vip 2011重金属镉超富集_富集植物筛选的研究进展 (1)

重金属镉超富集、富集植物筛选的研究进展
毛海立，杨波，龙成梅，邹洪涛，钟才宁
（黔南民族师范学院化学与化工系，贵州都匀558000）
摘要：利用超富集植物修复重金属污染土壤是一种可靠经济安全的技术，对我国在植物修复重金属镉污染方面的研究进展进行分析和总结，总结12种超富集植物与17种富集植物的富集特征、适生环境。

指出目前研究中存在的问题和今后研究的方向。

关键词：重金属；镉；超富集植物；植物修复技术
中图分类号：X173；Q94文献标识码：A文章编号：1674－2389（2011）06－0004－06
Filtramtions for Hyperaccunmlators and Abundant plants of Cd in Contaminated Soft
Mao Haili，Yang Bo，Long Chengmei，Zou Hongtao，Zhong Caining
（Dept．of Chemistry，QianNan Normal University of Nationalities，Duyun558000，China）Abstract：Technical use of hyperaccumulators to restore the contaminated mine soil is feasible and reliable compared with traditional methods．Advances in phytoremediation of Hyperaccumulator are analyzed and summarized in this paper，concludes the enrichment characteristics of Cd in the plant and the suitable environment of12hyperaccumulator and17abundant plants．meanwhile the current status and prospects are elaborated．Key words：heavy metal；cadmium；hyperaccumulator；phytoremediation
1前言
镉是一种毒性很强的重金属，也是一种动植物的非必需元素。

近年来，随着工农业的快速发展，重金属污染日趋严重，导致农用耕地面积锐减，相当数量农田的土壤质量也日趋下降。

目前，我国受重金属镉污染灌溉农田就有1．3万hm2，还在不断上升的趋势。

［1］土地是人类赖以生存的环境要素之一，镉一般在土壤表层0 0．15cm处积累，主要以CdCO3，Cd（OH）2和Cd（PO4）2的形式存在，其中以CdCO3为主。

［3］镉在土壤中的迁移较弱，因此，土壤重金属镉污染将改变土壤的化学组成，直接或间接地破坏了土壤的生态结构，通过土壤作物迁移积累，进而影响农产品安全乃至人体健康。

［4］镉在人体中的半衰期为6 18天，人体中90%Cd是来自食物。

世界卫生组织提出每个成年人每天对Cd可耐受性的最大摄入量为60 70ug。

在欧共体，从食物中吸收的镉为18 48ug/d，其中5%来自水。

我国农田镉污染涉及11个省市的25个地区，每年生产镉米多于5000万kg，严重污染的地方最可能产生镉米（Cd含量≥1．0mg，）主要是在江西大余县、上海的沙川灌区、广东的广州和韶关地区、广西的阳朔、湖南的衡阳等地区。

［1］人体镉中毒会引起骨痛病，肾损伤，胃肠不适，心血功能障碍，甚至致癌。

植物镉中毒从形态上主要表现为茎、根生长迟缓，叶片泛黄，褶皱卷曲；而生理生化方面主要表现为光合作用和蒸腾作用受到抑制，引起氧化胁迫和细胞膜损伤。

［5］土壤重金属镉污染与其他重金属相比，具有隐蔽性、毒性、长期性和不可逆转性等特点。

［4］近几年，我国在重金属镉植物修复技术镉超富集植物的调查和研究方面取得
基金项目：贵州省教育厅自然科学研究项目，黔教科（2008093）号。

收稿日期：2011－10－09
（－，，副教授：
了很大的突破。

2重金属镉污染的治理方法
在一般情况下土壤中自然存在的Cd2+不对人类造成危害，造成危害的土壤Cd大都是人为因素引入的。

土壤Cd主要来源于采矿、冶炼、电镀、化工、废物焚化处理等行业排放的废水、废气、废渣，以及含Cd化肥、农药和杀虫剂等。

自从人们发现镉有毒和土地被污染之日起，就采取一定措施减少或消除土壤中的镉，来减轻对人和动物的伤害。

治理方法有：如客土换土法、淋洗法、热处理法、固化法、动电修复法等，由于其技术要求或经济成本昂贵、对土壤结构破坏严重等原因，因而大规模推广存在许多问题。

［2］而植物处理重金属土壤则是目前研究的热点，就是利用植物对土壤中某种或几种重金属具有极强的吸收能力，来降低土壤中镉的含量和活性，然后对地上部分进行收割后集中处理。

［1］利用植物修复技术净化重金属镉污染土壤，成本低廉、易大规模栽培、不会造成二次污染，但所需要的时间较长。

植物修复是一种新兴的环境治理技术，具有如下特点：一是适用范围广。

既可用于清除土壤中重金属污染物，也可用于清除污染土壤周围的大气、水体中污染物。

二是实施原位修复。

它是在不破坏土壤生态环境，保持土壤结构和微生物活性的状况下去除污染物，能增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土地生产力，同时兼有保持水土、美化环境的作用。

