重金屬污染土壤植物修復研究

劉愛中

（湖南人文科技學院農生院，湖南 婁底 417000）

近年來，隨著工農業尤其是采礦業的大力發展，土壤重金屬污染日漸嚴重，已引起人們高度關注。土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性和持久性的特點，且重金屬還會通過食物鏈危害人體健康。目前，治理土壤重金屬污染的方法有物理法、化學法和生物法。前兩種方法雖然技術較為成熟，但由于成本高，操作復雜，且對土壤結構和微生物區系容易產生破壞，在大規模的土壤重金屬污染治理中實際應用價值小。生物修復包括微生物修復和植物修復。吸附重金屬和轉化重金屬是微生物修復的主要方式，因此，微生物修復并沒有將重金屬從土壤中去除。植物修復是一種原位治理技術，以其獨有的成本低、操作簡單、對土壤擾動少等優點，已成為國內外污染修復研究的熱點[1]。

利用植物治理重金屬污染土壤的設想是美國學者Chaney等于1983 年首次提出的。此后，植物修復技術逐漸成為重金屬污染治理的研究重點，并逐步走向商業化。在北美和歐洲地區，重金屬污染土壤植物修復能帶來40 億美元的市場年均價值。植物修復是一門環境污染治理技術，它以植物耐受和富集某種或某幾種化學元素為前提，利用植物及微生物共存體系使環境中污染物得到有效清除。植物不僅可以改變污染物中元素的形態和有效性，還可以累積、穩定和轉移污染物，因而植物修復是一條解決土壤污染的根本途徑。重金屬污染土壤的植物修復就是利用具有重金屬耐性和富集特性的植物，降解、轉化、穩定、吸收和提取土壤中的重金屬，通過植物及其根際微生物共存體系，改變土壤重金屬的形態和結構，降低土壤中重金屬的濃度，使受重金屬污染的土壤部分恢復到原初狀態，有效達到修復重金屬污染土壤的目的。

1.植物修復重金屬污染土壤的方法

植物修復重金屬污染土壤是利用植物的吸收和代謝功能，將土壤中的重金屬轉化、吸收、穩定或提取的過程。由于重金屬的理化性質各異，植物的新陳代謝也不盡相同，植物修復有多種特點和功能，但總體上可分為植物提取、植物揮發、植物穩定和根際過濾4 大類。

植物提?。褐参锾崛∽鳛槟壳爸参镄迯椭T多方法中研究最熱、發展前途最大的技術，是利用植物特別是其地上部富集重金屬能力強的特性，通過植物吸收土壤中的重金屬并將其轉移至地上部分貯存，收獲植物地上部分并對其進行處理，從而減輕重金屬對土壤的污染。研究表明Thlaspi caerulescens 對土壤Zn 的去除效率分別是蘿卜的79 倍、油菜的146 倍[2]。植物提取技術的前提是篩選出來的植物必須既能耐受重金屬又能大量富集重金屬。因此，超富集植物的尋找和篩選是植物提取技術的難點和關鍵。

植物揮發：有些植物對重金屬有很強的吸收、運輸和揮發能力。植物揮發是利用這些植物將土壤中的揮發性重金屬吸收到植物根系，然后將其運輸至地上部，再將其轉化為氣態形式，最后通過葉片等部位釋放到大氣中，從而減輕揮發性重金屬對土壤的污染。這一修復途徑只適用于揮發性重金屬（比如汞、硒等），而且將重金屬釋放轉移到大氣中存在環境風險，因而植物揮發技術有較大的局限性。

植物穩定：植物穩定是利用植物根部對重金屬的耐性和富集特性，通過植物根系累積和固持土壤中的重金屬以及根系分泌物，改變土壤重金屬形態，降低重金屬的移動性和毒性。植物分泌物可將Cr6+還原為Cr3+，從而降低Cr 的毒性。植物穩定有兩種主要功能，一方面通過植被恢復保護受污染的土壤免受風沙塵暴侵襲，減少水土流失和土壤滲漏，防止重金屬的淋移和擴散；另一方面通過根系對重金屬的吸附固持和累積沉淀以及根系分泌物對重金屬形態的轉化，降低重金屬的生物有效性，減少重金屬的遷移。這種方法只是將重金屬穩定在植物根系，但不能永久去除重金屬。

