植物在重金屬污染治理中的妙用

譚紫東 韓海生|文

植物修復是一種很有潛力、正在發展的清除環境污染的綠色技術，也是一門正在崛起并涉及土壤學、植物學、分子生物學、基因工程學、環境工程等多門學科的新興邊緣學科。植物修復與其他修復技術結合起來，取長補短，將在重金屬污染治理領域發揮更加神奇的作用。

隨著工業的發展，土壤和水域的重金屬污染已成為全球一個嚴峻的問題。重金屬污染具有穩定性高、不可逆和后果嚴重等特點，至今沒有找到理想的治理方法，而傳統的工程、物理和化學等手段因耗資大、易產生二次污染等原因限制了其在修復重金屬上的應用。植物修復是一種很有潛力、正在發展的清除環境污染的綠色技術，也是一門正在崛起并涉及土壤學、植物學、分子生物學、基因工程學、環境工程等多門學科的新興邊緣學科。它具有成本低、不破壞土壤和河流生態環境、不引起二次污染等優點。

植物修復是利用綠色植物來轉移、容納或轉化土壤和水體中的污染物，使其對環境無害。其對象是重金屬、有機物或放射性元素污染的土壤及水體。16世紀意大利植物學家首次發現一種能在托斯卡納“黑色巖石”上生長的特殊植物Alyssum bertolonii （庭薺屬），由此開啟了重金屬修復的新篇章。1977年新西蘭地質學家Brooks首次提出超累積植物的概念，緊接著美國農業部提出將植物用于土壤重金屬修復。近幾十年來植物修復在重金屬污染治理中發展迅猛，并取得了較為顯著的研究進展。

植物對重金屬污染的修復主要通過四種方式實現：植物提取、植物揮發、植物穩定或固化和根系過濾。利用超積累植物修復重金屬污染，其成功與否除了取決于植物生物量的大小，更為重要的是取決于植物從土壤中吸取金屬以及向地上部運輸金屬的能力。主要修復機制包括：植物體中含有大量轉運蛋白，其對重金屬離子進行吸收和轉運，例如ZIP蛋白一般由309～476個氨基酸組成，其主體分布于細胞膜中，C末端和N末端位于膜外結合重金屬離子；植物體內普遍存在的一種重金屬脫毒機制是配體與重金屬離子的絡合，如有機酸、氨基酸和多肽等都可作為配體以不同方式與重金屬絡合并脫毒；植物也可以通過新陳代謝將重金屬離子轉換為揮發性物質，例如利用轉基因植物將有毒的Hg（Ⅱ）吸收并轉變為無毒Hg（0）揮發出來。

世界上至今為止發現的超累積植物約有500余種，其對Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Mn2+、Cr2+和 As等金屬體現出了較強的凈化作用。羊茅、普通蕎麥、白蓮蒿、小鱗苔草和馬藺對鉛具有極強的富集能力，植物體鉛濃度高達10克/千克；野外調查發現壺瓶碎米薺在鎘的重度污染區生長良好，可以富集鎘高達38倍以上，對鎘的耐受力極強，金邊吊蘭、蜀葵、龍葵和羽葉鬼針草也對鎘具有較強的富集凈化作用；長柔毛委陵菜、圓錐南芥、葉芽阿拉伯芥和東南景天富集Zn的濃度遠遠低于超累積植物參考值，是良好的Zn污染修復植物；人參木、土荊芥、短毛蓼和福木對Mn就有良好的富集作用，其中木荷、垂序商陸效果最為顯著；國內外報道的符合銅的超積累植物標準的植物有荸薺、海州香薷、蓖麻、鴨跖草，密毛蕨的Cu含量低于超積累植物的閥值，但其作為蕨類植物具有生長快、分布廣，且具有較強的Cu轉運能力；野外調查發現的符合參考值標準的有狼尾草、李氏禾和假稻，其中狼尾草富集Cr的濃度極高，而李氏禾轉運能力很強，扁穗牛鞭草Cr地上部濃度低于參考標準值，但其適生區域廣，生長快，可在Cr污染土壤修復中發揮作用；野外調查發現了一些多金屬超積累植物，例如寶山堇菜、野茼蒿和禿瘡花，其中禿瘡花同時符合Pb、Cd、Zn 三種重金屬元素超積累植物的標準，尤其是對Zn，不但富集濃度高而且轉移能力強。

為了防止重金屬通過植物吸收進入食物鏈（網），實踐中篩選用以重金屬污染區生態修復的建群植物的主要為用材、工業原料與藥用、能源和景觀等四大類植物種類。例如：三球懸鈴木、刺槐、圓葉決明可以作為Cd、Pb 的修復植物廣泛種植于重金屬污染區；五加樹、紫蘇、巴西人參、圓葉決明、棕櫚、鹽膚木都是可在重金屬污染土壤生長的生態- 經濟型植物；油菜常被用作生物能源的植物，對Cd 富集能力較強，可用于重金屬污染土壤修復，兼具能源價值、經濟價值與修復價值；此外，薄荷、蒔蘿、羅勒能夠吸收和積累Cd、Pb、Zn、Cu等多種重金屬元素，可用于重金屬復合污染土壤。

植物修復是最為新型的綠色污染處理方式，與傳統修復技術相比有其優越性。首先作為一種生物修復，它的首要特點是投資和維護的成本低、操作簡單，不需要大量機械設備或進行工廠建設；其次，不需要添加化學試劑，不會產生二次污染；再次，處理過程可與城市景觀結合，有良好的生態效益；最后是可通過收割、灰化植物體提取金屬。更重要的是，它是一種原位修復，極大地降低了投入。我國的植物資源豐富，為篩選生長速度快、生物量高的超富集植物提供了條件。另外隨著分子生物技術、基因工程的發展， 將外源基因導入植物體得到超富集植物或者具有特定可轉化重金屬的植物為植物修復提供了更大的發展空間。植物修復與其他修復技術結合起來，取長補短，將在重金屬污染治理領域發揮更加神奇的作用。