鉛鋅超富集植物及耐性植物篩選研究進展

張富運，陳永華，吳曉芙，梁 希

（中南林業科技大學，環境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

鉛鋅超富集植物及耐性植物篩選研究進展

張富運，陳永華，吳曉芙，梁 希

（中南林業科技大學，環境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

目前利用重金屬超富集植物的提取作用從污染土壤中去除重金屬被認為是最有前途的重金屬污染土壤修復技術之一。本研究從植物修復作用機理入手，分析了超富集植物和耐性植物的特點與解毒機制，列出了Pb-Zn超富集植物種類，最后分析了Pb-Zn植物篩選中存在的問題，并對超富集植物的篩選和植物修復工作研究進行了展望，旨在為重金屬鉛鋅超富集植物和耐性植物篩選研究提供技術參考。

鉛鋅；植物修復；超富集植物；耐性植物；篩選

近年來，鉛、鋅礦產資源開采、金屬冶煉、燃料生產等生產活動加快發展，使得鉛、鋅等重金屬通過多種途徑進入土壤環境，造成嚴重的土壤重金屬污染。尤其是礦山開采過程中產生大量尾礦渣，在未得到恰當處理的情況下給當地生態環境造成嚴重威脅。重金屬進入土壤環境后，不僅直接毒害土壤生物、破壞土壤生態結構，還會造成水體污染，且有毒重金屬通過食物鏈間接或直接的危害人體健康[1]。因此，如何治理和修復重金屬污染土壤成了研究的熱點和迫切需要解決的問題。

由于有毒重金屬污染過程具有隱蔽性、滯后性、長期性、積累性、不可逆性和地域差異性的特點，使得重金屬污染土壤成為全球性的棘手問題[2]。目前, 利用重金屬超富集植物的提取作用從污染土壤中去除重金屬被認為是最有前途的重金屬污染土壤修復技術之一[1]。 本研究從植物修復作用過程和機理入手，分析了超富集植物的特點與解毒機制，列出了Pb-Zn超富集植種類，最后分析植物篩選中存在的問題，并對超富集植物的篩選和植物修復工作研究進行了展望。

1 植物修復技術及其修復機理

植物修復是指利用自然生長的植物或培育植物及其根系微生物群落對污染土壤、沉積物、地下水和地表水中的污染物進行的清除技術，是一種有效的生物技術，綠色技術[3]。根據其作用過程和機理，植物修復可以分為植物揮發、植物穩定、植物提取、植物過濾[4]。通常所指的植物修復技術主要是指植物提取，即通過超富集植物的吸收積累和轉運作用，將土壤中的重金屬轉移到植物地上部分，通過收獲地上部分并集中處理的方法以達到降低土壤中重金屬含量。

重金屬污染的土壤可以通過一系列的化學、物理、生物等技術來治理和修復，但相比之下，植物修復技術更具現實可行性，這跟植物修復技術的諸多優點有關。植物修復技術屬原位修復技術,修復重金屬污染土壤具有廉價、高效、就地、土壤擾動小、保持水土、操作簡便、環境友好性、能大面積推廣等優點[1-2]。

2 超富集植物和耐性植物的特點以及解毒機制

2.1 超富集植物的特點

1977年，Brooks 提出超富集植物的概念，認為植物組織干重中含Ni 超過1 000 mg/kg，則該種植物就是Ni的超富集植物[5]。1989 年Baker重新定義了超富集植物[6]。超富集植物是指能超量吸收土壤中的重金屬并將其轉運到地上部分的特殊植物，也稱超積累植物。綜合文獻[5-7]認為一種植物能夠確定為超富集植物應同時具備以下三個基本特征，這三個特征也是目前最基本的超富集植物篩選標準和依據：(1)植物地上部分富集的重金屬達到一定的量，是普通植物在同一生長條件下的100倍。目前采用較多的是Baker 和Broks 1983年提出的參考值,其臨界含量分別為鋅、錳10 000 mg/kg，銅、鉛、鎳、鈷、砷均為1 000 mg/kg，含鎘達到100 mg/kg。(2)植物地上部的重金屬含量高于根部該種重金屬含量，其富集系數（植物體內重金屬污染濃度與土壤重金屬污染濃度的比值）大于1，同時還要滿足轉運系數（植物地上部分重金屬含量與根部重金屬含量之比值）大于1。(3)植物在滿足上述兩個條件的前提下，沒有出現明顯的毒害癥狀。

