錳礦區(qū)廢棄地植物修復(fù)技術(shù)研究進展

梁 希，陳永華，吳曉芙，張富運

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

錳礦區(qū)廢棄地植物修復(fù)技術(shù)研究進展

梁 希，陳永華，吳曉芙，張富運

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

從錳礦區(qū)廢棄地重金屬污染對周圍環(huán)境的影響入手，綜述了錳對植物的毒害作用和機理，列出了錳超富集植物的種類，分析了錳超富集植物的富集和解毒機制，并提出錳超富集植物篩選中存在的問題，最后展望了植物修復(fù)在錳礦區(qū)廢棄地的應(yīng)用前景，旨在為錳礦區(qū)廢棄地重金屬修復(fù)提供技術(shù)參考。

錳礦；植物修復(fù)；超富集植物；重金屬

我國錳資源豐富，已查明錳礦區(qū)有213處，主要分布在廣西、湖南和貴州3省[1]，錳礦的開采和冶煉在帶給人們財富的同時也對環(huán)境造成了危害，長期以來，由于錳礦的無序和過度開發(fā)，對礦區(qū)周圍的土壤環(huán)境的造成的影響日益嚴重。同時，采礦后隨意堆放的尾礦砂經(jīng)淋溶后的可溶成分隨水流向附近的河流和農(nóng)田，嚴重威脅了周圍居民的健康[2]，錳礦廢棄地土壤的理化性質(zhì)也發(fā)生改變，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，植被難以生長，礦區(qū)廢棄地地表裸露，水土流失情況嚴重，生態(tài)環(huán)境嚴重失衡。

植物修復(fù)是指通過植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)和植物提取作用，去除環(huán)境中的污染物，或減輕其危害性的一種環(huán)境污染治理技術(shù)。與其他方法相比植物修復(fù)有成本低、易操作、生態(tài)效應(yīng)好等優(yōu)點，故已成為近年來研究的熱點[3]。本文對植物的毒害機理、超富集植物篩選及耐性機理和工程應(yīng)用進行了綜述，最后，展望了植物修復(fù)在錳礦區(qū)廢棄地的應(yīng)用前景，旨在為錳礦區(qū)廢棄地植物修復(fù)提供技術(shù)參考。

1 錳對植物的毒害作用及機理

1.1 錳對植物的毒害作用

錳是植物生長代謝所必須的微量元素，但當生長環(huán)境中的有效錳含量過高時就會對植物的生長產(chǎn)生危害。錳中毒植物的一般癥狀為葉片泛黃綠、出現(xiàn)病斑、根系發(fā)育不良、植株生長受到抑制，生物量降低等[4]。翁燕霞等[5]在研究鐵錳脅迫對胭脂草逆境生理指標的影響時得出胭脂草在32 mmol·L-1Mn2+溶液中培養(yǎng)10 d會出現(xiàn)老葉失水萎蔫、新葉邊緣卷曲和植株失綠等中毒現(xiàn)象。高錳脅迫也會使棉花出現(xiàn)“皺葉斑癥”、馬鈴薯“莖上條帶壞死病”、蘋果樹“樹皮內(nèi)層壞死病”[6]。

1.2 錳對植物的毒害機理

1.2.1 葉綠素含量下降，光合作用受阻

周仁飛等[7]對錳礦區(qū)重金屬土壤對欒樹和杜英光合作用的影響研究得出重金屬污染土壤對杜英的凈光合速率有抑制作用。王華等[8]在研究水蓼吸收錳的生理與分子機制中得出，用8 000 umol/L的Mn2+溶液培養(yǎng)水蓼導致成熟葉片的葉綠素含量下降。說明過量的錳能破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，使其由正常橢球狀變成絲帶狀或球狀，導致葉綠素熒光參數(shù)和電子傳遞效率降低，影響光合作用。梁文斌等[9]研究了錳脅迫對垂序商陸葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)及葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響，得出隨著錳處理水平的升高，葉綠體開始皺縮，外膜發(fā)生部分解體，基粒排列紊亂甚至模糊成絮狀，基質(zhì)片層扭曲，類囊體發(fā)生膨脹及空泡化加劇，淀粉粒顆粒變小、減少，嗜鋨顆粒增多。倪穗等[10]研究了大豆幼苗光合特性對不同錳濃度的響應(yīng)，得出了在50 mg/L的錳濃度下，大豆葉片的光合速率降低，使碳的同化累計減少，蒸騰速率降低，葉片內(nèi)外氣體交換受阻，導致細胞間累積了大量的CO2，對大豆幼苗產(chǎn)生了一定傷害。

