重金属污染土壤的植物修复技术研究进展
目录 ? 土壤重金属污染 ? 来源 ? 现状 ? 植物修复 ? 概念 ? 类型 ? 应用实例 ? 超积累植物吸收重金属的生理及分子生物学机制 ? 对重金属的耐性和解毒机制 ? 对重金属的活化和吸收机制 ? 对重金属的转化和富集机制 ? 问题和展望 ? 参考文献
一、土壤重金属污染 来源：
工业污染（工厂排放的烟尘、废气、固体废弃物、工业废水等） 农业污染（农药、化肥、饲料等） 交通运输（汽车尾气、轮胎磨损等） 现状：
? 表1是今年对中国各城市土壤重金属含量的统计,可见，Cd超标的城市最多, 16%的城市Cd含量超过土壤环境质量二级标准,36%城市的Cd含量为土壤环境质量二级标准的一半;As、Hg、Cr均未超过土壤环境质量二级标准;仅有金昌市的Cu含量超标,Cu含量达到标准含量一半的城市约占30%;约73%城市的Ni含量接近土壤环境质量二级标准的一半;约47%城市的Hg含量接近土壤环境质量二级标准的一半。可见,重金属Cd在全国已造成一定程度的污染,而且在大多城市存在污染风险,同
[1]
时Ni、Hg、Cu也存在一定的污染风险 。 二、植物修复
? 植物修复:将某种特定的植物种植在重金属污染土壤或水体中，利用植物及其根系微生物对污染土壤、沉积物、地下水和地表水中的污染物进行清除的一种有效的绿色修复技术。
? 优点：成本低、美化景观、重金属可部分回收、经济盈利、应用面积大和不造成二次污染等优势，还具有提高土壤通气效率及减少表面土壤侵蚀等间接效果，因此植物修复技术是一种高效、经济和生态友好的新兴绿色技术[2] 。
植物修复的类型：
? 植物提取：利用金属富集植物或超富集植物将土壤或水体中的重金属转运到植物的地上部分,再通过收获植物将重金属移走,以降低土壤或水体中的重金属含量的过程。
? 植物挥发：通过植物和根际微生物的作用,将环境中挥发性污染物吸收到体内后再将其转化为毒性小的挥发态物质,释放到大气中,不需收获和处理含污染物的植物。
? 植物过滤：利用植物庞大的根系和巨大的表面积，从污染的水体中吸收、浓集、沉淀重金属元素，再将植物收获达到治理水体重金属污染的目的。
? 植物稳定：耐性植物利用其自身的机械稳定作用和吸收沉淀作用来固定土壤中重金属的方式,可以降低重金属的生物有效性和防止其进入水体和食物链,从而降低其对环境的污染风险。
? 水力泵技术：是利用一些根系深且发达的速生植物强大的蒸腾作用,将植物作为一种生物泵来减少地表污染物下渗进入地下水或流入地表水体的技术[3] 。 植物修复技术应用实例 1.植物稳定
（1）保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止金属污染物的淋移。
例如：英国的科学家在废矿区种植耐重金属植物，并辅施大量化肥，不仅能稳定矿山废物，而且能建立良好的植被，同时选出了 3 种植物用于重金属污染土壤的修复，并已开始商业化，即 Agrostistenuis（Goginan） 修复酸性 Pb/Zn 的废矿，Festucarubra（Merlin）修复石灰性 Pb/Zn 废矿，Agrostistenuis（Parys）修复 Cu 废矿[4] 。
（2）通过金属在根部积累和沉淀或根表吸持来加强土壤中污染物的固定。 例如：该方法最有应用前景的例子是Pb和Cr的钝化。一般来说，土壤中Pb的生物有效性较高，而Pb的磷酸盐矿物则比较难溶，难以被生物所利用，所以植物固定技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场、污水处理厂、污泥和各种污染土壤的修复。适用于固化污染土壤的理想植物，是一些忍耐性高、根系发达的多年生常绿植物，如高山甘薯、九节木薯、天蓝遏蓝菜等[5] 。 2.植物挥发