根際過濾：根際過濾是指植物借助根系的吸收和根表面的過濾，從重金屬污染的水體或濕地中吸收、累積和沉淀重金屬，減輕重金屬對水體或濕地的污染。水體和濕地重金屬污染植物修復的主要途徑是根際過濾。用于根際過濾的植物通常根系發達、表面積巨大（如寬葉香蒲和印度芥菜等），對重金屬的吸附能力強、過濾效果好。蘆葦和寬葉香蒲可有效清除濕地中的Zn、Cd 和Pb，水體中的水葫蘆和浮萍對Cu、Se 和Cd 有很好的去除效果。

2.重金屬污染植物修復機理

植物對重金屬的抗性機理：有些植物體內具備防御系統，能夠抵抗逆境的危害，比如重金屬毒害，這些即使在很高的重金屬含量環境中也能夠生長并完成生活史。植物可通過避性和耐性兩種途徑獲得對重金屬的抗性，且同一植物中兩種途徑往往能協同作用。

限制重金屬的跨膜吸收：植物可通過限制重金屬的跨膜運輸以減小植物對重金屬的吸收。細胞膜是細胞與外界環境的分界面，環境中的重金屬離子通過細胞跨膜運輸進入細胞內，重金屬能否運輸入植物細胞內以及輸入的數量主要取決于細胞膜的透性，而決定細胞膜透性大小的主要因素是細胞膜的組成結構。也就是說，細胞膜的組成結構決定重金屬能否進入細胞。因而，細胞膜的不同組成結構和變化能力的大小導致植物重金屬抗性產生差異。

對重金屬的排斥：植物主要通過排泄和組織脫落兩條途徑對重金屬進行排斥，如分泌脫落酸促進重金屬毒害較重的葉片脫落或加速老葉的脫落。植物原生質膜能主動將重金屬排出體外。植物吸收重金屬后，再將其排出體外達到解毒目的。

體外絡合：植物根系分泌物可使土壤重金屬的形態發生改變，使重金屬的生物有效性降低，重金屬對植物的毒害減輕。根系分泌物能與土壤重金屬離子形成金屬螯合物，降低重金屬的生物活性和移動能力。另外，根系分泌物能包埋吸附重金屬從而將其在植物根外沉淀，根系分泌的黏膠狀物質具有絡合作用可使重金屬離子（如Cd2+、Pb2+、Cu2+等）滯留于根外。

抗氧化防衛系統的作用：植物受重金屬脅迫時，其體內產生大量活性氧，對植物造成毒害。而植物細胞形成的抗氧化防衛系統能夠在一定限度內將過多的活性氧清除，保護細胞免受傷害?？寡趸佬l系統主要由GSH、AsA 等非酶性活性氧清除劑和SOD、CAT、POD 等酶性活性氧清除劑以及維生素C、維生素E 等抗氧化劑組成。它們協同作用，將細胞中過多的活性氧清除，使自由基代謝保持動態平衡。

脯氨酸和可溶性蛋白的作用：植物細胞中脯氨酸和可溶性蛋白含量的增加，能促進細胞滲透勢的升高和功能蛋白數量的增加，保證細胞代謝正常，提升植物抵抗逆境的能力。有研究表明，植物對Cd 毒害產生解毒的機制之一是增加植物細胞可溶性蛋白質含量。作為植物滲透調節物質，脯氨酸的積累能清除活性氧、減輕膜脂過氧化引起的毒害，增強植物重金屬抗性。

