植物對重金屬鎘抗性機(jī)理及利用的研究綜述

申 強(qiáng)，徐金益，張 亮，王程亮，薛 永

（1.無錫市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，江蘇無錫 214023；2.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，上海 201403）

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水和廢渣等工業(yè)廢棄物的大量排放，土壤Cd污染越來越嚴(yán)重。土壤中的Cd極易被農(nóng)作物吸收，在植物體內(nèi)積累，然后通過農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈，對動物和人類的健康產(chǎn)生不良的影響。日本著名的“骨痛病”就是因?yàn)楫?dāng)?shù)厝顺粤随k污染土地上種植的“鎘米”。

1 土壤中鎘的背景值

Cd在元素周期表中與植物必須微量元素Zn同族，位于第II B族，是一種灰色有光澤的重金屬。Cd在自然界中的分布很廣，在地殼中Cd含量為0.15～0.20mg.kg-1，在海水中為1.1×10-4mg.kg-1，在河流湖泊中為1.0×10-4～10.0×10-4mg.kg-1，在空氣中為2.0×10-6～5.0×10-6mg.kg-1，在土壤中大于1mg.kg-1。在通常情況下，植物中Cd含量都很低，不超過1mg.kg-1。植物中Cd含量受許多因素的影響，如土壤的pH值、植物種類及部位等。

Cd具有很強(qiáng)的毒性，半衰期約10～30年，甚至更長，在人體內(nèi)代謝排出十分緩慢，極易在人體內(nèi)積蓄。Cd污染不僅使得土壤肥力退化，作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，當(dāng)通過食物鏈進(jìn)入動物和人體后，就會直接影響和危及動物與人類的健康。

2 鎘對植物的危害

對農(nóng)作物來說，有很多金屬包括銅和鋅，是生物生理過程必須的微量營養(yǎng)物質(zhì)。如鋅（Zn）是很多酶的輔助因子，很多蛋白質(zhì)中包含鋅結(jié)合結(jié)構(gòu)域（Clarke and Berg，1998）；銅（Cu）是超氧化物歧化酶、細(xì)胞色素C氧化酶、質(zhì)體藍(lán)素等蛋白介導(dǎo)的電子傳遞反應(yīng)的重要組分。土壤中過量的Cd不僅與植物中蛋白質(zhì)和酶活性中心的巰基結(jié)合，還能取代蛋白中的Zn、Cu等必須金屬元素，造成生物大分子改變和功能性酶的失活，進(jìn)而干擾組織細(xì)胞的正常代謝。

3 植物受Cd毒害的癥狀

Cd在土壤-植物中的遷移會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。Cd對植物生長的影響也會因?yàn)椴煌参锏纳硖匦远嬖谳^大差別，當(dāng)植物組織中Cd為10-6水平時，有些植物就可能受到損害甚至死亡，如植物出現(xiàn)矮化、黃化以及產(chǎn)量、品質(zhì)下降，有時甚至出現(xiàn)死亡絕收。對Cd敏感的作物有都可植物（Glycinemax）、菠菜（Spinacia）、蘿卜（Raphanus sativas）、水稻（Oryza sativa L）、胡蘿卜（Daucus carot）和燕麥（Avena sativa）等[1]。

4 Cd對植物的毒害機(jī)理

Cd對植物的毒害作用有許多方面。例如，Cd通過不可逆轉(zhuǎn)地抑制質(zhì)子泵，從而影響細(xì)胞的正常生長；Cd還會抑制硝酸還原酶的活力，減少氮素的吸收和傳導(dǎo)；Cd增加H+在線粒體內(nèi)膜的透性，抑制氧化磷酸化[2]；Cd抑制幾種抗氧化酶的活力，引發(fā)氧化脅迫；Cd干擾包圍細(xì)胞中K+、Ca2+和ABA的移動，抑制氣孔開度；Cd損傷光合器官，使Fe2+匱乏，增加非光化學(xué)粗滅，從而影響光合作用[3]；Cd影響RNA合成，降低核糖核酸酶活性，導(dǎo)致核仁損傷；Cd顯著減少H+/K+交換，影響質(zhì)膜ATP酶的活力。Cd還通過干擾水分代謝、降低葉綠素含量、改變細(xì)胞膜透性、與蛋白質(zhì)產(chǎn)生巰基作用、競爭代謝活性部位、代換必需營養(yǎng)元素、改變DNA的構(gòu)象等對植物產(chǎn)生毒性作用[4]。

5 植物對Cd忍耐的生理基礎(chǔ)

