重金屬富集植物種質(zhì)資源收集研究進展

張英　朱守晶 揭雨成　邢虎成　佘瑋 魯雁偉 陳建芳

摘 要 隨著工礦業(yè)發(fā)展、城市化進程的加快、農(nóng)藥化肥的施用，我國的重金屬土壤污染問題日趨嚴重。相比物理、化學修復方法，植物修復技術(shù)更加廉價、安全，成為目前各國研究的熱點。超富集植物是植物修復技術(shù)的關(guān)鍵核心，開展超富集植物的收集、篩選、研究工作具有非常深遠地意義?；诖?，結(jié)合國內(nèi)外在重金屬超富集種質(zhì)資源收集方面的進展進行簡要綜述。

關(guān)鍵詞 重金屬；超富集植物；種質(zhì)資源

中圖分類號：S46 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.27.089

隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，礦山開采冶煉、工業(yè)“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）、汽車尾氣、化肥農(nóng)藥的施用所帶來的土壤重金屬污染問題越來越引起世界各國的關(guān)注。廣義上的重金屬是指密度大于5 g·cm-3的金屬元素，生態(tài)環(huán)境方面的重金屬是指Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn以及具有較強生物毒性的As。土壤中的重金屬可通過食物鏈在動物以至于人體內(nèi)富集，進而對人體健康造成損害，例如20世紀發(fā)生在日本富山縣和水俁鎮(zhèn)的“痛痛病”和“水俁病”，就是分別由Cd中毒和Hg中毒引起的。礦山開采所產(chǎn)生尾庫是土壤重金屬污染的主要來源，這些固體廢物來到地表以后，由于環(huán)境變化造成了多種重金屬元素向地面土壤當中的釋放，進而產(chǎn)生了重度重金屬污染的土壤，造成生態(tài)環(huán)境的惡化。

農(nóng)業(yè)部污灌區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國污灌區(qū)面積約在140萬公頃，其中重金屬污染面積占64.8%。過去50年中，世界排放到環(huán)境中的重金屬Cd約22 000萬噸、Cu約939 000萬噸、Pb約783 000萬噸、Zn約1 350 000萬噸。土壤是極其寶貴的自然資源，由于土壤重金屬污染具有不可逆、隱蔽性等特點，一旦遭受污染就難以修復。因此，重金屬污染土壤修復的需求越來越變得緊迫，成為亟待解決的棘手問題。

1 植物修復的概念

植物修復的設(shè)想最早是由美國科學家Chaney在1983年提出的，即通過種植一些超富集植物來清除土壤中的重金屬。植物修復是生物修復的一部分，一般是指利用綠色植物的生命代謝活動來吸收、分解、揮發(fā)或固定土壤環(huán)境中的重金屬，降低重金屬在土壤中的總量和有效態(tài)含量，從而使污染了的環(huán)境能夠部分恢復到原初狀態(tài)的過程。

2 超富集植物的特征

目前，對重金屬超積累植物比較公認的判定標準包括以下三個方面。1）植物地上部較普通植物能夠積累10～500倍某種或幾種重金屬，即地上部干重的Cd含量應在l00 mg·kg-1以上，Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量應在

l 000 mg·kg-1以上，Mn、Zn含量應在10 000 mg·kg-1以上。2）地上部重金屬含量大于根部或地下部該重金屬含量，即轉(zhuǎn)運系數(shù)>1。3）對重金屬具有較強的耐性且沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。

3 重金屬超富集植物種質(zhì)資源

1948年，Minguzzi等[1]首先在意大利南部富含Ni的風化土壤中發(fā)現(xiàn)了Ni超富集植物，其葉片干重的Ni含量高達1%，這是人們首次找到超富集植物。目前，世界各國對遏藍萊屬（Thlaspi）、庭芥屬（Alyssuns）、蕓苔屬（Brassica）的超富集植物研究的較多?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的Cu、Mn、Ni、As、Cd、Co、Zn、Pb和Se等重金屬元素的超積累植物達到492種左右，分布于45個科，其中320多種是Ni超富集植物。近年來，許多學者對植物修復領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣并取得了一定成果。

4 重金屬超富集植物的特征

尋找和培養(yǎng)生物量大、生長速率快、生長周期短的超富集植物，是提高植物提取技術(shù)效益的長期策略?，F(xiàn)有的超富集植物大部分都是野生植物資源，其生長速度慢、生物產(chǎn)量低、修復時間長、地域性強，并且大多只能修復一種重金屬污染，難以達到修復重金屬污染土壤的目的。由以上存在的問題可以推出，理想的修復用植物應該符合以下五個特征。1）具有富集一種或幾種重金屬的能力，并能富集于植物的地上部分。2）對富集于體內(nèi)及體外未被吸收的重金屬有耐受性。3）具有高的生物量，生長速度快。4）具有發(fā)達的根系。5）為人們所熟悉，已經(jīng)掌握其栽培及植保技術(shù)，且在當?shù)鼐陀猩L。為此，繼續(xù)尋找開發(fā)生物量較大又具經(jīng)濟價值的且對重金屬耐性強、富集性強的植物或作物是植物修復技術(shù)走向工程應用的首要任務(wù)。