植物對重金屬的富集機理：關于植物重金屬的富集機理研究，目前主要在植物對重金屬的活化與吸收、運輸與轉移、累積與分布等方面取得了一定進展。

植物對重金屬的活化與吸收：重金屬富集植物能改變植物根際環境，有效活化根際土壤重金屬，促進植物對重金屬的吸收。其活化途徑主要有根系分泌物中的質子或有機酸促進重金屬的釋放；根系釋放的植物螯合肽和高鐵載體加速Fe、Cu、Zn、Cd 等元素的結合態溶解；根系還原性酶使重金屬高價離子還原成低價態，促進重金屬的溶解[3]。根系吸收是植物富集重金屬的重要環節。重金屬離子進入根細胞的方式是通過共質體或質外體，大部分離子需依賴轉移或通道蛋白的轉運才能進入根系。植物對重金屬的吸收受多種生態因子的綜合作用，其中與土壤重金屬含量、土壤pH、CEC、有機質以及植物根際微生物等密切相關。

植物對重金屬的運輸與轉移：進入植物根細胞中的重金屬被運輸與轉移至植物的各部位。植物對重金屬的運輸與轉移分為三個步驟，第一步是重金屬從共質體載入木質部，第二步是重金屬在木質部和韌皮部的運輸，第三步是重金屬轉移地上部莖葉等部位。有些富集植物由于內皮層凱氏帶完整，質外體途徑受阻將抑制重金屬運輸，植物通過降低液泡中重金屬含量促進重金屬向地上部的轉移，但其機理尚不清楚。木質部中重金屬的運輸速率與根壓和蒸騰作用密切相關。

重金屬在植物體內的累積與分布：進入植物體的重金屬，通過運輸與轉移，積累在植物各部位，但區室化分布明顯。在組織水平上，在表皮、亞表皮和皮下組織中貯存的重金屬占大部分；在細胞水平上，分布在細胞壁和液泡中得重金屬占大多數。細胞壁對重金屬有沉淀作用，Athyrium yokoscense 根系富集的Zn、Cd、Cu 中有70%～90%分布在細胞壁上。植物還可以將重金屬貯存在液泡中，使體內過多重金屬與生理活性區隔離。利用電子探針對Tcaerulescens 葉片中積累的Zn 進行分析，發現Zn 主要貯存在液泡中。Rauser 等通過電鏡觀察，發現液泡中積累了Cd 的結晶Cd3(PO4)2，表明液泡對重金屬的區室化作用。

3.植物修復技術展望

目前，植物修復技術尚停留在試驗階段。該技術的研究和發展必須依靠大量的田間結果來支撐，而且它涉及多門學科知識如土壤學、生態學、環境學、植物學、遺傳學和生物工程學等的綜合運用，因而未來的研究還需在理論基礎和實踐方面獲得突破，推動植物修復技術從實驗室走向產業化。篩選和馴化自然界中富集和超富集植物，以滿足實際應用需要，是植物修復研究在今后一個時期的首要任務。進一步研究植物對重金屬的富集機理、抗性機理、解毒機理、以及根際微生物對重金屬生物有效性的影響機制等問題[4]?；蚬こ碳夹g和分子生物學的結合，將植物細胞中耐有毒有害物質的超富集基因、抗性基因移植到根系發達、生長迅速、生物量大的植物中，培育出生物量大、富集能力強的植物，提高植物修復效率。加強對影響植物修復的生態因子及其調控手段的研究，生態因子的研究主要包括土壤重金屬含量、重金屬生物有效性、土壤pH、CEC、有機質以及植物根際微生物等問題；調控手段的研究主要包括改良劑、有機質等的應用和灌溉、施肥等農業措施的實施。

4.結語

植物修復是一種環境友好的、經濟有效的生物凈化技術。污染土壤植物修復既能減小土壤中污染物的濃度，還能提高土壤微生物的活性、增加土壤有機質和土壤養分的含量，將污染土壤的生態功能恢復到接近原初狀態，改善土壤質量。植物修復以太陽能為動力，成本低廉，適合于污染土壤的大規模治理。