植物為了維持體內(nèi)必須金屬的濃度，減少Cd的毒害作用，植物在長期進(jìn)化過程中，形成了許多防止Cd中毒的防御機(jī)制，并通過控制Cd的吸收、積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒等過程，在體內(nèi)形成一套復(fù)雜的控制Cd體內(nèi)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制（Clemens，2001；Hall，2002），從而形成基本的Cd耐性。

植物對Cd的耐受機(jī)制包括避性和耐性。“避性”是指植物在環(huán)境中吸收較少的Cd來免受毒害。避性機(jī)制包括限制Cd的跨膜吸收，使Cd與根系產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，降低活性Cd的含量，使植物避免受到傷害（Baker，1987）?！澳托浴眲t是指植物能夠在高濃度的Cd環(huán)境中生存，體內(nèi)保持高濃度Cd而不受傷害的生理機(jī)制。Baker（1987）認(rèn)為，耐性包括金屬累積和金屬排斥。金屬積累性又包括區(qū)室化作用和鈍化作用。區(qū)室化是指在植物體內(nèi)某些特定的部位或細(xì)胞器將Cd隔離在其中，避免Cd對細(xì)胞造成傷害。區(qū)室化和活性鈍化往往一起發(fā)揮解毒作用。金屬排斥性是指Cd被植物吸收后又被排除體外，或阻礙Cd在植物體內(nèi)的遷移。

6 植物對Cd毒害的消除方式

6.1 限制Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)

植物對Cd的耐受性與體內(nèi)Cd的積累數(shù)量有關(guān)。植物對Cd的耐受性與植物體內(nèi)Cd的積累數(shù)量有關(guān)。如耐Cd能力較差的玉米和小麥品種中，植株中Cd的積累量大于耐Cd性較強(qiáng)的植株[5]。在蠅子草屬植物Silene vulgaris的耐Cd細(xì)胞系中的Cd累積量明顯要低于敏感細(xì)胞系S.cucubalus的Cd累積量，應(yīng)該是耐性細(xì)胞系通過降低Cd向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移速率來解毒[6，7]。有研究表明白羽扇豆根細(xì)胞能夠排除Cd[8]。

6.2 非活性部位對Cd的吸持作用

葉表皮和細(xì)胞壁是植物的非活性的部分。一些植物Cd可以貯存在葉片的表皮毛中，進(jìn)而避免Cd對葉肉細(xì)胞的直接傷害。比如印度芥菜（Brassica juncea L.），Cd在葉片表皮毛中的積累量是葉片組織中Cd積累量的43倍，其主要的解毒機(jī)制之一就是將Cd儲存在葉片表皮毛中[9]。細(xì)胞壁是植物細(xì)胞保護(hù)的第一個屏障，細(xì)胞壁的組分具有豐富的羧基、羥基、醛基等活潑基團(tuán)，當(dāng)Cd在穿過細(xì)胞壁的時候，會有一部分Cd與這些活潑基團(tuán)沉淀，可以阻止大量Cd進(jìn)入原生質(zhì)內(nèi)，從而降低Cd的毒害[10]。例如，Nishizono等發(fā)現(xiàn)Athyriumyokoscense的根所吸收的重金屬中有70%～90%累積在根尖的細(xì)胞壁上。

6.3 提高抗氧化酶活性

Cd脅迫下植物體內(nèi)抗氧化酶活性增加。大量研究表明，隨著Cd濃度的增加，小麥幼苗葉片中丙二醛含量增加，保護(hù)酶活性增加[11]。在Cd脅迫下，植物SOD、POD和CAT的活性因品種和抗性的不同而不同。楊居榮等對不同耐性的農(nóng)作物開展了Cd試驗(yàn)，結(jié)果表明：Cd耐性最強(qiáng)的冬小麥SOD、POD和CAT活性均增加，Cd耐性其次的玉米POD、CAT活性增加，SOD活性變化不顯著，耐性較弱的黃瓜SOD、筍SOD 和POD活性均顯著降低，而由此說明在植物抗Cd脅迫中3種保護(hù)酶起了一定的作用。