研究表明，很多植物能吸收污染土壤的 Se，并将其转化为可挥发态的二甲基二硒或二甲基硒，土壤中的 Se 是以一种与硫类似的方式被植物吸收的，而在植物体内，硫通过ATP硫化酶的作用还原为含硫化合物。PilonSmits 等运用分子生物学技术证明印度芥菜（Brassica Juncea）体内Se的还原作用也是由该酶催化的，而且该酶是硒酸盐同化为有机态硒的主要限速酶；同时也发现根际细菌在植物体内硒化合物的还原、同化为有机硒过程中发挥着重要作用，它能促进硒酸根通过质膜进入根内，从而促进植物对硒的吸收[6] 。
Zayed 等已经发现一些商业性蔬菜作物的植物挥发作用明显，其中花椰菜对Se 的年移出量较大，此外，卷心菜、胡萝卜、水稻等都有一定程度的吸收作用[7] 。 Heaton 等利用转基因水生植物盐蒿和陆生植物拟南芥、烟草来移除土壤中的无机Hg和甲基Hg，这些植物携带有经修饰的细菌的Hg还原酶修饰基因merA，可将根系吸收的Hg离子转化成低毒的Hg，从植物体中挥发出来[7] 。 3.植物过滤
适用于根系过滤技术的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有个别陆生植物，如各种耐盐野草、向日葵、宽叶香蒲等。此类技术则较适合于水田、池塘以及水体的重金属污染治理[8] 。 4.植物提取-超积累植物是关键
? 通常，超积累植物的界定可考虑以下因素：
（1）超积累植物的生物富集系数(植物地上部分重金属含量与土壤重金属含量的比值) ＞1；
（2）植物地上部分重金属含量与根中重金属含量的比值＞1，这表明植物能有效地把重金属从根转运到地上部分；
（3）超积累植物对重金属具有耐性能力，能解除重金属对植物造成的毒性。 但是由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在差异，所以不同重金属对应的超富集植物的定义或浓度界限也有所不同[9] 。
? 目前,采用较多的是由Baker等提出的富集浓度参考值,即植物叶片或地上部(干重)中含Cd达到100μg/g,含Pb、Co、Cu、Ni达到1 000μg/g,Mn、Zn达到10 000μg/g以上,S(植物地上部重金属含量)/R(根部重金属含量)>1的植物称为超富集植物[9] 。
三、超积累植物吸收重金属的生理及分子生物学机制 【解毒机制】
? 原理：超积累植物体内,有85%-90%的重金属离子是与植物体内金属配位体结合形成螯合物,从而限制了金属在植物体内的移动性,达到解毒的目的。
? 金属配位体包括脯氨酸、组氨酸等氨基酸中的羧基、氨基、巯基等功能团，有机酸和植物在重金属胁迫下产生的一些新的蛋白，如包含疏基的金属硫蛋白、植物鳌合素和谷胱甘肽等[16] 。
? 例如：植物螯合肽(PCs)是植物体内一类重要的非蛋白质形态富半胱氨酸的寡肽,被看成是第三类MTs（植物金属硫蛋白）,参与植物体内重金属解毒过程。PCs通过巯基与金属离子整合形成无毒化合物,减少细胞内游离的重金属离子,从而减轻重金属对植物的毒害作用。Inouhe等研究发现,赤豆细胞对Cd敏感,Cd处理不能诱导其合成PCs,原因在于该细胞系缺乏PCs合成酶活性;同时,PCs在植物中主要是作为载体将金属离子从细胞质运至液泡中发生解离,因而PCs对重金属毒性的缓解取决于其形成复合物的速度或跨液泡膜的转运速度,而非其在细胞中的浓度
。
? Zhu et al将大肠杆菌的gsh1与gsh2分别转入芥菜（Brassica juncea）,发现该植物的耐Cd性与富集能力均有明显提高,且耐性和富集能力还与gsh2的表达成正相关,这一结果证明了gsh有助于植物对Cd的解毒作用.[18]