三是投入成本低。

植物修复所需人力物力投入少，易于管理，同时可回收贵重金属，有一定的经济效益。

四是可以长期、大面积的田间应用。

超富集植物筛选是重金属镉污染土壤植物提取修复的基础和核心问题，但合适超富集植物仍然在寻找之中。

从目前研究来看，利用合适超富集植物修复土壤及水体中的镉是一种最科学的方法。

3资料分析与综合
3．1常见植物镉污染种类
随着土壤重金属镉污染日趋严重，植物受镉污染的程度也逐渐加大。

表一列举了5类易受镉污染的常见植物：如农作物（玉米、稻谷、小麦），人类生活的主要食品，孙哲等表明：镉的浓度升高，严重影响作物的光合作用、呼吸作用、物质代谢、细胞透性和保护酶的正常生理作用；［6］陈瑛等研究表明：随土壤镉浓度的增加而能快速增加体内镉含量，人类食用安全性下降。

［7］陈世军等研究表明：当Cd浓度增大，辣椒幼苗除POD活性继续增大外，SOD、CAT活性受到抑制，严重影响辣椒幼苗生长；［8］吕团伟等研究表明：五加皮和茯苓是两种良好的诱变剂的阻遏剂，对环境中的诱变剂镉所致的遗传损伤具有明显的拮抗作用，［9］付世景等研究表明：板蓝根叶片和根对镉的吸收随镉浓度的增加而增加，高浓度镉对板蓝根生长具有抑制作用；［10］夏会龙等研究发现甘蔗生物量、茎径和茎节长随着土壤中cd浓度的增加而降低，cd浓度越高，抑制效应越明显；叶片中叶绿素、过氧化氢酶（CAT）活力及可溶性糖含量与土壤中Cd 浓度呈一阶指数衰减关系。

［11］王辉等研究重金属镉能够抑制大豆幼苗的生长，随着处理浓度的增加，株高、干物重明显下降，叶片叶绿素含量下降，MDA含量增加及膜透性增加。

［12］从相关报道看出低浓度Cd 促进植物生长，高浓度Cd抑制植物，随着土壤中镉的浓度升高，直接影响植物正常生长，植物体内镉的含量增加，生物量减少，间接的影响到人类生存。

［6－17］植物是人类生产生活必需植物，植物含镉过高，有可能导致人体中积累超过人所承受量（60 70ug/d），就会影响人的生理器官功能，功能受损，导致各种疾病产生。

所以消除或减少土壤和水体中的镉是目前研究的热点和重点。

3．2镉超富集植物的概念及特征
超富集植物是指能从土壤中超量富集重金属并能将其转移到地上的植物，吸收量要超过一般植物的100倍以上，且不影响正常生理活动，镉超富集植物叶片或地上部（干重）中Cd含有量达到100ug/ g。

［18］超富集植物概念包括两个重要指标：富集系数（EC）是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属原有含量的比值，是评价植物富集重金属能力的重要指标之，它反映了植物对某种重金属元素的。

，
现植物从根部向地上部运输重金属的能力。

超富集植物通常具有如下特点：（1）在重金属重污染或弱污染土壤上，都有很强的吸收富集能力；（2）吸收的重金属元素可大量迁移至地上部分；（3）地上部分能耐受和积累高含量的重金属；（4）生长速度快，生长周期短，生物产量高；（5）能反复种植、多次收割；（6）具有发达的根系组织；（7）具有抗虫抗病能力；（8）最好能同时积累几种金属等等。

［18］
3．3镉超富集植物
迄今为止，以100㎎/㎏为镉超富集植物的临界标准。

目前国内外文献报道到有关镉超富集植物（见表1），其包括鱼腥草、印度芥菜、遏蓝菜、叶用红慕菜、宝山堇菜、蒌蒿、商陆、滇苦菜、籽粒苋、垂柳等12种植物。

［19－31］对重金属镉都具有很强的富集能力，如果作为镉的超富集污染处理植物，是不能用于人类食品的。

具体对镉的富集能力如下，李玉双等研究表明：叶用红慕菜是一种易栽培，一年四季可种草本植物，且Cd的EC＞1和TF＞1以上；［19］侯伶龙等研究表明：鱼腥草不仅对镉具有超富集能力，而且对锌，铜，镍也具有超富集能力，在贵州遍地生长、生长快、根系发达；［20］胡鹏杰等研究表明：长柔毛委陵菜同时是镉，锌两种重金属的超富集植物；［22］潘静娴等表明：蒌蒿是农田土壤Cd污染的一种较好的修复植物，富集镉能力强，生长快；［23］
表1：镉的超富集植物及特征
镉超富集植物Cd/㎎/㎏特点
叶用红慕菜＞100EC＞1、TF＞1，一年四季可种，生物量小［19］
鱼腥草216．9EC在2 2．5，能在200㎎/㎏环境下生长。

