重金属超积累植物修复技术研究进展

重金属超积累植物修复技术研究进展

在过去10年中，土壤污染引起了公众的关注。不断增加的污染已经导致了大面积土地不能耕作,并且危害了野生动植物和人类。重金属不能被生物所降解,能通过食物链在生物体内不断富集,因此生态危险性高。土壤中重金属污染的危害主要表现在降低土壤肥力,降低作物产量与品质,而且恶化水环境,并通过食物链危及人类的健康与生命。据统计,中国约有3万多公顷土地受汞的污染,有1万多公顷土地受镉的污染,每年仅生产镉米就达5万吨以上,而每年因污染而损失的粮食约1200万吨,严重影响了中国的粮食生产和食物安全。尤其严重的是,重金属在土壤系统中所产生的污染过程具有隐蔽性,长期性和不可逆性的特点。因此,对土壤——植物系统中重金属污染物的迁移转化及超积累植物积聚重金属的机理进行深入的研究有着重要的意义。植物修复技术利用超积累植物的提取作用,挥发植物的挥发作用以及固化植物的稳定作用,在稳定污染土壤,减少风蚀水蚀及防止地下水二次污染的同时,使污染土壤得到修复,既不破坏污染现场土壤结构,又减少修复费用,已成为世界各国竞相研究的热点。1植物生态修复技术植物修复是一种新出现的利用绿色植物来从环境中去除污染物(金属和有机物)或使其无害化的一种技术,已受到广泛关注。植物修复是指以植物忍耐和富集某种或某些有机或无机污染物为基础,利用植物或植物与微生物的共生体系,清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。根据其作用过程和机理,重金属污染土壤的植物修复可分为植物稳定、植物提取和植物挥发三种方法。1.1植物稳定技术植物稳定是利用耐重金属植物降低重金属在土壤中的迁移性,从而减少重金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步造成环境污染的可能性。研究发现铅可与磷结合形成难溶的磷酸铅沉淀在植物根部,减轻铅的毒害;六价铬可被还原为毒性较轻的三价铬(Cr6+具有较高的毒性,而Cr3+是非常难溶的,基本没有毒性)。植物稳定利用了耐重金属植物能使土壤环境中的重金属流动性降低的特性,使重金属生物可利用性下降,从而使重金属对生物的毒性降低。Cunningham等研究了植物对环境中土壤Pb的固定,发现一些植物可以降低Pb的生物可利用性,有缓解Pb对环境中生物的毒害作用。植物稳定技术对废弃的重金属污染和放射性元素污染尤为重要,原地固定这两类污染物是上策,可以降低风险,减少异地污染,目前这项技术已经在矿区污染修复中使用。然而,植物稳定并没有彻底清除土壤中的重金属,只是将其固定,使其对环境中的生物暂时不产生毒害作用,没有从根本上解决重金属的污染问题。如果环境条件发生变化,重金属的生物有效性又会发生改变。因此,植物稳定的持久性令人怀疑。1.2植物提取技术植物提取最早是Chaney提出的,即利用重金属富集能力较高的植物的吸收和转运,将土壤中的一种或几种重金属转移并储存在地上部分,随后收获地上部分并集中处理。植物提取这一概念主要涉及到用植物的吸收能力来去除重金属或放射性元素。植物能够靠它的生长发育来积聚重金属,像Cd,Cr,Pb,Co,Ag,Se和Hg等。植物提取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物——超积累植物。已经被公认为是重金属污染土壤具有潜力的修复技术。它具有很多优点:成本低、能使土壤保持良好的结构和肥力状况、造成二次污染的机会较少、可回收利用重金属。美国能源部规定,能用于植物修复的植物应有五个特性,其中关键两个即是超积累和高生物量。1.3挥发性污染物清除法植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发来减少土壤中的一些挥发性污染物,主要是指金属元素Hg和非金属元素Se。如硒在印度芥菜的作用下可产生挥发性硒,湿地上的某些植物可清除土壤中的硒,其中单质占75%,挥发态占20%～25%。而其它挥发性重金属,如砷、铅等也能通过植物挥发作用而被部分去除。这一方法仅限于挥发性污染物,应用范围小。对于土壤修复而言,不失为一种有潜力的技术,但却将土壤中的污染物转移到了大气中,具有很大的环境风险。2超富集植物的筛选和种植中国在植物修复方面虽有许多人进行过探索与初步尝试,但系统性研究目前尚处于起步阶段。早期据黄会一报道,某种旱柳品系可富集47.19mg/kgCd,当年生加拿大杨对Hg的富集量高达6.8mg/株,为对照的130倍。龙育堂等将Hg污染稻田改种苎麻后,对Hg的净化率达41%。刘秀梅等在温室砂培盆栽条件下,研究了铅锌尾矿区生长的6种植物,发现有两种乡土植物羽叶鬼针草和酸模能够富集重金属铅,对铅有很好的耐性,铅含量是该项研究工作中另四种植物的2～20倍,能把绝大部分的铅迁移到茎叶,可以作为先锋植物去修复被铅污染的土壤。