重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展

　　據估測, 目前中國受污染的耕地面積近2000萬hm 2, 約占耕地總面積的五分之一, 其中工業“三廢”污染1000萬hm2 ,農田污灌面積已達130 多萬hm2。每年因土壤污染而減少的糧食產量高達1000萬t, 直接經濟損失達100多億元。土壤重金屬污染源包括“三廢”的排放, 礦山的開采和冶煉, 化肥和農藥的施用, 城市生活垃圾的排放, 污水灌溉和污泥農用等。導致土壤污染的重金屬主要包括A s、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、M n、N i、Pb、Zn 等, 一般為幾種重金屬的復合污染。

　　重金屬污染土地的治理大致有客土法、石灰改良法、化學淋洗法等。這些方法在污染土壤的改良和治理方面雖然具有一定的理論意義, 但在實際應用上往往都存在某些局限。如加入土壤改良劑的沉淀法雖然在一定時期內可以降低土壤溶液中重金屬離子的溶解度, 但同時卻會導致某些土壤營養元素的沉淀； 淋洗法會同時造成營養元素的淋失； 客土法雖效果較好, 但費用昂貴, 難以大面積工程推廣。近年來發展起來的植物修復技術以其安全、廉價的特點正成為研究和開發的熱點, 以美國環保局公布的Phyto remediat ionbibiliography 為例①, 1977年有關文獻僅7篇, 到1997年已增長到每年214 篇。美國、英國都設立了植物修復公司, 如美國的Edenspace 公司, 專門從事土壤、水體重金屬和放射性元素的植物修復商業化工作, 而國內尚未系統開展這方面的工作。

　　1 植物修復技術的產生與發展

　　1583年意大利植物學家Cesalp ino 首次發現在意大利托斯卡納“黑色的巖石”上生長的特殊植物, 這是有關超富集植物(Hyperaccumulato r) ① 的最早報道。1814 年Desvaux 將其命名為A ly ssum bertolonii (庭薺屬) , 1848 年M inguzzi 和V ergnano 首次測定該植物葉片中(干重) 富含Ni達7900Lg? g (0179% ) 。以后的研究證明這些植物是一些地方性的物種, 其區域分布與土壤中某些重金屬含量呈明顯的相關性。這些植物作為指示植物在礦藏勘探中發揮了一定的作用。在中國, 利用指示植物找礦的工作也開展較早,如在長江中下游安徽、湖北的一些銅礦區域分布的E lsholtz ia harchow ensis Sun (海州香薷, 俗稱銅草) 在銅礦勘探中發揮了重要作用。重金屬污染土壤上大量地方性植物物種的發現促進了耐金屬植物的研究, 同時某些能夠富集重金屬的植物也相繼被發現。1977 年, B rook s 提出了超富集植物的概念； 1983 年Chaney 提出了利用超富集植物清除土壤重金屬污染的思想。隨后有關耐重金屬植物與超富集植物的研究逐漸增多, 植物修復作為一種治理污染土壤的技術被提出, 工程性的試驗研究以及實地應用效果顯示了植物修復技術商業化的巨大前景。

　　2 超富集植物的特點及其地理分布

　　超富集植物是能超量吸收重金屬并將其運移到地上部的植物。通常, 超富集植物的界定可考慮以下兩個主要因素:①植物地上部富集的重金屬應達到一定的量； ②植物地上部的重金屬含量應高于根部。由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在較大差異, 因此, 對不同重金屬, 其超富集植物富集濃度界限也有所不同。目前采用較多的是Baker 和B rook s 1983[14 ]年提出的參考值, 即把植物葉片或地上部(干重) 中含Cd 達到100Lg? g, 含Co, Cu, N i, Pb 達到1 000Lg? g,M n, Zn 達到10000Lg? g 以上的植物稱為超富集植物。同時這些植物還應滿足S ? R > 1 的條件(S 和R 分別指植物地上部和根部重金屬的含量)。