［21］
长柔毛委陵菜320（植株）178㎎/㎏，（叶）280㎎/㎏。

［22］
蒌蒿耐受环境可超过165．2㎎/㎏（纯Cd）富集能力强，生长快。

［23］
商陆＞100根系发达，枝叶茂盛，高达1．3 3m，EC＞1。

［24］
滇苦菜（地上）最高可达3916TF＞1。

［25］
垂柳164．03生长快，易栽培，但TF＜1。

［26］
籽粒苋109．96 120．6EC＞1，生物量大，主根发达，高2 3m，易栽培。

［27］
印度芥菜160 300生长快，生物量大。

［28］
宝山堇菜1168 2310Cd胁迫条件下，平均含镉4828mg/kg。

［29］
遏蓝菜380生长缓慢，植株矮小。

［30］
龙葵103．8 124．6茎中含Cd103．8㎎/㎏，叶124．6㎎/㎏EC=2．18。

［31］
聂发辉研究表明：商陆是一种根系发达、生物量大，一年收割两次，对镉超富集能力很强的植物；［24］杨卫东表明：垂柳是一种易广泛栽培、速生、适合大部分地区，资源丰富观赏价值高。

［26］从这12种超富集镉植物研究来看都有各自的优点和缺点，笔者综述认为：商陆，籽粒苋可作为镉污染土壤和水体修复的最好植物（它们具有共同的特点：根系发达、生物量大、EC＞1、地上部含镉量大于100㎎/㎏，且又不是人类食品）。

3．4镉富集植物
从表2植物Cd富集特征来看，虽然没有达到Cd超富集植物特征的要求，但对镉具有很强的富集能力。

如果缺少Cd超富集植物时，可以考虑富集植物来治理Cd污染。

已有报道的镉富集植物有4类型9科目17种植物，大多数是草类植物。

周守标等研究表明：菖蒲Cd富集系数大于1，［32］菖蒲和菊苣能在水地生长，对重金属镉污染有一定的富集能力。

陆秀君等研究表明：黑麦草、苏丹、菊苣都是常见的牧草，它们能在Cd10mg/kg环境条件下正常生长，尤其具有生物量大，生长速度快，生长周期短，适宜在各种土壤上生长等显著特点。

［33］刘云国等研究表明：香根草的根对Cd2+有非常的富集能力，且具有根系发达，适应性强、生物量大、易栽培、好管理等特点，被广泛的应用于水土保持、退化生态系统的恢复以及对其他重金属污染污染（如Sn、Zn）修复等方面。

［34］魏树和等研究表明：欧洲千里光、小白酒花、欧亚
（65，5．56，26，1．
28），而且其地上部Cd的含量均高于根部Cd的含量，具有很强转运（TF）Cd的能力，具备了重金属超富集植物的基本特征，尤其是小白酒花和欧亚旋覆花，地上部Cd的含量最高达到了5．28，5．23mg/kg，而荔枝草、紫苏、野薄荷的根部Cd富集系数均大于1。

［35］林单等研究表明：马尾松、雪松、龙须草都是Cd 的敏感植物。

［4］镉富集植物在我国比较多，生长在我国绝大多数山地、河流、草原、平原等地方，为治理水体和土壤重金属镉污染提供良好的资源。

因此，现阶段除了对Cd超富集植物研究外，也应加强对Cd 富集的植物研究。

表2：镉的富集植物
植物名生长地科类类型资料来源
菖蒲中国及日本，广布于世界温带和亚热带地区（贵州盛产，环
境在小水沟或水塘）。

天南星科中药周守标等［32］
菊苣北京、黑龙江、辽宁、山西、陕西、新疆、江西（生态环境滨海
荒地、河边、水沟边或山坡）。

菊科［33］牧草或中草药陆秀君等
黑麦草山坡地。

禾本科牧草
苏丹草原产于非洲的苏丹高原。

在欧洲、北美洲及亚洲大陆栽培
广泛。

禾本科牧草
香根草广东、福建等。

禾本科香料植物刘云国等［34］
欧洲千里光江苏、浙江、广西、四川（山坡、树林下、林边、路旁、沟边草
丛中）。

菊科［35］牧草或中草药魏树和等
小白酒花贵州大麻科中草药
猪毛蒿我国各地、日本、朝鲜、蒙古、苏联、欧洲、印度北部，内蒙古
各地（生境于森林区、草原区及荒漠区的砂质土壤上）。