-1
? 转MTs突变体αα烟草可在含300μmol·LCd的培养基中正常生长,过量表达哺乳动物MTs的烟草可以在100-200μmol·L-1Cd下正常生长,而对照野生烟草在100-200μmol·L-1Cd下生长严重受到抑制.[19] 【吸收机制】
? 原理：根际土壤中溶解的重金属可通过质外体或共质体途径进入根系。大部分的金属离子通过专一或通用的离子载体通道蛋白进入根细胞,非必要的重金属可以与必要金属竞争膜转运蛋白,以离子形态或者金属螯合物形态进入根细胞。 ? 例如：研究发现, Zn的超富集植物T.caerulescens（遏蓝菜的一个种）和非超富集植物T.arvens存在同一类运输蛋白,但由于T. caerulescens的根细胞膜上具有更多的运输蛋白,从而使其根系从土壤中吸收到更多的Zn [21] 。从另一个侧面可以说明,超富集植物对重金属的吸收有很强的选择性,因为重金属通过根细胞膜进入根细胞时是由专一性的通道蛋白调控的。 【转运和富集机制】
原理：金属离子从根系向地上部分的转运过程主要发生在木质部。此过程主要受2个过程的控制:从木质部薄壁细胞转载到导管和在导管中运输,后者主要受根压和蒸腾流的影响。木质部存在大量能够与金属离子结合的有机酸和氨基酸,这种络合态是重金属离子在木质部中运输的主要形式。
2+
? 例如：Zn在超富集植物T. caerulenscens的木质部导管中的运输速率很快,且木质部汁液中的Zn2+浓度大约是非超富集植物T.arvens的5倍[22] 。 四、问题和展望 【局限性】
? (1)植物修复需时长，恶劣的气候条件等因素会影响植物的生长，进而影响植物修复的效率;
? (2)如果污染物浓度过高，超积累植物对污染物的积累量是有限的，修复效率不高。
? (3)目前重金属污染土壤的植物修复技术还处于田间试验与示范阶段,尚未做到大规模推广,对修复成本、修复植物后续处置风险等环节也尚未进行系统评价,因此还需更多的田间结果来支撑这种技术的研究和发展。
? (4)目前发现的超富集植物还不太多,且大多数只是对某一种重金属具有超富集性,还未发现具有广谱重金属超富集特性的植物,这在当今土壤污染多是复合污染的情况下应用有一定局限性；
? (5)目前发现的超富集植物大都比较矮小,生物量较低,生长比较慢,修复污染较
[17]
严重土壤的周期长,且大多根系较短,只能清除土壤表层的重金属；
? (6)目前对超富集植物吸收重金属的机理研究,特别是对超富集植物根吸收重金属并转运到地上组织以及重金属的累积与忍耐等一些生理生化机制的研究进展缓慢,阻碍了超富集植物分子生物学机制以及转基因超富集植物的研究。 【展望】
? (1)加强对超富集植物资源的生物修复性状优异种质的筛选和发掘,同时充分运用分子生物学和基因工程等先进育种技术;
? (2)建立和完善边生长边修复的技术体系和生态体系; ? (3)深入开展复合金属污染土壤的修复技术研究; ? (4)建立完善的植物修复工艺、设备、装置;
? (5)加强研究超富集植物修复重金属污染的强化措施;
? (6)开展以植物修复为核心的化学、微生物、联合修复技术; ? (7)促进植物修复技术应用推广。
参考文献
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［5］白洁,孙学,王道涵.土壤重金属污染及植物修复技术综述.生态环境2011,22(2):49-51
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[11] 张友德, 张新元.龙须草资源的开发与利用前景[J]. 武汉植物学研究,
最新重金属污染土壤的植物修复技术研究进展