　　目前, 世界上共發現有400 多種超富集植物。其中N i 的超富集植物277 種。他們分布在世界少數幾個地區(表1～ 3)。

　　唐世榮對中國長江中下游安徽和湖北境內的銅礦區富銅植物E lsholtz ia haichow ensis Sun (海州香薷)、Comm elina comm unis L inn (鴨跖草) 和R um exacetosa L inn (酸模) 進行了系統的調查研究, 發現酸模、海州香薷和鴨跖草樣本葉片含銅(干重) 平均596、157 和102Lg? g。野外這些植物生長的土壤上銅含量為5 000～ 20 000Lg? g, 因此調查結果未能顯示這些植物特殊的超富集能力。應進一步開展這些植物在人工馴化干預下條件下的富集試驗, 深入揭示這些植物作為超富集植物應用于植物修復的可行性。自1999 年開始對中國中南部一些煉砷區的植被和土地污染狀況進行了考察、采樣和室內盆栽試驗和化學分析, 首次發現了一種A s 的超富集蕨類植物, 其葉片含A s 高達5 000Lg? g (干重, 未發表的數據)。同時, 調查還發現在砷污染嚴重區域生物種群極其單一, 這種超富集蕨類植物生長非常繁盛, 呈族群分布, 調查樣方內幾乎沒有其他植物生長, 每平方米收割的植物地上部鮮種可達316kg, 顯示其具有很大的植物修復潛力。

　　而離開污染區, 這種植物則很少能成群分布, 個體也小的多。這些表明所發現的超富集蕨類植物具有特殊的耐砷毒能力, 在砷污染區處于競爭優勢。目前正在進一步開展深入的研究工作。

　　3 超富集植物吸收富集重金屬的機理

　　有關超富集植物吸收富集重金屬的機理仍不清楚。在重金屬脅迫下, 植物根系分泌的低分子量有機酸如檸檬酸、蘋果酸可與重金屬結合, 降低重金屬對植物的毒性, 促進植物對重金屬的吸收。Shen發現超富集植物T h lasp i caeru lesences (遏藍菜屬) 和非超富集植物T h lasp i och roleucum 地上部檸檬酸和蘋果酸含量相近, 不同濃度的Zn 處理對兩種植物的蘋果酸和檸檬酸含量影響也不顯著, 因此并不能認為檸檬酸和蘋果酸在超富集植物中扮演特殊的作用。Kramer發現超富集植物T. caeru lesences 與組氨酸具有特殊的關系, 營養液培養顯示當植物吸收富集重金屬較高時, 其木質素中的組氨酸含量也高； 而在營養液中加入組氨酸也能顯著促進植物對重金屬的吸收富集。有關超富集植物的耐性與富集機理則研究較多, 結論普遍認為超富集植物的耐性與超富集由植物本身不同的生理機制所控制。超富集植物超量吸收富集重金屬與其根部細胞具有與重金屬較多的結合位點有關, 而耐性則是由于重金屬在植物細胞中分布的區域化相關,即重金屬存在與細胞壁和液泡中, 從而降低其毒性。

　　4 超富集植物吸收富集重金屬的特征

　　目前發現的超富集植物均為在野外礦山開采或冶煉區發現的的品種, 一般土壤介質中的重金屬含量較高, 盡管植物地上部含量可以達到一定高的含量, 但其生物富集系數(植物地上部重金屬含量與土壤重金屬含量的比值) 并不大, 大多數文獻報道也都忽略了對生物富集系數的探討。實際上, 通過一些野生植物品種的人工馴化栽培, 配合添加土壤改良劑, 可顯著提高植物對重金屬的吸收富集能力, 這些人工馴化成功的植物也可以稱為超富集植物。因此, 應特別注意對野外發現的一些重金屬耐性強、生長快、生物量大并有一定的重金屬富集能力植物的篩選、引種培育和綜合試驗工作, 而不能僅僅把范圍縮小在少數富集能力特別高, 但往往生物量都很小的一些植物上。

