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1、重金属污染的植物修复技术研究进展姓名：李雅嫔 学号：2011311 专业：环境科学摘要：本文分别从植物修复的类型、超富集植物的概念、超富集植物特性以及吸收富集重金属的修复 机理等方面对国内外重金属污染植物修复技术研究进展进行综述, 指出目前研究中存在的问题和今后 的研究方向。关键词：重金属污染；植物修复；超级累植物1 前言随着城市化、工业化、汽车尾气排放以及农业的集约化经营，自然环境中的重金属污染日益严重。土壤被重金属污染后，直接影响作物产量和品质，每年因重金属污染带来的粮食减产达1000多万t，被重金属污染的粮食每年达1200万t，年经济损失在200亿以上。甚至会通过食物链影响人体健康和安全
2、。为了控制和治理已被污染的土壤，传统对重金属污染治理常采用土壤冲洗、热处理和电动修复等方法，但因成本高、效率低, 而且会破坏土壤结构, 易带来二次污染等原因, 难以大面积应用。1983年,Chaney提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思想,即植物修复。它是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力, 将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后可将该种重金属移出土壤,达到污染治理与生态恢复的目的。而且由于它具有投资少、不破坏场地结构、不引起二次污染等优点,已经成为一种可靠的、相对安全的环境友好修复技术, 正被世界各国政府、科技界、企业界所
3、关注。2 植物修复类型与超积累植物2.1植物修复类型2.1.1植物提取植物提取是目前研究较多的一种利用植物去除环境污染物的方法,主要是利用金属富集植物或超富集植物将土壤或水体中的重金属转运到植物的地上部分，再通过收获植物将重金属移走,以降低土壤或水体中的重金属含量。超富集植物是指某些具有很强的吸收重金属并运输到地上部分的植物，重金属富集植物则是指某些本身不具有超量富集特性但通过特殊过程可以诱导出超量重金属的植物。因此，植物提取技术可分为2种：利用超富集植物吸收土壤或水体中的重金属的持续植物提取技术和利用鳌合剂促进植物吸收重金属的诱导植物提取技术。2.1.2植物挥发植物挥发是植物去除环境中一些挥
4、发性污染物的方法，即通过植物和根际微生物的作用，将环境中挥 发性污染物吸收到体内后再将其转化为毒性小的挥发态物质，释放到大气中，不需收获和处理含污染 物的植物。2.1.3植物过滤植物对水体重金属和类金属的去除主要是通过植物过滤作用来实现的, 植物过滤包括根系过滤和种苗过滤2种方式。Raskinetal指出, 根系过滤是植物通过根部对毒害性金属进行吸收、浓缩和沉淀, 是比现行化学法和微生物沉积重金属法更具吸引力的处理含重金属废水的方法。2.1.4植物固定植物固定是耐性植物利用其自身的机械稳定作用和吸收沉淀作用来固定土壤中重金属的方式，可以降低重金属的生物有效性和防止其进入水体和食物链，从而降低其
5、对环境的污染风险。重金属植物固定技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场、污水处理厂污泥和各种污染土壤的修复。2.1.5水力泵技术水力泵技术是利用一些根系深且发达的速生植物强大的蒸腾作用，将植物作为一种生物泵来减少地表污染物下渗进入地下水或流入地表水体的技术。水力泵技术的具体应用包括种植溪流、河岸植物，建立河岸廊道和垃圾填埋场缓冲带等。此外，在垃圾填埋场地表可用植被覆盖来取代原来的粘土或塑料覆盖层，不仅可减少填埋场地表的侵蚀和渗滤液的流出量，而且有利于下层废物的降解。2.2超级累植物2.2.1超级累植物概念提出100多年来,科研人员对植物的无机组成和营养需求进行了大量研究,最初主要关注的是Ca
