重金属的植物修复

重金属的植物修复

摘要

本文综述了重金属植物修复的基本机理、目前的进展和展望。目前植物修复重金属主要包括了植物提取、植物挥发、植物固化和根系过滤等几种技术，通过在植物体吸收转化、与植物体内物质络合和转化为挥发性物质进入大气等机理减轻重金属的污染程度。重金属种类及其形态、温度、pH 和根系微生物等因素都会影响植物修复的效率。植物修复与传统的修复技术相比，具有很大的优越性，但同时也有其局限性。

关键词：重金属污染，植物修复，超积累植物

引言

随着工业的发展，土壤和水域的重金属污染已成为全球一个严峻的问题。据统计，我国约有3万多hm2土地受汞的污染，有1万多hm2土地受镉的污染，每年仅生产“镉米”就达5万t以上，而每年因污染而损失的粮食约1200万t⑴。重金属污染具有稳定性高、不可逆和后果

严重等特点至今没有找到理想的治理方法，而传统的工程、物理和化学等手段因耗资大、易产生二次污染等原因限制了其在修复重金属上的应用，因此需要探索在不破坏生态环境的情况下治理重金属污染的新途径 1 2。

植物修复(Phytoremediation )是利用绿色植物来转移、容纳或转化土壤或水体中的污染物使其对环境无害3。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。植物修复是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术,也是一门正在崛起并涉及

土壤学、植物学、分子生物学、基因工程学、环境工程等多门学科的新兴边缘学科。它具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境、不引起二次污染等优点。自20 世纪90 年代以来,植物修复成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题4。

植物固化指的是利用植物根际的一些特殊物质使土壤中污染物转化为相对无害物质的一种方法，从而减少其对环境和人类健康的风险。在这过程中土壤重金属的含量并不减少，只是暂时将其固定，其中包括分解、螯合、氧化还原等多种过程。Salt D. E.等人在1995通过实验证明植物能将六价铬转变为三价铬，从而减小了伤害性。

1.4根际过滤根际过滤指将特定的植物种植在重金属污染的水体中，利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤、吸收、富集水体中重金属元素后，将植物收获处理，达到治理水体重金属污染的目的。种苗过滤法市较有潜力的修复技术。研究发现蓖麻种苗过滤对铅、镉和铜的去除都有较好的效果。

2. 植物修复重金属的机制

1 植物修复重金属的途径

重金属污染植物修复技术主要有：植物提取(Phytoextraction) 、植物挥发(phytovolatilization) 、植物稳定或固化(Phytostabilization) 和根系过滤(Rh izofiltration) 。 1.1植物提取植物提取是利用重金属富集能力较高的植物的吸收和转运，将土壤中的一种或几种重金

属转移并储存在地上部分，随后收获地上部分并集中处理。能应用于植物提取的植物往往是一些超积累植物[5]。超积累植物(Hyperaccumulator) 是指在地上部能够较普通作物累积10-500 倍重金属的植物[6] *。积累的Cr, Co, Ni, Ca, Pb的含量一般在0.1%(干重)以上，积累的Mn, Zn 含量一般在

1%(干重)以上。目前已发现能富集重金属的超积累植物500多种，其中有360多种是富集Ni的植物⑺。而这些植物主要集中在十字花科。植物提取的关键是所用的植物生长快、

生物量大、抗病虫能力强，以及具备较强的多种金属的富集能力[5]。

2.1吸收和转运

目前发现的金属离子吸收转运系统包括锌铁转运蛋白家族(ZRT,IRT-like Proteins,ZIP) 和

nramp(natural resistance associated macrophage proteins)。ZIP 蛋白一般由309~476 个氨基酸组成，其主体分布于细胞膜中，C末端和N末端位于膜外，而一个富含组氨酸的可变区位于膜

内，可能是金属结合区［10］。ZIP蛋白参与Zn2^HFe2+吸收及跨膜运输，也可能与Mn2+、Co2+、Cd2+和Cu2+吸收有关。Nramp可能与Cd2+和Cu2+吸收转运有关。

2.2络合

植物体内普遍存在的一种重金属脱毒机制是配体与重金属离子的络合，如有机酸、氨基酸和多肽等都可作为配体以不同方式与重金属络合并脱毒［11］。如在酸性土壤中受铝胁迫的一些植物会分泌苹果酸、柠檬酸等有机酸与铝螯合或在根内部螯合，从而降低三价铝含量

［12］。植物络合素(phytochelatin, PC)是另一类是一类短肽的总称，Cd可与其产生PC-Cd复合

物进入细胞的液泡内［13］。Ag、Cu、Hg和Pb等离子都能诱导PC合成，说明可能也能与这些金属络合。另外金属硫蛋白(metallothionein ，MT) 是普遍存在于植物体内，能与金属结合的一类多肽的总称。它由核基因编码，低分子量，富含半胱氨酸，离体实验表明，MT 通过硫键与一系列重金属及类似物结合，对下列离子的结合亲和力依次为：Bi(川)> Hg( n ) >

Ag( I ) > Cu( I ) > Cd( n ) > Pb( n )> Zn( n)。

2.3转化为挥发性物质

汞主要是以液态Hg(0)和二价Hg( n )进入环境。其中Hg(0)毒性较小，且易挥发，所以不

会对环境构成威胁。Hg(n )相对剧毒，在溶液中Hg(n )极易被厌氧菌转变为甲基汞(MeHg) ，MeHg对人类和动物是剧毒的。细菌汞代谢操纵子中有两个基因merA和merB。将merA以

组成型表达方式转入多种植物中，能介导转基因植物将Hg( n )转化为Hg(0)并挥发出体外。基因merB编码产物MerB是一种有机汞分解酶，将MeHg分解为CH4和Hg( n )。

3. 影响植物修复的因素重金属种类及其形态是影响植物修复效率的主要因素，另外土壤或水体的因

素比如pH 也会产生影响。

3.1重金属种类及其形态各种植物对不同重金属的修复效率不一样，因此可以富集多种重金属的超富

集植物在植

物修复中有很大价值。而且在修复过程中要根据污染源中重金属种类和浓度配给不同的植物搭配，以最大化去除重金属。重金属在土壤或水体中的存在形式(价态、结合与不同的阴离子等等)影响到了其可被植物吸收的有效浓度，存在形式受到pH等因素的影响。

3.2pH

pH会影响重金属的活性。如pH升高时土壤对铅的吸附性增大，而且会生成碳酸盐沉淀，