目前，國際上報道的超富集植物已有400多種，具有我國自主知識產權的超積累植物時有報道，但數量較少，比較典型的有Zn 超積富集植物東南景天、As 超積累植物蜈蚣草、大葉井口邊草、Cd超積累植物油菜和寶山堇菜以及Mn 超積累植物商陸等。理想的超富集植物既要有高生物量，又要忍受和積累高濃度的重金屬。能同時滿足兩個條件的植物少之又少，因此，在篩選時需要在兩者之間做權衡[8]。有學者還考慮了其他一些篩選條件，如植物的深根性、生長速率等。目前，首要以總重金屬含量來確定，其次才考慮其他的篩選條件。

2.2 耐性植物的特點

重金屬耐性植物是指具有某種特殊的生理機制、在重金屬嚴重污染的環境中也能夠生長、繁殖的一類特殊植物[9]。植物首先要在重金屬污染地上忍受高濃度重金屬的毒害后存活下來，且地上部分還能夠吸收和積累過量的重金屬才能演變成為超富集植物。因此，超富集植物必然是重金屬耐性植物，而超富集植物是重金屬耐性植物的特例。一般來說也只有在高濃度重金屬污染的地方才能找到超富集植物。與超富集植物相比，耐性植物體內重金屬含量較少，吸收能力弱，它經過了長期的馴化和生長適應而表現出忍耐性，而最終能夠很好適應污染環境并表現出較強耐性的植物則發展成為耐性生態型植物，或是忍耐-富集型植物。與超富集植物相似，耐性植物抵抗性重金屬的能力也在一定范圍內，但這一范圍因植物種類、植物的生理特性、根際環境，植物生長地域性和所抵抗的重金屬種類以及污染程度而表現出差異，因此耐性植物的耐力無固定臨界值和范圍，而也正是這樣有的耐性植物很難演變為超富集植物。植物忍耐力的大小要依據植物在污染基質上的生長狀況和活力等指標來判斷和評估。

2.3 超富集植物與耐性植物解毒機制

有研究表明[7，10-13]通過螯合作用固定金屬離子或降低其生物毒性是植物對細胞內重金屬解毒的主要方式。植物體內的重金屬螯合劑有植物螯合素、和金屬硫蛋白、有機酸以及氨基酸幾種，這些螯合劑能與重金屬離子結合形成一定的復合物, 在一些轉運蛋白的作用下, 這些復合物被運輸到細胞外或被儲存在液泡等細胞器內, 降低對植物的毒害, 使植物能吸收和富集更多的重金屬。植物體內細胞區域化作用。研究表明[12-13]，在組織和細胞水平上, 重金屬在超富集植物的葉片中呈現域化分布。在組織水平上, 重金屬主要分布在表皮細胞、亞表皮細胞和表皮毛中，一定程度上減輕葉片細胞結構及生理功能所受的傷害；在細胞水平,重金屬主要分布在質外體和液泡中，減少了重金屬對細胞質及細胞器中各種生理代謝活動的傷害?？寡趸赶到y的保護作用。植物在逆境條件下, 能產生大量活性氧自由基, 這類自由基可使膜系統的脂質過氧化并導致膜傷害。而生物體內超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶等共同構成保護酶系統, 可清除這些氧自由基, 解除或減輕植物受傷害的程度[14]。