5 苧麻對重金屬的抗性和富集能力

岳慶玲[2]對寶山鉛鋅銀礦區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在高Pb土壤背景下，苧麻地上部的Pb含量超過1 000 mg·kg-1，在柿竹園礦區(qū)和寶山礦區(qū)，苧麻對各種重金屬元素的轉(zhuǎn)運系數(shù)都大于1，表明苧麻可能是Cd和Pb超富集植物。佘瑋[3]對石門雄黃礦區(qū)、冷水江銻礦區(qū)、瀏陽七寶山礦區(qū)的野生苧麻重金屬吸收積累特征的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為2.07和3，As富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為1.04和12.42，Sb富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為1.91和9.04，盆栽和微區(qū)試驗表明，在最高89.9 mg·kg-1 Cd處理下，雖然株高、生物量、葉片數(shù)、SPAD值降低，苧麻存活率仍能達到100%，可以完成正常生長周期，表現(xiàn)出較強的耐鎘特性。韋朝陽等[4]在兩個砷礦區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，石門雄黃礦尾砂壩附近，僅生長蜈蚣草、苧麻，舊冶煉區(qū)僅有苧麻等10種植被，苧麻對砷具有極強的耐性，高砷區(qū)苧麻葉、莖、根中的砷含量分別為536 mg·kg-1、

103 mg·kg-1、69 mg·kg-1。曹德菊等[5]采用盆栽試驗，研究了苧麻對Cd的耐受能力，結(jié)果表明苧麻對Cd有一定的富集積累效應，在Cd濃度達200 mg·kg-1時長勢較好，低于200 mg·kg-1的Cd溶液可促進苧麻生長，富集系數(shù)最高可達9.95，具有一定的修復潛力。龍育堂等[6]在Hg污染稻田種植苧麻，發(fā)現(xiàn)在土壤Hg含量130 mg·kg-1

以下的條件下苧麻的產(chǎn)量、品質(zhì)未受明顯影響，土壤Hg凈化率達41%，土壤自凈年限比水稻縮短8.5倍。陳志澄等[7]對廣東土法煉砷廢墟及其周邊砷污染調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻是耐砷植物，模擬試驗表明種植苧麻可減少As的遷移，不會引起二次污染。雷梅等[8]對湖南柿竹園礦區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，苧麻是優(yōu)勢種，在重金屬污染最嚴重的才山選礦廠，僅有蕁麻科的苧麻、鳳尾蕨科的蜈蚣草、木賊科的木賊零星分布，苧麻對重金屬有一定的富集能力，其地上部和根部鉛含量分別為680 mg·kg-1和444 mg·kg-1，對鉛的富集能力明顯高于其他植物。苧麻還具有很強的富集鎘的能力，在含鎘10 mg·kg-1的污染農(nóng)田土壤上，其地上部含量就能達到

l5 mg·kg-1，可見苧麻屬于富集型植物。

6 研究展望

植物修復相比傳統(tǒng)修復方法具有很多優(yōu)勢，如環(huán)保、廉價、適用于大面積土壤修復等，但作為一門剛剛興起的技術(shù)還存在一些缺陷，1）植物對土壤環(huán)境中的重金屬有一定的耐性限度，污染過于嚴重的土壤不適用于植物修復。2）多數(shù)超富集植物屬于野生植物，生物量小，生長緩慢且具有落粒性，易受環(huán)境條件影響。3）修復周期較長，難以適用于快速修復。4）根系較淺，大部分超積累植物的根系分布在耕層20～30 cm的深度，只適用于表層土壤修復。5）對重金屬具有選擇性，大多數(shù)只能富集一種或幾種重金屬，不具備廣譜性。6）大部分植物修復還處于示范階段。因此，加強重金屬超富集植物種質(zhì)資源的搜集、整理和分類工作，尋找生物量更高、生長速度更快，特別是能夠進行復合污染修復的野生超富集植物資源，并克隆、鑒定相關(guān)作用基因，對現(xiàn)有作物特別是不進入食物鏈的經(jīng)濟作物進行改良，創(chuàng)造新的超富集植物種質(zhì)資源，將成為未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] Minguzzi C， Vergnano O. Ⅱ Contenuto Dinichel Nelleceneridi Alyssum Bertolonii Desvaux[J]. Soc Tose Sci Nat Ser A，1948，55：49-74.

[2] 岳慶玲.湖南典型礦區(qū)土壤和植物重金屬污染研究[D].楊陵：西北農(nóng)林科技大學，2004.

[3] 佘瑋.苧麻對重金屬吸收和積累特征及鎘脅迫響應基因表達研究[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學，2010.

[4] 韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術(shù)研究進展[J].生態(tài)學報，2001（7）：1196-1203.

[5] 曹德菊，周世杯，項劍.苧麻對土壤中鎘的耐受和積累效應研究[J].中國麻業(yè)，2004，26（6）：272-274.

[6] 龍育堂，劉世凡，熊建平，等.苧麻對稻田土壤汞凈化效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1994，13（1）：30-53.

[7] 陳志澄，毋福海，黃麗玫，等.砷礦尾砂污染及其治理研究[J].環(huán)境污染與防治，2006，28（3）：180-182.

[8] 雷梅，岳慶玲，陳同斌，等.湖南柿竹園礦區(qū)土壤重金屬含量及植物吸收特征[J].生態(tài)學報，2005，25（5）：1146-1151.

（責任編輯：劉昀）