1.2.2 質(zhì)膜透性受損

植物在重金屬、干旱、高溫等脅迫下，原生質(zhì)中的不飽和脂肪酸會發(fā)生過氧化作用產(chǎn)生大量MDA，MDA可與核酸、蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)，使蛋白質(zhì)分子和酶失去活性，破壞DNA結(jié)構(gòu)，降低質(zhì)膜選擇透性，最終導致細胞膜結(jié)構(gòu)破壞[11,8]。研究錳對大豆膜脂化的影響得出，加大錳處理水平，大豆葉片的膜脂透性會隨之下降[11]。

1.2.3 活性氧損傷機體

植物在正常的生理條件下，體內(nèi)的氧自由基含量很低，但當植物在含氧環(huán)境下受到逆境的脅迫，自由基的平衡就會遭到破壞，產(chǎn)生大量活性氧，多余的活性氧會對機體產(chǎn)生危害。在高錳脅迫環(huán)境下，產(chǎn)生的多余的ROS能將葉綠體中的Mn2+氧化為Mn3+，導致氧化還原電位提高，造成活性氧大量累積，形成氧化脅迫[12]。

1.2.4 引起植物的“缺素癥”

鐵錳元素間有拮抗關(guān)系，只有當環(huán)境中鐵錳元素比例適宜，植物才能正常生長。高錳脅迫作用下會影響植物對鐵的吸收，造成植物缺鐵癥。鐵元素在植物體內(nèi)參與了呼吸作用，光合作用和葉綠素的合成[13]，植株缺鐵會出現(xiàn)葉片發(fā)黃、萎蔫等癥狀。覃都等[14]用高錳溶液對水稻處理，結(jié)果顯示，植株地上部和根系中Zn元素、Fe元素的含量隨著培養(yǎng)液中Mn2+含量的增加顯著下降，表現(xiàn)出鋅錳、鐵錳拮抗作用。曾琦等[15]報道隨著營養(yǎng)液中Mn2+濃度的增加會抑制油菜對Ca元素、Fe元素的吸收，影響植株的正常生長。

2 錳超富集植物篩選和富集機理與解毒機制研究進展

2.1 錳超富集植物篩選的研究進展

根據(jù)Baker等對超富集植物的定義[16]，錳超富集植物應(yīng)滿足地上部分錳含量超過10 000 mg·kg-1，地上部分錳含量要高于根部錳含量，及轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1。理想的錳超富集植物還應(yīng)該具備生長快，生物量大，經(jīng)濟價值高等特點。國際上報道的超積累植物有480多種，大部分為Ni超積累植物，報道的錳超積累植物僅有22種，其中我國自主知識產(chǎn)權(quán)的錳超積累植物有商陸[17]和水蓼[18]。錳超富集植物篩選情況表1。

表1 錳超富集植物Table 1 Species of manganese hyperaccumlators

由表1所示，錳超富集植物分布在商陸科、蓼科、莎草科、蹄蓋蕨科、衛(wèi)矛科、山龍眼科、禾本科、夾竹桃科、山茶科、桃金娘科、滕黃科、毛莨科和五加科，主要集中在商陸科、蓼科和衛(wèi)矛科，且大部分錳超積累植物為一年或多年生草本，少數(shù)為喬木和灌木，如木荷和衛(wèi)矛科植物，草本植物雖然對錳有超富集作用，但它們多為雜草，生物量小，沒有很大的經(jīng)濟價值，應(yīng)用性不強。表1中列出的衛(wèi)矛科的錳超富集植物雖為灌木或小喬木，但它們主要來自超堿性土壤[26]，在我國的植物修復(fù)技術(shù)中使用較少。面對如此現(xiàn)狀，篩選我國更為理想的錳富集植物成為礦山修復(fù)過程中的重點。方晰等[29]對湘潭錳礦廢棄地的植物進行了盆栽試驗，得出欒樹對礦渣廢棄地土壤適應(yīng)性強，生長旺盛，生物量大，可在一定程度上改善土壤肥力，且對Mn、Cd有一定的吸收作用，千頭柏和棕櫚雖對Mn吸收較少，但存活率高，生長情況較好。欒樹還可作為用材林，有一定的經(jīng)濟價值，可作為錳礦區(qū)植物修復(fù)的首選喬木植物之一。

