“植物礦工”不同凡響

天賦異稟的植物

20世紀70年代，生物學家在太平洋新喀里多尼亞島上，發現了一種特殊的熱帶樹種。這種熱帶樹種能長到20米高，最特別的是樹皮被割開后會流出鮮艷的藍綠色乳膠。研究發現，其乳膠中的鎳含量為25%（質量），相當于一般植物汁液內鎳元素含量的25萬倍，正是大量的鎳元素導致其乳膠呈現出藍綠的色澤。

鎳是一種金屬元素，主要分布在南北赤道30度以內的熱帶國家，新喀里多尼亞就是其中之一。由富含鎂鎳的巖石形成的土質很罕見，通常只有地幔物質被帶到地表的地方才可能出現。

安東尼·范德·恩特博士是澳大利亞昆士蘭大學的生物學教授，專門研究上述這種熱帶樹種。據他介紹，雖然植物生長需要微量的鎳元素，但吸收過多會導致鎳中毒，干擾新陳代謝，阻礙正常生長。一般的植物很難在鎳這類重金屬含量超標的地方生存，更別提把它們富集在植物組織里了。而這種熱帶樹種就像是一種超級收集器，能夠從土壤中大量吸收有毒重金屬，并儲存在樹干、樹葉甚至種子里面。

恩特表示，這種熱帶樹種通過將配體分子與鎳原子結合，防止鎳原子與其他化學元素發生反應，從而在高濃度鎳的環境中保持化學結構不被破壞。此外，配體分子還能將鎳原子與樹木的細胞隔離開，保證樹木在高濃度鎳的環境里健康生長。他指出：“不同種群的超積累植物已經進化了很多次，時間跨越數百萬年。也就是說，它們原本就生長在富含金屬的土壤中，并不是人為干擾的結果。”

這種熱帶樹種只存活于馬奎人居住的稀疏的森林中，生長速度緩慢，要花上幾十年才能開花結果。它受到各種威脅，生存空間越來越小，可能只剩下幾百棵，已經被列入了瀕危物種名單。雖然從分子生物學到生物化學，科學家都對它擁有儲存大量重金屬的能力進行了研究，但迄今仍未搞清楚它是如何進化出了富集濃度如此之高的鎳元素的能力。

有人推測，這種熱帶樹種積累大量的鎳元素是為了保護自身免遭昆蟲和其他食草動物的傷害。畢竟鎳元素對動植物而言，是有毒的重金屬。此外，還有一種說法是，這種熱帶樹種聚集鎳元素是對其他植物的一種化學攻擊。也就是說，當葉子落到地上，土壤中的鎳含量增加，會導致其他植物難以生長，該樹種由此獲得更多的資源，使自身得到更多的存活機會。

能夠超量積累重金屬并將其運移到地上部分的植物，被稱為“超積累植物”或“超富集植物”，它們體內某一金屬元素濃度大于臨界值。由于不同元素在土壤和植物中的自然濃度不同，因此臨界值的確定取決于植物富集的元素類型。

超積累植物必須具備下列條件：地上部分（莖或葉）的重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的10～500倍，臨界值分別為錳、鋅10000毫克/千克，鎘100毫克/千克，金1毫克/千克，鎳、鉛、鈷、銅、砷1000毫克/千克；植物地上部分的重金屬含量遠遠大于其根部的重金屬含量，表現為特殊的吸收、轉運重金屬并儲藏于地上部分的能力；植物對重金屬具有較強的耐性，即能在污染場地旺盛地生長，植物生物量較大，生長周期短，能超量積累一種或同時積累幾種重金屬元素。

植物修復優點多

在土壤環境質量標準中，鎘、鉻、鉛、砷、汞等重金屬是明確規定必須加強風險管控的有害重金屬。土壤修復技術是使遭受污染的土壤恢復正常功能的技術措施，包括熱力學修復技術、熱解吸修復技術、焚燒法、土地填埋法、化學淋洗、堆肥法、滲透反應墻、生物修復和植物修復等。

植物修復技術被普遍認為是一項很有發展前途的修復技術，已成為當前國內外環境科學熱點問題和前沿研究領域。它具有物理、化學修復方法無法比擬的許多優點，例如：費用低廉，應用面積大，對土壤環境擾動小；治理效果永久，不破壞場地結構，不引起二次污染，能美化景觀；重金屬可再循環和部分回收。