3 Pb-Zn超富集植物、耐性植物篩選現狀

鉛鋅礦區用于重金屬污染土壤修復的植物主要有超富集植物和耐性植物。我國在這些植物修復和植物超富集植物篩選方面的研究起步較晚，但近些年也開展了大量的篩選工作，取得了一系列的研究成果，植物篩選面不斷在擴大，所篩選出的耐鉛鋅植物也較多，筆者將這些研究成果總結列表（表1、表2）如下：

分析表1中的結果發現，所列Pb超富集、富集及耐性植物種類分布在藜科、禾本科等22個科中。其中，禾本科、莎草科、十字花科、菊科、唇形科、豆科、石竹科、鳳尾蕨科的植物種類較其他幾個科多，尤其是禾本科植物。文獻證明在Pb污染土壤中，禾本科植物表現出較強的生命力和抗重金屬鉛的能力。所列植物中東南景天、圓葉遏藍菜、苧麻、蜈蚣蕨、土荊芥、鋪地黍、楊梅、木賊、香附子、東方香蒲、委陵菜、紫花苜蓿、小鱗苔草、香根草、圓錐南芥、西風輪菜、庶茅、鳳尾蕨為已報道的Pb超富集植物；而羽葉鬼針草、酸模、綠葉莧菜，裂葉荊芥、蒼耳、紫穗槐、類蘆、假繁縷、密毛白蓮蒿、雙穗雀稗、黃花稔、銀合歡、泡桐、榿木、旱柳、鹽膚木、紅椿雖未達到Pb超富集植物的標準，但這些植物也能積累一定量的鉛，對鉛表現出一定的抗性。且合歡、泡桐、旱柳、紅椿等植物生物量較大，具有一定的修復潛力，在治理鉛鋅尾礦水土污染中具有應用前景。

表1 國內常見的Pb超富集、富集及耐性植物列舉Table 1 List of the common Pb hyperaccumulator and tolerant plant

表2 國內常見Zn超富集及耐性植物列舉Table 2 List of the common Zn hyperaccumulator and tolerant plant

由表2中的結果可知，所列舉Zn超富集及耐性植物種類分布在景天科、莧科等13個科中，其中，禾本科、薔薇科植物較其他科植物多。所列植物中，能夠超富集Zn的植物有東南景天、香附子、木賊、長柔毛委陵菜、東方香蒲、天藍遏藍菜；能夠忍耐和富集一定量的重金屬Zn的植物有小葉楊、刺玫薔薇、珍珠梅、云杉、刺天茄、樺樹、楊樹、蓖麻。與富集及耐Pb植物種類相比，兩種元素共有的植物科屬為景天科、莧科、十字花科、禾本科、木賊科、莎草科、楊柳科、樺木科。因此，在兩種元素伴生的條件下，篩選和培育超富集、耐鉛鋅植物可以首先從這些植物科屬入手，尋找能同時抵抗兩種甚至多種重金屬的植物，接著可再將篩選和培育范圍擴大。

4 植物篩選中存在的問題

分析以上列舉植物物種發現，學者們對利用超富集植物來修復重金屬鉛鋅污染寄予了厚望，并在植物物種的篩選工作中做出了很多努力和貢獻。但篩選過程中依然存在一系列問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）植物以自然定居種為主，少見人工栽培種；植物多為研究者在污染地所發現的野生植物，即物種獲取以野外調查為主,少部分進行了盆栽和水培試驗。

（2）草本植物為主，有少部分灌木和喬木，但植物植株矮小、生長緩慢、生物量受到嚴重限制，進而影響到修復效率的高低和修復周期的長短。

（3）能源植物、用材植物等具有高利用價值、高生物量、速生的物種很少見，不過這一點正在引起廣大學者的注意和重視，篩選方向有所轉變，近年關于此類植物的研究也正在增多。植物篩選過程中有可食用植物、藥用植物出現，如楊梅、莧菜、魯白、魚腥草等，這些植物雖能積累一定量的重金屬，但將其用做礦山廢棄地修復是否具可行性值得探討，應謹慎選取。