2.2 錳超富集植物的富集機理與解毒機制

2.2.1 根系對重金屬的活化和吸收

超富集植物根系能分泌質(zhì)子、某些金屬結(jié)合蛋白和有機酸，通過酸化和螯合作用活化土壤中不容的重金屬，促進對重金屬的吸收。另外，超富集植物的根細胞質(zhì)膜上還有專一的金屬還原性酶，這些還原性酶能夠還原土壤中的高價金屬離子，增加溶解性。Welchetal 等[13]得出，在缺鐵環(huán)境下，植物根系能將附近土壤中的Fe3+還原，促進鐵吸收。用不同的錳水平處理水蓼得出，根系Mn含量隨著生長介質(zhì)中Mn供應(yīng)水平的增加而增加。由此可見，超積累植物比一般植物有的更強的吸收重金屬的能力。

2.2.2 區(qū)隔化作用

重金屬在植物組織水平上主要分布在表皮細胞、表皮毛和亞表皮細胞中；在細胞水平上主要分布在細胞壁和液泡中[30]。植物將進入細胞的有毒重金屬離子轉(zhuǎn)運和貯存在非活性代謝組織內(nèi)，降低原生質(zhì)內(nèi)的重金屬含量，減輕重金屬對細胞器等活性代謝組織的攻擊作用即區(qū)隔化作用[28]。對Mn在水蓼不同部位細胞中分布的研究得出，在葉片細胞中液泡中錳含量最高，達到58.18～65.64%，其次是細胞壁，細胞器錳含量最少，僅占總錳的2.60%～5.48%。根部細胞和莖部細胞中錳含量最高的部位分別在細胞壁和液泡[18]。對商陸細胞各組織錳含量的研究可得[31]，各組織錳含量從高到低分別為細胞質(zhì)可溶性部分（含液泡）、細胞壁、細胞器，這和水蓼的研究結(jié)果一致。

2.2.3 螯合作用

有毒的重金屬離子在植物體內(nèi)呈游離態(tài)時會對植物體產(chǎn)生毒害作用，超富集植物通過產(chǎn)生能與重金屬離子絡(luò)合的物質(zhì)，降低毒性的機制即為植物與重金屬的螯合作用。這些能與重金屬絡(luò)合的物質(zhì)包括有機酸、氨基酸類、植物絡(luò)合素PCs和金屬硫蛋白MTs[32]。Bidwell等[24]研究錳超積累植物桃香木屬的Austromyrtus bidwillii體內(nèi)有機酸的變化，發(fā)現(xiàn)此植物體內(nèi)含有大量有機酸，證明了有機酸與錳絡(luò)合的可能性。從前人對商陸和水蓼的研究得出，Mn在植物葉片中的主要形態(tài)為有機酸鹽，證實了錳與有機酸的絡(luò)合作用是錳超積累植物耐錳的機制之一。吳慧芳等[33]研究了錳脅迫下龍葵和小飛蓬根葉中MTs的變化，結(jié)果顯示這兩種體內(nèi)的MTs隨著錳水平的提高而增加，隨著脅迫時間的延長，葉片中的MT在抵御Mn脅迫中起到了保護作用。Huetal等[33]指出PCs可使重金屬離子在細胞液泡內(nèi)積累，緩解重金屬對植物的毒害，增加植物的耐性。但目前對于錳超富集植物的螯合作用主要側(cè)重于有機酸，這方面相關(guān)的研究較少[28]。