植物修復技術主要利用超積累植物在重金屬污染土壤里生長，從污染土壤中超量吸收一種或幾種重金屬，并因其自身的超富集現象，將重金屬轉移、貯存到莖、葉等地上部器官。隨后，人們將植物整體（包括部分根）收獲并集中處理，然后連續種植，以便使污染土壤中重金屬含量降到可以接受的水平，從而使污染土壤得以修復。

按照植物修復的作用過程和機理的不同，植物修復技術可分為植物提取、植物揮發、植物穩定和根系過濾。

植物提取是目前研究最多且最具發展前景的一種技術。重金屬經具有較強富集能力的植物根系吸收后，繼而轉移、儲存到植物莖、葉，然后收割莖、葉，從而達到去除土壤重金屬元素的目的。

植物揮發是指利用植物根系分泌的一些特殊物質或微生物，將土壤中的污染物（主要是汞、砷、碲）吸收到植物體內后轉化為氣態物質，揮發出來，釋放到大氣中。植物揮發要求被轉化后的物質毒性小于轉化前的污染物質，以減輕環境危害。

植物穩定是指利用植物及其根系吸收、富集或沉淀土壤中的重金屬，使土壤中的大量有毒金屬轉化為相對無害的物質，從而降低土壤中有毒金屬的移動性、生物有效性，減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的可能性。該方法適合廢棄礦區的重金屬污染或者放射性元素污染的治理。

根系過濾是指利用耐性植物龐大的根系過濾和吸收功能富集水體中的重金屬元素，將植物收獲進行妥善處理，達到治理水體重金屬污染的目的。此種方法更多地應用于治理水體污染。根系過濾主要用于處理含放射性污染物質、重金屬和其他污染物質的廢水。

改造污染的土壤

鉛污染是目前土壤無機污染中較為嚴重且廣泛存在的問題。如果長期暴露于低濃度的鉛污染環境中，會嚴重影響兒童的成長（包括智力發育）和神經功能。在重金屬鉛的超積累植物名單中，有土荊芥、圓錐南芥、羽葉鬼針草、茼麻、香根草、綠野莧菜、紫穗槐、麻瘋樹、鳳眼蓮和蒼耳等。其中，香根草因生物量大，植被覆蓋率高，是我國鉛鋅礦復墾中最有效的植物之一。

鎘是一種具有強毒性的重金屬，對環境破壞性大，同時鎘進入食物鏈對生物體的毒害具有隱蔽性和累積性。能夠修復重金屬鎘污染土壤的超積累植物有油菜、寶山堇菜、天藍遏藍菜、魚腥草、商陸、龍葵、菖蒲、球果蔊菜、向日葵、煙草、楊樹等，其中生物量較大的油菜被認為是最佳植物。魚腥草雖未達到超積累植物的水平，但因其根系發達、 生長速度快和分布地域廣的特點，對鎘具有一定富集能力，是理想的修復鎘污染土壤的材料。

土壤砷污染是由砷或其化合物所引起的環境污染，主要來源于工業和城市的廢水和固體廢棄物、農藥、化肥、牲畜排泄物和生物殘體，以及大氣沉降物等。砷污染對環境和人體健康會造成嚴重影響。砷和砷化物一般可通過水、大氣和食物等途徑進入人體，造成危害。砷元素的毒性極低，但砷化物均有毒性，三價砷化合物比其他砷化合物毒性更強。蜈蚣草、粉葉蕨、長葉鳳尾蕨、鳳尾蕨等名列重金屬砷超積累植物名單內，其中蜈蚣草還對鉛、鎘等重金屬有很強的吸收能力。目前，利用蜈蚣草修復重金屬復合污染土壤已在實踐中獲得了成功。

土壤中的鉻可以通過植物攝取進入食物鏈，對植物的生長發育產生嚴重的影響，從而影響生態平衡。鉻降低土壤的酸堿值（pH值），抑制植物的根系生長，破壞根系的細胞膜結構，影響植物對水分及養分的正常吸收和利用，加速植物的老化和凋謝。印度芥菜和旱柳等對鉻具有超積累作用。其中，印度芥菜比其他物種多移除2倍多的鉻，能減少28%的鉛、48%的硒，而且在對抗鋅、汞和銅元素上也很有效。在20世紀80年代，人們曾在烏克蘭切爾諾貝利放射銫污染土壤的植物修復中，利用印度芥菜移除放射性銫-137（銫的一種核素）。

