苔藓植物对重金属耐受和富集作用的研究进展

苔藓植物对重金属耐受和富集作用的研究进展
詹孝慈;朱守立;武忠亮
【摘要】苔藓植物是一类重要的环境指示植物,在环境监测中发挥着非常重要的作用.自从苔藓植物富集重金属的富集特性被发现以来,国内外的相关研究陆续展开.从苔藓植物的重金属富集作用、生理生化机制等方面评述了苔藓植物重金属富集方面的研究进展.
【期刊名称】《兴义民族师范学院学报》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】4页(P121-124)
【关键词】苔藓植物;重金属;富集效应;研究进展
【作者】詹孝慈;朱守立;武忠亮
【作者单位】兴义民族师范学院, 贵州兴义 562400;兴义民族师范学院, 贵州兴义562400;兴义民族师范学院, 贵州兴义 562400
【正文语种】中文
【中图分类】Q945
苔藓植物是一种由水生向陆生的过渡的高等植物类群，生理特点和形态结构不同于一般的高等植物，其结构简单而又特殊，是生态系统的重要组成部分[1]。

苔藓植
物通常个体低矮，构造简单，只有具支撑作用的假根，无真正的根和维管束组织，表面积比较大，体表无蜡质的角质层。

苔藓植物分化程度低，细胞生长势相对旺盛，终年常绿，生命力强，为多年生植物，广泛分布于多种环境中，即使在一些极端环
境下也能存活，因此是一类较为理想的环境指示植物，可以用来长期监测环境污染[2-3]。

随着工业的迅速发展，人类对矿物资源的需求水平不断提高，在开采利用矿物过程中产生的重金属废弃物、废水和废气排放到环境中，造成水体和土壤的重金属污染。

重金属作为一种持久性有毒污染物，进入土壤环境后不能被生物降解，并可能通过食物链进入人体，在人体内积累，直接或间接的影响人类健康。

早在20世纪50
年代初期，重金属的环境污染问题就引起了世界各国的普遍关注，令全世界震惊的“世界八大公害事件”，其中日本发生的水俣病(汞污染)和骨痛病(镉污染)等公害病，都是由重金属污染引起的。

利用苔藓植物对土壤中重金属元素进行生物修复是目前研究的热点问题。

总结苔藓植物在重金属富集方面的研究进展，为进一步研究奠定理论基础。

目前已有大量研究证实苔藓植物对重金属存在富集作用。

Tyler曾详细论述了苔藓植物对重金属的富集作用、重金属对苔藓植物的生理作用、苔藓植物对重金属耐受性以及利用苔藓植物监测重金属含量[4]。

Buescber研究表明，苔藓植物因为其特殊的结构，具有较强的阳离子交换能力，从周围的环境中有效地吸收金属离子[5]。

Brown试验结果表明，外部环境中的金属离子通过离子交换的方式被吸附至苔藓
植物表面，实现对生物吸附与富集污染物的效果[6]。

Clough通过一系列的实验，证实苔藓植物对微量元素的吸附和富集作用是非常大的，该作用甚至在死苔藓中也能存在，其原因是因为苔藓植物具有的多毛分支结构[7]。

Richardson研究表明，某些苔藓植物细胞壁存在带负电荷的离子交换点，具有类似离子交换树脂的作用，可以吸附金属离子并释放氢离子和其它一些与该交换位点结合力弱的金属离子，从而达到吸附及富集污染物的效果[8]。

苔藓植物并不将金属离子直接吸收到细胞中去，而是通过离子交换或者微粒的方式将金属离子累积在细胞外，将环境中的金属离子吸附在植物体表面。

一旦重金属物质通过吸收进入植物体内，并富集到一定浓
度时，则会对植物体产生一定毒害作用，可见胞内吸附比胞外吸附对植物体产生的影响要大很多[9]。

不同种类的苔藓植物对重金属的富集能力存在不同差异。

Folkeson的研究发现，
即使是在同一块样地，不同类型的苔藓植物中的重金属含量也存在有一定的差异[10]。

Chiarenzelli等对苔藓植物的研究表明，苔藓植物中重金属含量与种类的差异与苔藓植物的结构特征密切相关。

主要是因为:（1）苔藓植物的表面积不同，表面积越大，捕获颗粒污染物的能力越强；（2）苔藓植物的表面具有不同的结构特征，如多毛支分枝结构等；（3）不同的苔藓植物的持水能力存在差异，持水能力越强，越容易吸附金属离子[11]。