6.4 提高可溶性蛋白和脯氨酸的含量

增加植物可溶性蛋白含量，可以間接提高細(xì)胞滲透勢和增加功能蛋白的數(shù)量，有利于維持正常的細(xì)胞代謝，增強(qiáng)植物的抗逆性。洪仁遠(yuǎn)等研究表明，小麥幼苗根中可溶性蛋白質(zhì)含量會隨Cd濃度的降低而降低，隨著Cd濃度提高而增多。也有研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cd（＜=20mg/L）會使小麥幼苗中的脯氨酸含量略有增加，而高濃度的Cd（50或100mg/L）則會顯著增加脯氨酸含量[12]。李子芳等的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著Cd濃度的提高，小麥幼苗葉片內(nèi)游離脯氨酸含量會提高。脯氨酸積累作為植物重要的滲透調(diào)節(jié)因子，對植物適應(yīng)逆境具有重要作用。因此，脯氨酸含量的增加可能是植物耐Cd性的重要機(jī)制之一。

6.5 Cd的區(qū)隔化及螯合作用

植物細(xì)胞質(zhì)和液泡內(nèi)富含谷胱甘肽（GSH）、組氨酸、檸檬酸鹽、磷酸、草酸等小分子物質(zhì)，通過沉淀或螯合Cd，可以避免直接細(xì)胞器與Cd接觸，從而消除Cd對植物的毒性[10]。螯合作用是植物對細(xì)胞內(nèi)Cd的主要解毒形式之一，植物螯合素（Phytochelatins，PCs）起著十分重要的作用。重金屬中，Cd誘導(dǎo)組成PCs的速度最快，數(shù)量也最多。PCs通過Cys上的巰基（SH）與Cd離子螯合，構(gòu)成LMW和HMW兩類復(fù)合物。其中，LMW復(fù)合物存在于細(xì)胞質(zhì)中為主，HMW復(fù)合物存在于液泡中為主。Cd在植物中主要以HMW復(fù)合體的形式在液泡中積累。Cd和PCs的結(jié)合降低了細(xì)胞內(nèi)游離的Cd濃度，有效地促使金屬敏感酶避免變性失活，從而降低Cd對植物的毒害作用。Verkleij等的研究表明，植物根系吸收60%的Cd以Cd-PC的形式存在。Klapheck等研究認(rèn)為，植物對Cd的積累與耐受性是由受細(xì)胞內(nèi)GSH或PCs數(shù)量決定的，隨著PCs產(chǎn)量的增加和PCs鏈的加長，植物對Cd的耐受性也隨之增強(qiáng)。

7 結(jié)論

傳統(tǒng)的Cd污染土壤的修復(fù)技術(shù)（如客土法、排土法、深耕法、施用非毒性改良劑法、電化學(xué)法、化學(xué)沖洗法等）都存在一些不可彌補(bǔ)的缺陷。例如，非毒性改良劑受環(huán)境的干擾很大；排土法對土壤的治理效率低，還容易造成土壤二次污染，并且耗資巨大；化學(xué)沖洗法要求技術(shù)高，也容易產(chǎn)生二次污染，且治理不徹底。植物修復(fù)則開辟一種高效、綠色治理土壤Cd污染的新途徑。Cd污染的植物修復(fù)原理主要為以下兩個方面：一是植物萃取。運(yùn)用超積累植物從土壤中吸收Cd，并將Cd轉(zhuǎn)移、儲存到植物地上部分，再收割植物地上部分并合理處置，通過連續(xù)多次種植、收割的方式，將土壤中的Cd帶離土壤，土壤中Cd含量降至安全水平。二是根際過濾。通過改變植物根際周邊環(huán)境，改變Cd的化學(xué)形態(tài)，降低Cd在土壤中的活動性，促使Cd在植物的根部周圍積聚、沉淀，進(jìn)而減少Cd向可食用部分的轉(zhuǎn)移和積累，確保農(nóng)產(chǎn)品中Cd的含量控制在安全水平以內(nèi)。

植物修復(fù)技術(shù)的處理費(fèi)用相對較低，與常規(guī)化學(xué)、理物修復(fù)技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢，尤其適合于在發(fā)展中國家應(yīng)用；植物修復(fù)技術(shù)屬于原位修復(fù)技術(shù)，具有保護(hù)表土、減少侵蝕和水土流失的功效，對環(huán)境影響小，可廣泛應(yīng)用于礦山的復(fù)墾、重金屬污染土壤的改良，是目前最清潔的污染處理技術(shù)；與其它處理方法相比，植物修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生的廢物量較少，并且可以回收重金屬。

植物修復(fù)Cd農(nóng)田應(yīng)綜合考慮到受污染土壤特性、污染程度、栽種習(xí)慣、氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，將植物修復(fù)技術(shù)與其他土壤修復(fù)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，以達(dá)到高效、低耗的治理修復(fù)效果。