 而且一些植物只针对部分重金属进行吸附， 一旦体内积累过多其他种类的重金属就会严重阻碍植株的生长，出现 重金属中毒。目前国内外研究发现，即使是同一类重金属超富集植物， 品种不同，器官不同，积累同一重金属量也不同。陈同斌等报道了蜈 蚣草能大量富集 As 的研究结果，同时分析了该植物不同器官对重金 属的富集量， 发现蜈蚣草不同器官组织中 As 的含量为羽片﹥叶柄﹥ 根系，说明 As 在该植物体中容易向上运输和富集，显示出蜈蚣草对 As 有极强的耐性和独特的富集能力。植物在不同生长期吸收积累重 金属的能力也不同。莫争等通过实验研究，发现水稻分蘖期重金属在 叶片、茎干部和根部的积累量达到最大，随着时间的延长，在根部积 累的重金属会愈来愈少，茎干部积累的重金属在拔节期降至最小， 随 后含量又稍微上升， 叶片上的重金属含量在拔节期迅速下降，随后趋 于稳定.国外学者通过研究发现植物的根系发育也会影响其对重金属的 吸收。他们对 Zn、Cd 超积累植物遏蓝菜根系的分布特性和伸长规律 做了实验研究，结果表明：遏蓝菜具有较发达的根系和稠密的根毛， 能主动向土壤中的 Cd、Zn富集区伸展，通过根毛直接接触土壤颗粒 获取重金属，在高 Zn 土壤上，根系密集分布，在整个生长期间茎基 部有大量的不定根繁殖
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目前，重金属复合污染的超富集植物筛 选是土壤植物修复的一个重要研究方向。 例如，印度芥菜可同时积累高浓度的Pb、 Cr、Ni、Cd、Zn、Cu和Se等，在重金属污 染土壤的植物修复中被广泛应用。田胜尼 等认为，香根草无论是对Cu、Pb、Zn单一 污染还是复合污染都有较好的修复能力。 杨兵等也验证了香根草对Pb、Zn尾矿的复 合修复作用。
6展望
已经发现的超积累物种数量只是我国生物资源量很小的一部分， 常常只生长在一些偏远的、受采矿危害的地区。所以在全国范围内进 行耐性植物的人工筛选显得尤为重要。将现代分子生物技术和基因工 程技术结合到植物修复技术中，通过改良遗传来提高植物对污染物的 耐性、富集能力，培育一些生物量大、生长效率快、生长周期短的超 积累植物，以克服天然超累积植物的缺点。在大规模应用转基因植物 修复之前应考虑其环境安全性问题，需要进行生物安全性评价，重视 生物技术与土壤系统重金属污染研究工作的结合。 • 各种技术手段的联合使用土壤污染的修复是一项系统工程，单一 的修复技术很难达到预期效果，需要以植物修复为主，辅以物理、化 学和微生物手段，充分发挥植物修复与其他技术的联合修复作用，取 长补修复周期长，生长缓 慢，发现的可用于修复重金属污染土壤的植物种类不多， 以及对植物的处理等方面的问题，促使人们研究转基因植 物，使得转基因技术得到发展.目前，研究发现的方法有 在植物体内嵌入多重基因 （在新陈代谢第一阶段 ： 细 胞 色 素P450 s；新陈代谢第二阶段：GSH, GT 等），在植 物系统内完成外源性物质的降解。还可以在植物降解外源 性物质的不同阶段加入多重基因， 并加入细菌的 ACC 脱 氨酶， 解决了重金属积累在植物根部不转运到地上部分 而影响植物修复的问题。Karenlampi 等将动物体内的 MTs 转入超积累植物拟南芥 Arabidopsis thaliana 中，结 果，拟南芥对Cu 的吸收能力提高了 37 倍。