之后一系列的实验结果表明不同种类的苔藓植物对重金属的敏感度和富集能力不同，例如，Olajire于1998年在利用苔藓植物研
究尼日利亚南部重金属污染沉降时发现真藓对重金属的敏感度及富集能力明显强于四齿藓(Tetraphis pellucida)[12]。

Salemaa等的研究结果表明黄丝瓜藓（Pohlia nutans）对重金属的富集及忍耐能力明显高于同地区的其他试验苔藓种类[13]。

安丽等人采用原子吸收光谱法，对上海余山土生的7种不同种苔藓植物体内的Cu，Pb，Cd，Zn，Cr5种重金属元素含量进行测定，结果表明不同种类的苔藓植物对同一种重金属的富集能力不同，同种苔藓植物对不同种类重金属的富集能力也不相同，其中小羽藓属植物可作为一种良好的生物指示材料用于环境重金属污染监测[14]。

陈彤等人对Pb／Zn尾矿上楔瓣地钱（Marchantia emarginata Reinw.）、双色真藓（Bryum dichotomum Hedw.）、衮州卷柏（Selaginella involvens Spring.）3种苔藓植物中Cu、Pb、Cd、Zn和Mn含量进行测定比较，结果表明楔瓣地钱对5种重金属均具有富集作用，富集系数均大于1；双色真藓和衮州卷柏对Cu具有较强的富集作用，但对其他重金属的富集作用较弱[15]。

许多研究结果证实了不同的生长基质能够影响苔藓植物对重金属等污染物的敏感度及富集能力。

一般来说酸性基质上生长的苔藓种类较之碱性基质种类对SO2的敏
感性更高[16]。

Bargagli等对意大利Colline Metallifere地区的大灰藓(Hypnum cupressiforme)以及着生岩石中的Cr、Fe、Mn、Ti、Ni等重金属元素含量进行测定，发现两者之间存在明显的相关性。

黄朝表等对浙江金华不同土壤背景值的苔藓植物含量进行测定，研究发现由于土壤环境背景值的差异造成不同样地中的苔藓植物体内重金属含量差异很大，生长在石灰岩上的苔藓植物对Ca的吸收是其他生境苔藓植物的3.3倍，而对其他金属元素的吸收量都明显低于非石灰岩生境的苔藓植物，另外试验还证实石灰对铅等重金属的吸收具有明显的拮抗作用。

苔藓植物对生长基质中的元素具有一定的吸收和同化作用，而生长基质对于苔藓植物监测的敏感性和富集污染物的能力也存在一定影响效应。

项汀等研究表明，在实际生活中，常难采集到附生型苔藓，所以在环境条件一致的情况下，可用其它生长类型的苔藓如土生型苔藓取代。

苔藓植物对不同重金属元素的敏感程度和富集能力存在不同差异。

Kapur等在研究重金属元素对反纽藓(Timmiella anomala)生长过程中的影响时指出:不同种类、不同浓度的重金属离子在苔藓体内富集的浓度不同，即敏感度不同，因此对苔藓植物所产生的毒害程度也不同。

Shaw等许多研究都说明苔藓植物对不同种类及不同浓度重金属污染物的敏感度和富集能力均有差异。

通过研究苔藓植物体内重金属元素的含量，可将其按照在苔藓体内的富集能力分为4个级别，富集能力最强的为第1级别，包括Ca、Fe、Mg、Mn、Pb、Zn等重金属，属于主要累积元素；第2级别包括 As、Ba、Cr、Cu、Ni、Sr、Sn、Ti等重金属，属于累积常量元素，富集能力较强；第3级别包括Br、Cd、Ce、Co、Cs、Ga、Ge、Hg、Mo、Se 等，富集能力比前两级别中的元素弱，属于累积微量元素；第4级别包括Ag、Gd、Bi等是苔藓植物体内的痕量元素，富集能力最弱。

