植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究與應(yīng)用進(jìn)展

植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究與應(yīng)用進(jìn)展摘要：植物修復(fù)是一種綠色、 可持續(xù)的、 有廣闊應(yīng)用前景的解決環(huán)境污染問題的技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物吸收、降解、揮發(fā)、過濾和固定等作用，凈化土壤、水體、廢棄物和空氣中的無機(jī)和有機(jī)污染物的環(huán)境修復(fù)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外涉及植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究領(lǐng)域很多， 本文通過分類討論， 綜述了國(guó)內(nèi)外植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：植物修復(fù)；超積累植物；根際微生物；轉(zhuǎn)基因；螯合劑改革開放三十幾年來， 中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展， 越來越多的環(huán)境污染問題也暴露了出來。由于金屬采選業(yè)、 制造業(yè)及加工業(yè)的迅猛發(fā)展使得大量的重金屬污染物進(jìn)入了土壤系統(tǒng)。 重金屬污染物質(zhì)不同于有機(jī)污染物質(zhì)， 其最大的特點(diǎn)就是不能為生物所分解，大多數(shù)也不能通過焚燒的方法從土壤中去除 [1]，而是與各種土壤組分發(fā)生包括吸附解吸、 沉淀溶解、 絡(luò)合解絡(luò)、 同化礦化和降解轉(zhuǎn)化等各種物理的、化學(xué)的和生物的反應(yīng) [2]，但是重金屬污染物仍存在于土壤中，給環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。 世界各國(guó)針對(duì)土壤重金屬污染采取了各種各樣的修復(fù)方法， 但由于經(jīng)濟(jì)及部分技術(shù)原因， 常用的修復(fù)方法仍以客土法、 改良劑和淋洗法等， 不僅成本昂貴，破壞土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生物， 而且會(huì)造成二次污染。 采用植物修復(fù)法能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境， 保持土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生物活性的情況下， 通過植物的生理活動(dòng)和特征吸收大量的重金屬污染物， 以達(dá)到使重金屬污染物脫離土壤系統(tǒng)的目的。所謂植物修復(fù)技術(shù)， 就是以植物能忍耐和超量積累某種或某些污染物為理論基礎(chǔ)， 利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一種環(huán)境污染治理技術(shù)[3]。鑒于植物修復(fù)方法的自然性和經(jīng)濟(jì)性，利用植物對(duì)污染環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，是一種更經(jīng)濟(jì)更適于生態(tài)系統(tǒng)規(guī)律的修復(fù)技術(shù)。重金屬污染土壤的植物修復(fù)主要機(jī)理植物修復(fù)利用了植物及其根際圈微生物體系的吸收、 揮發(fā)和轉(zhuǎn)化、 降解的作用機(jī)制來清除環(huán)境中污染物質(zhì)， 即利用植物本身特有的利用污染物、 轉(zhuǎn)化污染物，通過氧化 -還原或水解作用，使污染物得以降解和脫毒的能力，利用植物根際圈特殊的生態(tài)條件加速土壤微生物的生長(zhǎng)， 顯著提高根際圈微環(huán)境中微生物的生物量和潛能， 從而提高對(duì)土壤有機(jī)污染物的分解作用的能力， 以及利用某些植物特殊的積累與固定能力去除土壤中某些無機(jī)和有機(jī)污染物的能力 [1]。植物修復(fù)的影響因素國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物修復(fù)的文獻(xiàn)主要研究?jī)?nèi)容可歸為 4類：①超富集植物的篩選與重金屬污染物的搭配研究； ②外加試劑提高植物修復(fù)能力； ③根際微生物的應(yīng)用；④轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用。超積累植物的篩選與重金屬污染物的搭配研究超積累植物 (hyperaccumulator)一詞最初是由 Brooks等提出的 [4]，即能超量積累1種或同時(shí)積累幾種重金屬元素的植物。 