（4）植物物種具有很強的地域性，而且對重金屬元素具有較強的選擇性，難以廣泛應用于多種污染地。在鉛和鋅等多種重金屬元素伴生的情況下，勢必要尋找和培養能同時富集和對多種重金屬具有抗性的植物,以期更有效的治理復合型重金屬污染土壤。

（5）相對于Pb元素，超富集Zn、耐Zn植物發現較少；且在植物篩選過程中，能同時忍耐和富集兩種元素的植物較少，很多將鉛和鋅分開來篩選，單一考慮其中一種元素，少有人研究能共同抵抗和富集兩種元素甚至更多元素的植物。

5 研究方向展望

盡管植物篩選還存在一些問題，但總體來說利用超富集植物來修復鉛鋅污染土壤是一項很有發展前景的工作，我們應對其推廣應用和發展充滿信心，也需努力解決存在的問題，以期更好的為植物修復重金屬污染土壤做出貢獻。本文認為超富集植物的篩選和植物修復工作應該在以下幾個方面進行深入研究：

（1）加強具有復合功能的植物篩選研究。超富集植物對重金屬具有選擇性，當前超富集植物篩選研究大多針對單一重金屬污染物, 但現實環境一般為多種重金屬復合污染, 因此加強具有復合功能的植物篩選研究具有重要的現實意義。

（2）系統開展一些具有超富集功能的鄉土植物篩選[40]，在其成活率有保障的基礎上，加強對其如何提高生物量、加快生長速度等方面的研究，并對這些超富集植物進行最大限度的回收利用，使其資源化。

（3）因地制宜，根據污染地重金屬濃度高低和污染輕重程度確定所需的修復物種。因各地區出礦品位有差異，造成的污染程度也會有差異，某些植物在某一礦山廢棄地生長良好，但并不代表其在其他地區的同種礦山廢棄地能生長良好。

（4) 加強超富集植物優化搭配研究，注重喬木灌木草本的結合。將多種具有不同修復功能的超富集植物優化搭配，共同作用，優化配置，合理構建功能型生態修復群落，以達到修復污染土壤高效率、高標準和美化環境的目的。

（5）加強已發現的一些具有經濟價值的重金屬超富集植物引種和馴化、育種研究，提高利用率和富集效率，達到體現其經濟價值和修復功能雙重效用的目的。

（6）修復機理、解毒機制的深化研究應與實際應用并舉。篩選超富集植物固然重要，但重金屬在植物體內的存在形式，植物對重金屬超量吸收和積累及其解毒機制、分子機理等一系列基礎理論問題比較復雜，目前研究的還不夠透徹，仍有待于進一步探索和深化。

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Research advances on screening of hyperaccumulator and tolerant plant species of Pb-Zn

ZHANH Fu-yun, CHEN Yong-hua, LIANG Xi
(Environmental Science and Engineering Research Center,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Phytoremediation, a remediation technology using the extracting effect of hyperaccumulator of heavy metal to remove contamination from polluted soil, has currently become one of the most promising research field. Starting with mechanism of phytoremediation effect, the characteristics and detoxif i cation mechanism of hyperaccumulator and tolerant plants and listed species of hyperaccumlators of Pb-Zn was analyzed. Finally, the existing problems in screening of Pb-Zn plants were analyzed, and the research on screening and phytoremediation of hyperaccumulator was prospected. All of above should be conducted in order to offer technical reference for screening of hyperaccumulator and tolerant plant species of Pb-Zn.

screening of plant; phytoremediation; lead and zinc; hyper-accumulator; tolerance plant

S718.5；X53

A

1673-923X(2012)12-0092-05

2012-10-08

環保公益性行業科研專項（200909066）；國家科技支撐計劃項目(2012BAC09B03)；湖南省科技計劃項目（2012SK3167）；湖南省環境科學與工程重點學科建設項目

張富運(1988-)，女，云南大理人，碩士研究生，主要從事礦山修復研究

陳永華(1977-)，男，湖南攸縣人，副教授，碩士生導師，主要從事環境生態修復研究；E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文編校：文鳳鳴]