2.2.4 抗氧化系統(tǒng)的防御作用

在高錳脅迫下植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基，打破自由基的平衡，造成膜脂過氧化損傷，破壞酶活性并引起蛋白質(zhì)和核酸變形，危害細胞的健康[34-35]。植物在逆境中會形成抗氧化酶系統(tǒng)來保護酶活性，清除活性氧自由基，主要包括超氧化物歧化酶SOD、過氧化物酶POD和過氧化氫酶CAT。SOD的主要功能是清除植物體內(nèi)的生成O2和H2O2，但H2O2會生成毒性更大的-OH自由基。CAT的主要作用則是負責清除。沈吉紅等[37]對錳脅迫下商陸生理機制的研究得出，葉片中SOD和POD的活性隨著錳水平的增加而增大，這與水蓼的抗氧化機制[18]的研究結(jié)果一致。超富集植物在高錳脅迫下通過增強SOD和POD的活性可抵御氧自由基的傷害，而CAT是否也起到相同的作用目前尚未確定。

3 錳超富集植物篩選存在的問題

很多學者們對利用超富集植物來修復(fù)錳礦廢棄地寄予了厚望，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些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）篩選出的錳超富集植物物種比較少，已報道的只有22種。物種的選擇是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵，故應(yīng)該加快錳超富集植物的篩選工作，充實錳超富集植物庫。

（2）目前報道的錳超積累植物多為草本植物，主要為陸科、蓼科和衛(wèi)矛科，它們雖然能超富集錳，但生物量小，沒大的經(jīng)濟價值，在實際治理中并不實用。

（3）礦區(qū)中的重金屬多為復(fù)合污染，除了Mn元素外，一般還含有大量的Cd、Pb、Zn、Cu等有毒重金屬元素，目前篩選出的超積累植物大多只對一種元素有超富集作用，

（4） 國內(nèi)對植物篩選的研究方式主要是進行小規(guī)模的盆栽試驗和水培實驗，實地試驗較少，有些試驗篩選出的植物在實際應(yīng)用中的結(jié)果并不理想。

4 展望與建議

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(fù)錳污染土壤是一項很有發(fā)展前景的工作，應(yīng)對其推廣應(yīng)用和發(fā)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(fù)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(fù)工作應(yīng)該在以下幾個方面進行深入研究：

（1）我國植物物種豐富，但篩選出了錳超積累植物品種卻不多，建議在今后的研究中加大超積累植物篩選的范圍。礦區(qū)植物的選擇還可以從用材植物、能源植物、景觀植物的角度出發(fā)，選擇了既能夠在礦區(qū)較好的生長又能創(chuàng)造經(jīng)濟價值的植物。

（2）在污染錳礦區(qū)的修復(fù)工程中，構(gòu)建由生態(tài)攔截帶和人工濕地組成的生態(tài)攔截系統(tǒng)，防止污染水土擴大污染范圍，然后構(gòu)建不同植物群落組合而成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)礦區(qū)廢棄地的生態(tài)環(huán)境。

（3）植物對重金屬的富集機理和解毒機制、以及與根系微生物的相互作用等一系列理論問題有待深入研究，以指導實際的生態(tài)修復(fù)應(yīng)用。

（4）將植物修復(fù)與分子生物學和基因工程結(jié)合起來，把篩選出的錳超積累植物的超積累和耐性基因提取出來，轉(zhuǎn)到生物量大、生長速率快的物種上，研發(fā)出更理想的錳超富集植物以便實際應(yīng)用。

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Progress on phytoremediation of manganese mine wasteland

LIANG Xi, CHEN Yong-hua, WU Xiao-fu, ZHANG Fu-yun
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Starting with the impact of heavy metal pollutants on surrounding environment in the lead-manganese(Mn) mine areas, a review was given on toxic action and mechanism of manganese to the surrounding plants, and the species of Mn hyper-accumulation were listed. The concentration and detoxification mechanism were analyzed and the current problems in screening of Mn hyperaccumulation plants were put forward. Finally, the application prospect of phytoremediation in lead-manganese mine areas was forecasted in order to provide technical reference in remediation of heavy metal.

manganese mine; phytoremediation; hyper-accumulation plants; heavy metal

S719

A

1673-923X(2012)12-0104-04

2012-06-13

環(huán)保公益性行業(yè)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(huán)境科學與工程重點學科建設(shè)項目

梁 希(1989-)，女，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：水污染控制工程

陳永華(1977-)，男，湖南株洲人，副教授，博士后，碩士生導師，研究方向：環(huán)境生態(tài)學；E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文編校：吳 彬]