根據(jù)Chaney等[5]、Salt等[6]和Brooks等[7]的研究，超積累植物應(yīng)同時(shí)具備以下 3個(gè)基本特征：①植物地上部重金屬含量是普通植物在同一生長(zhǎng)條件下的 100倍；②植物地上部重金屬含量大于根部該TOC\o"1-5"\h\z種重金屬含量；③植物的生長(zhǎng)沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。目前，已發(fā)現(xiàn)近 500多種重金屬超積累植物 [8]。梅娟等[9]報(bào)道了目前所發(fā)現(xiàn)的十字花科和景天科的 6種Cd超積累植物。江水英等[10]發(fā)現(xiàn)天藍(lán)遏藍(lán)菜(Thalspicaerulescens[)11]和擬南芥(Ara-bidopsishalleri)[12]既是 Zn的超富集植物， 又是Cd的超積累植物。 Lombi[13]等發(fā)現(xiàn)鎳的超富集植物遏藍(lán)菜 (T.goesingense中)Cd的含量也可以達(dá)到 830mg/kg；聶發(fā)輝 [14]證實(shí)商陸(Phytolaccaacinosa)也是 Cd的一種超積累植物，體內(nèi)可富集鎘達(dá) 700mg/kg。此外劉威 [15]等人通過野外調(diào)查和溫室試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)寶山堇菜 (Violabaoshanensis是一種) Cd超富集植物。 在自然條件下， 寶山堇菜地上部 Cd平均含量為1168mg/kg，變化范圍為 465～2310mg/kg。金勇等[16]報(bào)道了海州香薷、鴨跖草和蓖麻的銅超積累植物。在銅處理濃度超過 75μmol/L時(shí)的水培條件下，海州香薷根中銅含量達(dá)到了 10000mg/kg以上；礦區(qū)鴨跖草在 0.25-160μmol/L銅處理范圍內(nèi)， 生長(zhǎng)速率和干物質(zhì)產(chǎn)量隨著溶液中的銅濃度的增加而增加， 當(dāng)銅濃度達(dá)到 160μmol/L時(shí)， 生長(zhǎng)速率和干物質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到最大值；銅濃度在 40mg/kg時(shí)，蓖麻地上部分銅含量高達(dá) 2186.4mg/kg。劉慶等[17]報(bào)道了在鉛鋅礦區(qū)，超富集植物和富集植物分布在藜科、莧科、菊科、豆科、十字花科、松科、莎草科、石竹科等科，主要集中在菊科、十字花科和禾本科。盡管世界各國(guó)已發(fā)現(xiàn) 400余種不同重金屬超積累植物， 迄今尚未發(fā)現(xiàn)汞的超積累植物 [18]。外加試劑提高植物修復(fù)能力螯合劑據(jù)王永奎報(bào)道 [19]，常見的螯合劑主要分為 2類:一類是人工合成的螯合劑，如EDTA等，這類螯合劑對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的活化能力。研究表明，當(dāng)螯合劑EDTA的用量為 0.5g/kg時(shí)，可以顯著增加向日葵地上部分 Cd和Ni的含量；另一類是天然螯合劑， 如檸檬酸和草酸等， 這類螯合劑對(duì)重金屬的活化能力雖不及人工合成的螯合劑， 但其由于易生物降解， 屬環(huán)境友好型螯合劑， 近年來引起了研究人員的重視。其他化學(xué)試劑黃慧等 [20]采用盆栽試驗(yàn)研究添加 Na2S2O3后對(duì)金盞菊 (Kalendae)和芥菜(Mustum)修復(fù)Hg污染土壤的影響。 Na2S2O3濃度為 1mg/kg時(shí)，植物對(duì)汞的吸收量最大，金盞菊和芥菜中汞的含量分別達(dá)到 0.0899，0.0838mg/kg。根際微生物對(duì)于植物修復(fù)的研究與應(yīng)用植物根際促生菌促進(jìn)植物提取重金屬的機(jī)理植物根際促生菌通過 2種方式提高植物對(duì)重金屬的吸收， 一種方式是通過植物根際促生菌分泌的含鐵細(xì)胞、植物生長(zhǎng)激素 (IAA)、1-氨基 -1-羧基環(huán)丙烷脫氨酶(ACCD)等促進(jìn)植物根的伸長(zhǎng) [21]，增加其生物量；另一種方式是通過分泌生物表面活性劑、 有機(jī)酸等活化重金屬在土壤中的生物有效性， 從而增加植物對(duì)土壤中重金屬的提取量 [22]。根際微生物提高植物生物量、生物有效性和轉(zhuǎn)移能力Sheng等[23]從土壤中篩選出 Cd的根際促生菌提高土壤中溶解態(tài)鎘， 促進(jìn)植物的生物量增加和植物對(duì)土壤中 Cd的吸收。Belimov等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在 Cd污染的土壤上接種從印度薺菜 (Brassicajuncea)中篩選出來的 P.putidaAm2和P.marginalisDp1后，豌豆 (PisumsativumL.)根部的生物量增加 19%-25%，地上部分的生物量增加 10%。Braud等[25]通過主成分分析發(fā)現(xiàn) Cr和Pb的生物有效態(tài)濃度隨著根際微生物的產(chǎn)Fe載體數(shù)量的增加而增加。 