最近崔爽等研究了沈阳冶炼厂的8种植物对重金属(Pb、Zn、Cu和Cd)的吸收与富集作用以及可能的耐性机制。结果表明,茼麻(Abutilontheophrasti)对Pb的吸收和富集能力较强,小白酒花(Conyzacanadensis)、三裂叶豚草(Ambrosiatrifida)、酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、筒麻、龙葵(Solanumnigrum)、绿珠藜(Chenopodiumacuminatum)和菊芋(Helianthustuberosus)对Zn的吸收和富集效果较好,绿珠藜和茼麻对Cu的吸收和富集能力较强,龙葵、绿珠藜、茼麻、酸模叶蓼和小白酒花对Cd的吸收和富集能力较强。在英国,Baker等在络桑实验站首次以田间试验研究了在被Zn污染土壤(440mg/kg)上栽种不同的超富集植物和非超富集植物对土壤中Zn的吸收清除效果。结果表明,超富集植物Thlaspicarulescens富集Zn是非超富集植物萝卜的150倍,富集Cd则相应是10倍。Baker同时也发现,尽管Thlaspicarulescens吸收重金属能力很强,但由于其生物量小,需要13a～14a的连续栽种才能将实验地的重金属含量修复到欧共体规定的临界标(300mg/kg)。利用超积累植物修复重金属污染土壤的一个典型例子是美国明尼苏达圣保罗镉污染土壤的植物修复。该污染土壤为石灰性土壤,全镉含量为25mg/kg,全锌含量为475mg/kg,全铅含量为155mg/kg。试验者于1991年开始对该污染土壤进行修复,他们将污染土壤区隔为圆形并通过步道分成许多方块,共种植了5种植物:天蓝遏兰菜,麦瓶草属(Silenevulgaris),长叶莴苣菜(Lactucasatival.var.-longifolia),镉积累型玉米近交FR-37和抗锌与镉的紫羊矛(Festurarubra)。为了降低根际pH,还施入了硫肥、N03-态氮肥和NH4+态氮肥。经过3年的修复,将土壤中镉含量降到了可以接受水平,使原本一片光秃秃的“死地”变得生机盎然。超富集植物的筛选是植物修复技术的关键和核心,同时也是污染环境植物修复的难点及前沿。曾普遍认为利用植物吸收法治理土壤重金属污染耗时太久,原因主要是尚未找到所需的植物超富集体。近年来,这一领域引起了国内更多学者的浓厚兴趣且取得了一定的进展。在1999年陈同斌、韦朝阳等人在中国本土发现世界上第一种砷的超富集植物——蜈蚣草(PterisvittataL.)的基础上,先后在中国境内发现了几种超累积植物:浙江大学杨肖娥等人在浙江发现了锌超累积植物——东南景天(SedumalfrediiH.);中科院韦朝阳等人在湖南又发现砷的另一种超累积植物-大叶井口边草(PteriscreticaL.);薛生国等人在湖南省发现的锰超累积植物-商陆(PhytolaccaacinosaRoxb.);刘威等人在湖南省郴州桂阳县宝山矿区发现并证实宝山堇菜(Violabaoshanensis)是一种Cd超富集植物;最近,魏树和等人首次发现并证实杂草龙葵(SolanumnigrumL.)也是一种Cd超积累植物。预期在不久的将来,中国将有越来越多的超积累植物被发现,植物修复技术将会为推动中国污染土壤修复和土壤污染治理工作做出更大的贡献,并有可能形成一个新的产业。3超积层及其吸收重金属的机理3.1超积累植物的测定不管是植物吸收、植物挥发还是植物稳定作用,植物本身的特性是决定污染治理效率的关键。因此,寻找与筛选适宜的植物始终是植物修复研究的一项重要任务。超积累植物(Hyperaccumulator)的概念是Brooks等提出来的,一般认为重金属含量超过一般植物100倍的植物属于超积累植物,即Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量应在1000mg/kg以上,Mn、Zn含量应在10000mg/kg以上。现已发现As、Cd、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Se和Zn等元素的超积累植物达400多种。Thlaspicaerulescens已经被广泛接受为Zn的超积累植物,并且已经有许多关于T.caerulescens对Zn的吸收和转移的研究。从现有的研究(见表1)看,利用超积累植物的修复重金属污染土壤确实展出美好的前景。超积累植物的特点是能超量吸收重金属(较普通作物累积10～500倍以上)并将其运移到地上部的植物。通常,超积累植物的界定可考虑以下两个主要因素:(1)植物地上部富集的重金属应达到一定的量;(2)植物地上部的重金属含量应高于根部。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较大差异,因此,对不同重金属,其超积累植物富集浓度界限也有所不同。