6、、Mg、P和K 等大量元素。随着分析手段的改进和仪器灵敏度的提高,人们开始关注微量元素和痕量元素。重金属对植物生长的影响随植物种类、元素种类和土壤理化性质的不同而存在较大差异,可能使多数植物产生毒害,仅有极少的耐性植物可以正常生长。某些植物体内重金属含量远远超过其生理需求,不仅超过多数植物体内元素含量,甚至大大超过重金属土壤中生长的耐性植物元素水平。这些植物主要是一些地方性的物种,其区域分布与土壤重金属含量呈明显的相关性。Minguzzietal首次测定Alyssum bertolonii植物叶片(干重)含N i达7900mg kg- 1。重金属污染土壤上大量地方性物种的发现促进了耐重金属植物
7、的研究,某些能够富集重金属的植物也相继被发现。Jaffre et al首先引用“重金属超富集植物”这一术语, Brooks etal提出了超富集植物的概念,Chaneyetal提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想。2.2.2超级累植物特性根据目前的现实需要, 超积累植物一般应具有以下几个特性:(1)即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率, 尤其在接近土壤重金属含量水平下, 植株仍有较高的吸收速率, 且须有较高的运输能力;(2)能在体内积累高浓度的污染物,地上部能够较普通作物累积10 500倍以上某种重金属的植物;(3)最好能同时积累几种金属;(4)生长快, 生物量大;(5)具有抗虫、
8、病能力。3 植物修复机理3.1对重金属的耐性和解毒机制区域化分布是指植物体将有毒元素转运和贮存在某些特定的细胞或细胞的特定部位中, 以减轻其毒害。Vazquezetal发现, T.caerulescens植株中的Zn大部分分布在液泡中。Kupperetal发现, T.caerulescens成熟叶片中的Zn主要富集在表皮细胞, 叶肉细胞含Zn量很低, 表明表皮细胞的液泡化促进了Zn的优先富集。植物在重金属胁迫下会产生一些新的蛋白以形成对逆境的抗性机制，这些蛋白在植物体内起着络合作用，目前研究较多的是包含疏基的金属硫蛋白、植物鳌合素和谷胱甘肽。Zhu et al将大肠杆菌的gshl与gsh2分别
9、转入B rassica juncea，发现该植物的耐Cd性与富集能力均有明显提高，且耐性和富集能力还与gsh2的表达成正相关，这一结果证明了gsh有助于植物对Cd的解毒作用。Murphyetal证实了Cu2+ 诱导拟南芥MT2 的表达，其表达强度与Cu2+ 的浓度成正比；转MTs突变体烟草可在含300mo l L- 1Cd的培养基中正常生长, 过量表达哺乳动物MT s的烟草可以在100- 200mo lL- 1 Cd下正常生长, 而对照野生烟草在100- 200molL- 1 Cd下生长严重受到抑制。3.2对重金属的活化和吸收机制Knightetal发现, 超富集植物T.caerulescen
10、s吸收的Zn只有0.5% - 3.2%来自土壤溶液。McGrathetal种植T.caerulescens和非超富集植物Thlaspiochroleucum 后发现,根际和非根际土壤中NH4NO3 歪取态Zn的含量均显著下降, 但前者多于后者, 而且可移动态减少的量只占T.caerulescens吸收总量的10% 。同样, Whiting也发现, 当T.caerulescens和非超富集植物Uhlaspiarvens一块种植时,T. arvens地上部分Zn的富集量显著增加。可见超富集植物能改变根际环境, 有效活化土壤中非移动态的重金属, 提高其生物有效性。Marschneretal认为, 根
11、际环境中的重金属含量、pH、Eh、含水量、有机质和其他养分元素等是影响根际土壤中重金属的有效性和植物对重金属吸收的主要因素。根际土壤中溶解的重金属可通过质外体或共质体途径进入根系。大部分的金属离子通过专一或通用的离子载体通道蛋白进入根细胞, 非必要的重金属可以与必要金属竞争膜转运蛋白, 以离子形态或者金属螯合物形态进入根细胞。Lasatetal通过一系列研究发现, Zn的超富集植物T.caerulescens和非超富集植物T.arvens存在同一类运输蛋白, 但由于T.caerulescens的根细胞膜上具有更多的运输蛋白,从而使其根系从土壤中吸收到更多的Zn。从另一个侧面可以说明, 超富集植