　　目前的植物修復試驗基本上還處于試驗摸索階段, 大規模的工程應用較少。試驗研究主要分為營養液培養試驗和盆栽試驗。

　　B row n 等以7 組系列Zn/Cd 濃度處理T. careu lesences (Zn 超富集植物)、S ilene vu lg aris (蠅子草, Zn指示植物) 和L y cop ersicon ly cop ersicum L. (番茄, 非耐Zn 植物) , 結果L. ly cop ersicum L 1 在3. 16Lmo l?L Zn+ 0. 063Lmo l?L Cd 處理時生長就受到嚴重影響, S. vu lg aris 在1000Lmo l?L Zn+ 20Lmo l?L Cd處理時出現枯萎, 而T. careu lesences 則分別在10 000Lmo l?L Zn 和200Lmo l?L Cd 時也未曾出現生長停止的現象, 表明T. careu lesences 對Zn 有較強的耐性。Shen 等發現溶液培養的T. careu lesences 地上部最大可吸收28 000Lg? g Zn (干重) , 溶液Zn 處理濃度達1 000Lmo l?L 時未出現明顯的受害癥狀, 而對照的同屬植物T. och roleucum 在500Lmo l?L 時即出現明顯損傷。研究還發現, 超富集植物T. careu lesences 的生長需要富Zn 的土壤環境, 其生長的土壤溶液Zn2+ 濃度是非超富集植物的10 000 倍。

　　Mo rrsion 等發現A ly ssum (庭薺屬) 中的11 種植物對N i 的吸收富集與泥炭培養基中N i 濃度相關性不大, 在30～ 10 000Lg? g N i 處理條件下, 6 周后有9 種植物葉片中N i 都達到了10 000Lg? g (干重) , 顯示植物對N i 的主動吸收特征。Shen的研究結果也表明, 即使是在1Lmo l?L 處理時, T. caruelesences 地上部富集的Zn 比一般植物仍高達10 倍, 而一般植物在這種濃度下已出現明顯的缺Zn 癥狀, 表明超富集植物對重金屬具有特殊的吸收富集能力。T. caruelesences 的盆栽試驗結果表明在幾個不同pH 處理條件下, 除pH 5106 處理的農田土壤之外,其他情況下污染土壤上T. caruelesences 吸收的Zn、Cd 均遠高于輕污染的花園土壤和對照農田清潔土壤,最高分別達18455 Zn 和1 000Lg? g Cd (葉片干重) , 植物對重金屬的濃縮指數也顯示T. caruelesences 比S.vu lg aris 和L. ly cop ersicum L. 有更強的將重金屬吸收運移到植物地上部的能力。

　　超富集植物對不同重金屬的吸收富集能力不同。Reeves 和Baker研究了由蛇紋巖(富Zn) 和石灰巖發育的土壤(不富Zn) 上生長的植物T. caruelesences, 不同土壤上T. caruelesences 富集重金屬的能力均為Zn> CdE Pb。植物將重金屬從根部運移到地上部的能力對不同重金屬也不相同。T. caruelesences 的S ? R值對于Co、M n、N i、ZnE 1, 對于A g、Cd、Mo 為012～ 015, 對于A l、Cr、Cu、Fe、Pb 則為01009～ 0108 , 顯示T. caruelesences 對Co、M n、N i、Zn 具有較強的吸收富集能力。

　　5 影響超富集植物吸收富集重金屬因素

　　5. 1 物理化學因素

　　不同土壤類型上的超富集植物吸收N i 能力不同, 以發育于砂巖、花崗巖土壤上的植物低, 而以發育于超基性巖土壤上的植物高。通常, 植物根系周圍土壤溶液中的重金屬含量是影響重金屬生物有效性的重要因素之一, 而其含量大小受重金屬在土壤中的吸附 -解吸, 沉淀 -溶解和氧化 -還原平衡的控制。土壤pH 變化顯著影響耐重金屬植物對重金屬的吸收, 在不同pH 處理的受Zn、Cd 污染的花園和山地土壤盆栽試驗中, T. careu lesences 吸收的Zn、Cd 量的大小隨土壤pH 下降而增加。

　　5. 2 營養元素的影響

　　一般植物受重金屬脅迫可導致對Ca、P 吸收的抑制 , 野外發現的重金屬耐性植物或超富集植物具有耐重金屬、耐貧瘠、耐干旱等多種特征。作者發現的超富集蕨類植物對A s 有異常強的吸收富集能力, 這是傳統植物營養與植物生理學所無法解釋的現象, 因此從理論上開展這種植物對砷的吸收富集機理研究具有重要意義。A s 和P 具有相似的化學特性, 研究表明A s 干擾植物對P 的代謝途徑,A s 脅迫可導致植物對P 吸收通道的關閉。楊居榮發現耐Cd 的甜菜與胡蘿卜在對營養元素的吸收上呈現兩種不同的特征, 即耐Cd 的甜菜往往對Ca、M g、Zn、Fe 元素的吸收量大, 而胡蘿卜則相反。研究發現重金屬Cd 能與植物蛋白質結合形成特殊的Cd 蛋白, 據此提出了基于肽重金屬結合相的植物吸收運移與富集重金屬的假說 , 但這種假說還有待于實驗的驗證； 同時, 迄今為止尚未發現其他重金屬元素蛋白, 因此這種假說的普適性也有待于檢驗。