同时这些植物还应满足S/R>1的条件(S和R分别指植物地上部和根部重金属的含量)。3.2超积累植物对重金属的吸收对于重金属在土壤——植物系统中转移的不同生物化学机理已经有了一定的研究。能够作为植物修复的植物必须能够从土壤中吸收大量的重金属并积聚到其组织中。这种植物能够生长在有毒金属污染的土壤上,并且能够积聚非常高的有毒金属。与一般植物不同的是,重金属似乎是超积累植物的必需元素。如Brown等发现了对某种金属有耐性的超积累植物相对于一般植物需要更高的金属离子浓度才能正常生长,并且能将所吸收的重金属元素大量迁移至植物茎叶等地上部器官中。超积累植物吸收重金属的机理在国内外已经进行了不少研究。首先,超积累植物可以活化土壤中不溶态的重金属。根袋试验表明,在天蓝遏兰菜(T.caerulescens)栽培过程中,土壤中可溶态Zn含量虽然降低了,但其比例不到天蓝遏兰菜吸收Zn总量10%,说明天蓝遏兰菜可以将土壤中的Zn从不溶态转化成可移动态。植物的根系可以分泌质子,从而促进了植物对土壤中元素的活化和吸收。关于超积累植物体内的有机物对重金属离子的螯合、超积累植物吸收重金属的分子生物学机制以及超积累植物对重金属离子的储存也有不少研究,如Kupper等利用分散X射线法和单细胞液泡法,发现Thlaspicarulescens成熟叶片中Zn主要积累在表皮细胞中,而在叶肉细胞中Zn的含量很低;估计在成熟细胞中,60%的Zn积累在表皮细胞的液泡中。说明表皮细胞中的液泡化(Vacuolation)可能是优先积累Zn的驱动力。影响超积累植物吸收重金属的因素,包括土壤中重金属含量、土壤pH值、土壤C02分压、土壤水分条件、土壤元素的拮抗作用、土壤有机质、化学溶剂等。金属在植物中的超积累是一种复杂的现象,因为超积累植物的金属吸收、转移和耐受分别受不同的基因控制,很难找到只耐受或只积累金属的植物,所以超积累植物耐受性和积累金属之间的准确关系尚未确定,还需要从生理生化的水平来理解植物耐受金属的机制。其次,植物必须有能力将某种元素从根系运转到茎叶。通常情况下,植物根内的金属浓度往往比茎叶中的相应元素高得多,但在超积累植物中,茎叶中的重金属浓度可以超过根内元素水平。Kumar等发现,虽然某种超富集植物庭芥属(Alyssum)叶片提取物中Ni的化学形态主要是由苹果酸和柠檬酸形成的络合物,但在木质部伤流物中,组氨酸络合物可达Ni总量的40%,伤流物中几乎所有的组氨酸与Ni形成络合态,而在营养液中加入组氨酸时显然可以增加非超积累植物Alyssummontarum对Ni的抗性及由根部向地上部分的转运。金属离子从根系转移到地上部分主要受两个过程的控制: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。目前对于阳离子在木质部的转载过程还不十分明确,但一致认为,它是与根细胞吸收离子相独立的一个过程。在超积累植物中,可能存在更多的离子运输体或通道蛋白,从而促进重金属向木质部装载。此外,可能还有其它鳌合物参与超积累植物体内重金属的长途运输。根据目前的研究报道,有关氨基酸或有机酸等在木质部重金属的装载和运输中的作用,具有很大的推测性,需要更多的试验证据来支持。有关超积累植物的耐性与富集机理研究较多,普遍认为超积累植物的耐性与超富集是由植物本身不同的生理机制所控制。超积累植物超量吸收富集重金属与其根部细胞具有与重金属较多的结合点有关,而耐性则是由于重金属在植物细胞中存在于细胞壁和液泡中,从而降低其毒性。近期的研究证明重金属的强螯合能力也是超积累植物耐高浓度重金属的重要原因,另外重金属在超积累植物中的区室化分布也是其耐受重金属的重要机制之一。关于超积累植物的基础研究已经取得不少进步,但仍然存在许多问题有待更深入的研究。4超积累植物的研究是植物重金属污染治理的理论基础和应用前景植物修复是一项正处于发展之中,并且具有广阔应用前景的新技术。植物修复技术以其安全、廉价的特点正成为全世界研究和开发的热点,它以太阳能为驱动能源,适用于中、低浓度污染土壤的治理,具有良好的生态效益,更适合在发展中国家使用。但该技术研究和应用时间较短,在理论体系、修复机理及技术工艺上仍须进一步完善,以下几个方面的研究仍有待加强:(1)超积累植物的筛选和培育。中国的野生资源十分丰富,开发野生植物在植物修复中的应用具有较大优势。但当前中国对治理土壤重金属污染的生物学修复法,尤其是对超积累植物的研究尚处于起步阶段。因此,当务之急是尽快寻找、筛选和培育对重金属具有超积累能力的植物,进行超积累植物资源调查,了解其分布,收集并建立超积累植物的数据库。(2)基础理论和应用研究并举。重金属在植物体内的存在形式,植物对重金属超量吸收和积累及其解毒机制,超积累植物与根际微生物共存体系的作用以及根际土壤环境条件下对重金属的生物有效性制约机理等一系列基础理论问题仍有待于进一步探索。(3)植物修复技术的工艺研究。作为一种原位处理技术,确保植物的良好生