Choate等[26]發(fā)現(xiàn) Xanthomonasmahophyla能夠催化 Cr6+還原成 Cr3+降低其對(duì)植物的毒害作用， 而且還能催化其他毒性重金屬離子的價(jià)位的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用利用轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)的污染物種類包括有機(jī)物和無機(jī)物 [27]。其中文獻(xiàn)報(bào)道的利用轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)無機(jī)污染物的占 69%，主要是鎳、鋅、鎘、砷和汞等金屬污染物。據(jù)報(bào)道 [28]，60%以上的轉(zhuǎn)基因研究所采用的受體植物是擬南芥(Arabidopsisthaliana)和煙草( NicotianatabacumL.)，這兩種模式植物在其他轉(zhuǎn)基因植物研究中也是經(jīng)常被采用的。有研究者已經(jīng)在綜述文章中羅列了用于重金屬植物修復(fù)的轉(zhuǎn)基因植物使用的目的基因 [29-30]。關(guān)于無機(jī)污染物的植物修復(fù)，一個(gè)根本的方法是對(duì)蛋白質(zhì)和多肽的螯合劑、 金屬硫蛋白和植物絡(luò)合素等進(jìn)行調(diào)控， 從而進(jìn)一步調(diào)控谷胱甘肽（GSH）的合成和硫代謝過程。 另外，還可以通過對(duì)質(zhì)膜和液泡膜上的金屬轉(zhuǎn)運(yùn)子進(jìn)行操作，從而增加植物對(duì)金屬的吸收和儲(chǔ)存。用于植物修復(fù)的植物基因工程中， 只有很少的研究論文報(bào)道轉(zhuǎn)基因后無效果或效果不明顯。 在修復(fù)金屬污染的基因工程研究中， 大部分研究報(bào)道結(jié)果顯示對(duì)污染物的耐性增加， 但是轉(zhuǎn)基因植物沒有增加對(duì)污染物的積累或者揮發(fā)能力。 被報(bào)道的研究中，有 60％的試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植物增加了對(duì)污染物的積累或揮發(fā)能力，其中 30％的研究結(jié)果顯示同時(shí)增加了對(duì)污染物的耐受能力 [27]，這些情況對(duì)于植物修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用推廣具有重要的意義。展望與建議盡管植物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤治理上具有很好的應(yīng)用前景， 但在許多方面仍存在技術(shù)瓶頸，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面的研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)：1）尋找更為迅速有效的篩選超積累植物的方法；系統(tǒng)研究如何提高超積累植物生物量； 將植物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相結(jié)合， 以植物修復(fù)為核心加快重金屬污染土壤修復(fù)的進(jìn)程； 回收焚燒富集重金屬的植物， 開展處理灰分中貴重金屬的提取研究； 將先進(jìn)分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于植物修復(fù)技術(shù)； 對(duì)于涉及食品安全有富集鎘能力的農(nóng)作物，著重研究如何將重金屬控制在根部，限制進(jìn)入食物鏈。2）螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)的能力對(duì)不同的重金屬污染土壤有一定的差異，研究螯合劑強(qiáng)化能力與重金屬性質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)于加速該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。3）積極開展土壤根際促生菌的篩選，建立各種不同類型超積累植物的促生細(xì)菌的菌種庫(kù)， 對(duì)定殖技術(shù)的不斷改進(jìn)等是目前的最需要完成的任務(wù)， 為植物修復(fù)重金屬污染土壤提供相關(guān)的技術(shù)支持。4）利用分子標(biāo)記技術(shù)，對(duì)自然群體中超富集重金屬的模式植物的重金屬耐性和富集相關(guān)基因遺傳多樣性的相關(guān)性進(jìn)行了研究； 利用候選基因的遺傳多樣性研究植物的生理特征和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力的多樣性； 利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法研究金屬處理的植物； 利用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法研究對(duì)植物響應(yīng)金屬和有機(jī)污染物脅迫起重要作用的基因產(chǎn)物的具體信息。參考文獻(xiàn)：[1]周啟星，宋玉芳，等 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