　　5. 3 重金屬形態的影響

　　重金屬的吸附2解吸、溶解2沉淀和氧化2還原平衡決定著土壤溶液中重金屬的含量變化。在一定條件下, 呈吸附態和沉淀態的重金屬可以在土壤水溶液之間相互交換, 一般降低pH, 可使呈吸附態的重金屬解吸釋放進入土壤溶液中, 從而增加植物對重金屬的吸收。但Harter指出, Pb、N i、Cu 在土壤中常以專性吸附態形式存在, 而Zn 則較多以非專性吸附態存在, 因此, 降低pH 并不能有效地增加植物對Pb、N i、Cu的吸收。增加土壤有機質含量也可使部分呈沉淀狀態的重金屬與檸檬酸和蘋果酸絡合, 轉化為有機吸附態被植物吸收利用。類金屬A s 的情況則完全相反,A s 在土壤中以陰離子形式存在, 增加pH 將使土壤顆粒表面的負電荷增多, 從而減弱A s 在土壤顆粒上的吸附作用, 增大土壤溶液中的A s 含量, 植物對A s 的吸收增加[34, 35 ]。對于不同重金屬, 植物吸收與土壤重金屬總量及可交換態含量有不同的相關關系。較高和較低濃度下, T. careu lesences 吸收Zn 與土壤總量及交換態Zn 量均不相關； 吸收Pb 的量與總Pb 量呈正相關, 與交換態Pb 量不相關； 而吸收Cd 的量與總量及可交換態均呈正相關。植物對Cd 的敏感性可能是由于Cd在土壤中主要以可交換態及有機質結合態形式存在, 其結合力較弱, 因而Cd 容易釋放到土壤溶液中, 從而增加了土壤中的生物有效態Cd 的含量。

　　6 植物修復技術的應用

　　廣義上的植物修復是指利用植物(包括草、灌、喬) 去除污染土壤和廢水中重金屬的技術, 有時候又稱生物修復或綠色修復。植物修復包括植物萃取、根際過濾、植物揮發和植物固定。其中最有前景的是植物萃取, 亦即通常所指的植物修復。Baker等在英國洛桑試驗站首次以田間試驗研究了在Zn 污染土壤(440Lg? g) 栽種不同超富集植物和非超富集植物對土壤Zn 的吸收清除效果。結果表明, 超富集植物T. caeulescens 富集Zn 是非超富集植物R ap hnus satinus (蘿卜) 的150 倍, 富集Cd 相應則是10 倍。其每年從土壤中吸收的Zn 量為30kg? hm2, 是歐盟允許年輸入量的2 倍, 而非超富集植物蘿卜則僅能清除其1% 的量。Baker 同時也發現, 盡管T. caeu lescens 吸收重金屬能力很強, 但由于其生物量小, 需13～ 14a 的連續栽種才能將試驗地的重金屬含量修復到歐共體規定的臨界標準(300Lg? g)。而B rassica juncea (印度芥菜) 對重金屬的富集能力雖不如T. caeu lescens, 但其生物量至少是它的20 倍, 因而顯示B. juncea 在植物修復上具有更大的潛力。Robinson 等在法國南部利用盆栽和田間試驗結合進一步研究了T. caeru lescens 修復污染土地的潛力, 通過施肥, T h lasp i caeru lescens 的生物量增加了兩倍, 而其地上部Zn、Cd 含量沒有下降,但修復< 500Lg? g Zn 污染土地仍需8113a, 因此, 繼續尋找開發生物量大、富集重金屬能力強的超富集植物是植物修復技術走向工程應用的首要任務。在中國, 已開展了利用耐重金屬植物進行礦山尾礦地植被恢復的實驗研究, 確定了一些礦山尾礦地影響植物定居的主要因素, 并建立了植被重建技術。對污染農田的生物治理方法也進行了深入的研究。但尚未涉及到超富集植物應用與污染土地植物修復技術的系統性研究。