菊科牧草
荔枝草主产江苏、浙江、安徽（生于山坡、路边、荒地、河边）。

唇形科草野大麻贵州及生于沙丘、干山坡及草原。

桑科草紫苏华北、华中、华南、西南及台湾省均有野生种和栽培种。

唇形科中草药欧亚旋覆花黑龙江、吉林、河北、内蒙古、新疆等。

菊科花野薄荷云贵川。

中草药
石防风分布东北、河北、河南、陕西、山东、安徽、江苏、江西、湖北、
四川、贵州等地。

中草药
雪松长江流域。

松科木材林单等［4］
马尾松河南，山东南部，两广、台湾，四川中部及贵州，遍布于华中
华南。

松科木材
龙须草分布东北、华北、西北和华东的山东、江苏，及全球温暖地
区。

灯心草科中草药
3．5重金属镉对植物的影响水平研究
镉对植物的伤害是复杂的、多方面的，涉及生理代谢反应、形态反应。

采取一定措施，防止镉等重金属在植物中的过量积累，减少对人和动物的伤害是很必要的。

［5］近年来我国在植物对重金属Cd作用的研究主要集中在个体水平上，重点从宏观上研究：（1）通过测定植物的植株、根、茎、叶等积累Cd的通过测定植物的植株、根、茎、叶等积累Cd的含量可判断其吸收富集Cd的能力，筛选耐Cd的富集植物和镉超富集植物。

（2）是细胞与分子水平上的研究：主要包括重金属Cd对植物细胞膜、细胞壁透性的影响及损伤、叶绿体、线粒体等细胞器的数目变化、植物基因表达，转基因技术的应用等方面的研究。

（3）生理生化水平：主要包括在Cd处理下植物的电导值、光合作用强度、丙二醛、S0D，POD，CAT等参数的变化以及各种化学物质对植物修复效果的影响。

研究人员已经开始通过各种科技手段提高野生植物对重金属Cd的耐性和积累等特性，并通过研究植物体内各反应机制来寻找提高植物对重金属Cd的耐性和［4］（≤）
提高叶片叶绿素a和叶绿素b含量和根系活力，降低MDA含量。

较高浓度Cd（≥1．0mg/L）处理，辣椒根和苗生长、叶片叶绿素a与叶绿素b含量、根系活力显著下降，MDA含量增高；［13］李玉双等表明：叶用红慕菜在Cd污染水平为20mg/kg条件下，叶用红慕菜能正常生长，且地上部Cd含量超过了100mg/ kg；［19］赵胡等发现：土壤镉浓度的增加大蒜平均单株鲜质量、干质量、平均最大根长及地上部分高度均显著降低，同时，根系活力和可溶性蛋白含量增幅逐渐减弱，抗氧化防御酶系统平衡受到破坏，根系MDA含量显著上升。

［17］刘威等发现：宝山堇菜是一种新的Cd超富集植物，在自然条件下地上部分Cd 平均含量可达1168mg/kg，最高可达2310mg/kg，而在温室条件下平均可达4825mg/kg。

［29］
4现状与展望
我国疆土辽阔，地势和气候差异大，植物种质资源丰富，筛选新的Cd超积累植物，植物修复的关键在于找到合适的超富集植物，应了解超富集植物的机理，增加超富集植物的生物量，进而提高超富集植物对重金属的富集，对于修复重金属污染的土壤有重要的意义。

重金属镉污染植物修复的优点是显而易见的，虽然近年来的研究较多，但还存在很多不足，如发现镉超富集植物生物量小、生长较慢、修复污染较严重土壤的周期长、且大多数较矮小、根较短和较少，只适用于清除土壤表层的重金属镉、适生范围小。

为加快重金属镉污染土壤植物修复，在今后应加强以下几个方面的研究：（1）建立数据库系统，进行经常性的数据更新，以此来追踪国内外最新的研究动态。

建立完整的重金属镉超富集植物种质资源库，加大保护现有超富集植物种质资源的力度，防止不当的开发造成矿区等生态环境脆弱区域的植被遭到破坏。

（2）筛选出更多的野生超富集植物，加强已发现重金属镉超富集植物的引种和驯化，以打破现有的超富集植物的限制，并以植物修复为主，辅以物理、化学和微生物手段，以增加重金属的生物有效性，促进植物的生长和吸收，从而提高植物修复的综合效率。

（3）进一步深入研究超富集植物对重金属镉吸收、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，培育出生物量大、根系发达、富集能力强、生长快、适应性强、易栽培、经济、同时能富集多种重金属的超富集植物。

（4）应用分子生物学和基因工程技术，结合上述三点，培育筛选出一种适应我国各地栽培、能够转化为机械能源燃料（镉能保持在废渣内，然后集中处理收集重金属镉）的植物。

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