汞是環境中毒性最強的重金屬元素之一。土壤汞污染是指由汞或含汞化合物引起的環境污染，主要來源于工業污染（如汞礦開采、燃煤發電和金屬冶煉等）、農業污染（如有機汞農藥的使用）以及自然因素（如火山活動）。土壤汞污染對生態系統及人類健康構成嚴重威脅，包括對土壤微生物、植物和人體的影響。苧麻、楊樹和大米草等是重金屬汞的超積累植物。一畝苧麻每年可從土壤中提取4320毫克汞。在“中國汞都”的主礦區——貴州省銅仁市敖寨鄉，就大量種植苧麻以修復被汞污染的土壤，使土壤汞含量達標。苧麻是我國古代重要的纖維作物之一。它的栽培歷史最為悠久，距今已有4700多年。即使在高汞條件下，苧麻的產量和品質都不會受到影響，環境效益和經濟效益均十分明顯。

采集回收金屬

我國古代的農學家早有發現：“山上有蔥，其下有銀；山上有薤，其下有金；山上有姜，下有銅錫。”在自然界中，“吸金”植物不在少數。在富含重金屬的地方，由于缺少競爭對手，超積累植物能活得更好，因此植物探礦成為挖礦人的一個共識。比如，紅色石竹花是尋找金礦的好幫手，鈾元素會使紫云英的花朵變為淺紅色，在生長有大量針茅草或者錦葵的地方很可能會有鎳礦，等等。

在礦山，常常采用傳統的“刮地皮”的方式來挖出地下的礦物。在提取礦物的過程中，又需要大量的水、電力或化石能源來濃縮、提純礦物。但有的地區金屬含量太低，傳統的采礦手段沒法繼續富集和開采，這時候超積累植物便可以大顯身手，其富含金屬的特性可以用來回收金屬。

例如，天藍遏藍菜喜歡金屬鋅，它的根部有用來轉運鋅離子的蛋白。在缺鋅的土壤中，這些轉運蛋白會大量表達。而在富鋅的土壤中，轉運蛋白的功能會受到抑制。再如，像庭薺這樣喜歡鎳的植物，會將鎳粒子和體能物質合成穩定的化合物，降低對自身的危害。還有喜歡砷的蜈蚣草，會將砷離子置于細胞液中，不讓它進入細胞器毒害自己的器官。

再如，紫花苜蓿能夠從土壤中吸收并積累鉭等金屬元素。鉭是一種重要的稀有金屬，在電子、化工等領域具有廣泛的應用。由于鉭與鈮等元素經常共生在一起，因此分離和提取鉭一直是一個技術難題。通過種植紫花苜蓿，隨后收割植物并進行相應的處理，提取出其生長過程中吸收的鉭。

美國農學家魯弗斯·查尼首次嘗試種植庭薺來開采鎳礦。他帶領的實驗團隊發現，在一公頃含鎳量約0.2%的土地上種植庭薺，一年可以獲得100千克鎳，而這些鎳不過是土壤中所有鎳的四百分之一。在這片土地上，植物“采礦工”可以工作400年。等庭薺吸飽了土壤里的鎳后，將它們晾干燒成灰燼，這些灰燼中富集有含量10%到20%的高純度鎳。如果將這些灰燼送到冶煉廠加工或提煉，就可以制成鎳塊、鎳催化劑或其他化工產品。

在研究中，有科學家提出，由于富含金屬的土壤很難讓小麥或水稻等糧食作物提高產量，植物采礦可以作為一種可行的替代方案，給當地帶來更好的經濟效益。植物采礦并不會取代糧食作物種植，而是作為一種暫時的種植方案，可以等土壤質量改善后，再種植糧食作物。

愛爾蘭卡洛技術研究所的植物學家克里斯·安德森領銜的研究團隊從34種植物中篩選最擅長吸收鋰元素的植物。他們發現白菜中有一種叫作“堿金屬”的成分，包括鉀、鈉、鋰等元素。研究人員決定通過種植白菜來提取鋰，在土壤中添加某些化學物質，使鋰元素從土壤化合物中釋放出來，變成更易吸收的鋰離子，大大提高了白菜的吸收率。白菜提取鋰的方法，不僅能夠提高鋰的開采效率，還可以將在菜窖里儲存太久或保管不善而變質的廢棄白菜變廢為寶。

名詞卡片

配體分子：指能夠以配位鍵的形式結合到中心離子周圍的分子。

生物量：指在某一特定時間內，特定區域內生物的總質量/干重。

耐性植物：指對各種不良環境和污染物具有一定適應力和抵抗力的植物。

生物有效性：指土壤重金屬在生物體內吸收、積累及其毒性程度。

復墾：指對被破壞或退化的土地的再生利用及其生態系統恢復的綜合性技術過程。