12、物对重金属的吸收有很强的选择性,因为重金属通过根细胞膜进入根细胞时是由专一性的通道蛋白调控的。3.3对重金属的转运和富集机制超富集植物具有极强的转运重金属的能力,体内重金属含量远高于普通植物,地上部分重金属含量高于根部,与其重金属转运富集机制有关。金属离子向地上部分的转运过程主要发生在木质部。金属离子从根系转移到地上部分主要受2个过程的控制:从木质部薄壁细胞转载到导管和在导管中运输,后者主要受根压和蒸腾流的影响 。目前对于Zn2+ 在超富集植物中的装载过程仍无定论,一般认为超富集植物存在更多的离子载体或通道蛋白,从而促使重金属向木质部装载,但尚缺乏证据。Sendenetal试验表明, Zn2+
13、 在超富集植物T.caerulenscens 的木质部导管中的运输速率很快, 且木质部汁液中的Zn2+ 浓度大约是非超富集植物T.arvens的5倍。木质部存在大量能够与金属离子结合的有机酸和氨基酸, 这种络合态是重金属离子在木质部中运输的主要形式。Leeetal发现,N -i柠檬酸盐可能是Ni运输的主要形态。一些超富集植物中柠檬酸含量与N i的含量呈正相关, 但3种N i超富集植物中的柠檬酸含量并不高。Krameretal认为, 组氨酸与庭荠属植物超富集Ni有关, 300molL- 1 N i的处理能增加超富集植物Aly ssumlesbiacum 木质部汁液的游离氨基酸含量, 但对非超富集
14、植物A lyssum montanum 的组氨酸含量没有影响。4 问题与展望虽然重金属污染植物修复的优点是显而易见的，但仍存在很多局限性，主要表现在以下方面：(1)目前发现的超富集植物只是对某一种重金属具有超富集性,还未发现具有广谱重金属超富集特性的植物，这在当今土壤污染多是复合污染的情况下应用有一定局限性；(2)目前发现的超富集植物还不太多，且大多数生长在一些偏远的受采矿活动影响的地区，超富集植物有一定的适生范围，在一定的气候和土壤条件下生长，应用范围较小；(3)目前发现的超富集植物大都比较矮小，生物量较低，生长比较慢，修复污染较严重土壤的周期长，且大多根系较短，只能清除土壤表层的重金属；(
15、 4)目前对超富集植物吸收重金属的机理研究, 特别是对超富集植物根吸收重金属并转运到地上组织以及重金属的累积与忍耐等一些生理生化机制的研究进展缓慢，阻碍了超富集植物分子机制以及转基因超富集植物的研究。针对以上问题，在今后的植物修复技术研究中应加强以下方面的研究：(1)进一步深入研究超富集植物对重金属吸收、运输、富集和解毒的生物化学机制，结合野生种质资源的筛选和现代生物工程技术，筛选出能同时富集多种重金属的超富集植物。( 2)加大保护现有超富集植物种质资源的力度，在受污染地区筛选出更多的野生超富集植物。加强已发现重金属超富集植物的引种和驯化，以打破现有的超富集植物适生范围小、地域性强的限制，引种
16、时要考虑生态入侵问题。(3)加强研究超富集植物修复重金属污染的强化措施。利用螯合诱导技术对植物修复的作用进行外在的强化，通过适当的农业措施如灌溉、施肥、土壤改良或改善根际微生物的环境，提高植物修复效果。(4)应用分子生物学和基因工程技术，培育出生物量大、生长快、根系长, 能同时富集多种重金属且富集量大的超富集植物。参考文献1 武正华. 土壤重金属污染植物修复研究进展 J . 盐城工业学院学报, 2002, 15( 6): 53- 572 周启星, 宁玉芳. 植物修复的技术内涵及展望 J. 安全与环境学报, 2001, 1( 3): 48- 53.3 宋静, 朱荫媚. 土壤重金属污染修复技术 J. 农业环境保护, 1998, 17( 6): 271- 2734 MOR IKAWA H, TAKAHASH IM. Rem ediation of so i,l w ater and air by natura lly occurring and transgen ic plants J. G amma F ie