近几年来，国内有关重金属等污染物质的伤害机理和生理生化以及超微结构等方面的毒害机理有了不少研究。

魏海英等在室内通过模拟培养大羽藓(Thuidium
cymbifolium)与弯叶灰藓(Hypnum revolutum)，采用不同浓度的铅、镉进行处理，考察一定累积浓度下苔藓植物表现出来的外部形态伤害症状，叶绿素含量、营养元素含量以及超微结构的变化，并监测植物体内铅、镉的累积量。

试验表明，铅、镉对苔藓植物的外部形态造成了不同程度的伤害，伤害程度与处理浓度呈正相关；同时，植物体内总叶绿素、营养元素含量都随着处理浓度的加大而减少；指出苔藓植物对重金属元素具有较强的累积吸收能力，随着处理浓度的增加累积量增加，且铅、镉之间表现为协同效应；苔藓植物遭受毒害后，体内的细胞器受到不同程度的损伤。

通过试验揭示了重金属对苔藓植物的毒害机理，为苔藓植物监测大气重金属污染的客观性、可靠性提供了合理的实验依据。

孙守琴等研究了Pb、Ni胁迫对大羽藓抗氧化酶系统的各种影响因素，通过试验表明:在较低胁迫浓度下，大羽藓叶绿素含量具有应激效应，在较高胁迫浓度下则具
有抑制效应；随Pb、Ni复合胁迫浓度的增加，苔藓活性氧自由基和丙二醛的累积量逐渐增大；大羽藓超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性降低，过氧化物酶活性增加，过氧化物酶在清除胁Pb、Ni迫产生的活性氧自由基的过程中起着重要作用，大羽藓丙二醛含量和过氧化氢酶活性对Pb、Ni胁迫具有浓度依赖性，可以将其作为监测该类重金属污染的生物标志物。

李朝阳等研究发现，随着Cd2+浓度的升高，叶片失绿所需要的天数逐渐缩短，
Cd2+浓度为2mg/L时湿地匍灯藓在第6天出现变黄失绿症状，而当Cd2+浓度
达到50mg/L时，在第4天就表现出叶片灰绿症状。

陈林林等研究表明，匍灯藓细胞内POD活性随着Ni离子浓度的增加而显著下降；SOD活性随着Ni离子浓度的增加先增后减，在Ni离子浓度为20mmol/L时SOD活性最大，在Ni离子浓度为160mmol/L时SOD活性最小。

由于苔藓植物结构相对简单，没有形成真正的根和维管组织，苔藓植物独特的生理和代谢特征使之被公认为良好的环境污染生物指示物或空气质量评估物之一。

有关
试验研究发现，苔藓植物对重金属及环境污染等因子的反应敏感程度是种子植物的10倍，而且苔藓植物所能积累的元素远远超过它们所需的生理水平。

此外，苔藓能积累和集中有毒物质，即使是有毒物质在环境中存在的浓度很低。

目前，通过利用苔藓植物监测重金属污染已经得到了广泛的重视和应用，与其他技术手段检测环境污染结果相比，应用苔藓植物指示环境质量和变化更能反应环境的生物学效应，而且取材容易、技术简便，更适合于长期的环境监测和污染影响的评估。

因此，苔藓植物现已成为世界各国广泛应用环境污染指示和环境质量监测的一类良好的生物指示植物。

苔藓植物用于监测重金属污染及其变化的研究在世界各国广泛开展，已成为近年来炙热的研究方向。

目前，其研究主要集中在化学分析技术的自动化和污染地区的实例分析，对苔藓植物的分析检测方法主要有ICP/ES、 ICP-MS、原子吸收光谱法、中子活化分析等。

国内外大量研究结果表明，苔藓植物是可用于监测一定区域内重金属污染的良好生物指示物，具有广阔的应用前景。

当前关于苔藓植物对重金属富集的研究，特别是重金属污染的响应机制研究不够深入。

如下几个方面亟待解决:
1.重金属在苔藓植物体内的吸收和累积的机制和规律，特别是关于超积累重金属的生理生化机制的缺少深入研究。

2.重金属污染胁迫下苔藓植物的生理生化响应及其适应性应用缺乏深层次研究。

3.不同种类苔藓植物对重金属污染响应的差异性特征有待进一步深入研究。

相信随着时间的推移和科技水平的不断提高，人们对苔藓植物的认识越来越清楚，对苔藓植物重金属富集现象的研究将会更加深入，研究成果也将逐步被应用。

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