利用植物基因工程技术治理重金属污染

利用植物基因工程技术治理重金属污染

刘毅1,2,丁元明1*,寸东义1,刘忠善1,曹云华1,杜宇1,和捷1(1.云南省出入境检验检疫局,云南昆明650224;2.昆明理工大学生命科学与技术学院,云南昆明650224)

摘要利用植物治理重金属污染的土壤为生物治理提供了一个廉价有效的解决途径。但是普通超富集植物在污染地生长量不大、去除污染速率较低。通过植物基因工程技术将抗重金属的新特性引入到大生物量的植物中，改造其金属耐受性和富集能力，是一个有效提高植物修复能力的策略。

关键词植物基因工程；重金属污染；植物修复

Phytoremediation for Heavy Metal Pollution with Plant Genetic

Engineering

LIU Yi et al(Y unnan Entry-Exit Inspection andQuarantine Bureau，Kunming，Yunnan 650224)

Abstract Phytore mediation for the soil polluted by heavy metals with plants is a low-cost and effective strategy. Wild plants with hyper accumulation capacity usually have small biomass and thus slow the velocity for pollution removing. The improvement of the fast growing plants with high-biomass for its metal toleration and accumulation capacity with plant genetic engineering is an effective strategy for the remediation ability increasing of plants.

Key words Plant genetic engineering；Heavy metal pollution；Phytoremendiation

全球工业化导致大量的潜在毒性化合物释放并进入生物圈，其中包括重金属——主要是铅、镉、汞、砷、铜、镍、钴等[1]。铅是工业化国家的重要重金属

污染物之一，在城市、房屋灰尘、居民区土壤和工业区中广泛存在。在人体里，铅的积累主要影响神经系统、血液细胞和肾，是儿童健康的第一环境威胁。镉污染的分布也很广泛，主要集中在排放锌矿废物的土壤、淤泥和过量施用富含镉的磷肥的土壤中，低浓度的镉对人具有高毒性并且可能致癌[2]。汞污染也威胁全世界的人类、野生动物以及鱼类的健康。为了使有毒元素进入食物链的可能性降到最低，急需解决环境中的这些重金属污染[1]。

此外，重金属对人和动物的威胁还由于它们在环境中长时间的存在而加强[3]。例如，铅可在环境中存在150~1 500年，并且有报道称其在进入土壤中150年后仍浓度较高[4]。镉的生物学半衰期估计为18年[5]，在人体内为10年[6]。它可通过食物链转移并富集，从而进入动物体或人体内，引发DNA损伤[7]。镉、铬和铜与从皮肤炎到癌症的一系列疾病有关[8-9]。一些金属以放射性同位素(238U、137Cs、239Pt、90Sr)形式出现，这大大增加了健康的风险[10]。

利用化学方法和物理方法清除土壤中重金属的污染，通常因为成本太高和破坏环境而不能被大规模应用。植物修复是利用植物来转移、容纳或转化环境污染物以达到清除污染物、治理环境的目的，被认为是一个从土壤中清除有毒重金属污染的成本低且对环境友好的技术[1]。该技术包括植物提取、植物挥发和植物固定，其中针对植物提取的研究较多[3-4]。植物提取指利用超富集植物吸收、富集污染物，使植物地上部分的污染物含量达到一定的浓度，通过收获植物地上部分的方法，达到清除污染物的目的[11]。

利用植物基因工程手段培育具有高富集能力的转基因植物技术的发展始于对汞离子还原酶的研究，并且已经有关于提高镉的耐受性和积累能力的转基因植物的报道。利用植物基因工程技术培育的转基因植物能吸收、隔离和(或者)去除各种环境污染物的毒性，以便修复被污染的土壤、水或者空气，这方面的

研究将为恢复由于人类活动而被重金属污染的大规模土壤和水提供一个有效的技术手段和方法[11]。

1利用植物基因工程技术治理重金属污染的原理、具体步骤以及基本策略因为重金属污染物在土壤中可以稳定存在并且不能被完全无毒化，所以大多数植物修复策略的最终目标是收获积累了重金属的地表植物组织，例如，茎干、叶片等。通常认为，重金属离子浓度达到或超过植物干重的0.1%~1.0%是超积累，大部分有毒重金属超富集的植物修复能替代代价极高的物理修复或化学修复[12]。

1.1植物基因工程技术治理重金属污染的原理理想的修复植物应该是高生物量、高积累量、生长快速、同时能耐受和富集土壤中多种有毒重金属、根系发达、容易种植和收获的植物。虽然存在能耐受和富集高浓度有毒重金属的天然植物，但这些植物生物量小、生长缓慢、种植困难。目前，随着分子生物学技术的发展，可使用基因工程手段来改进一些生长快、生物量大的植物使其对重金属具有高的耐受性和富集能力。目前的植物基因工程技术已经能把多种抗性基因导入到不同品种的植物中，通过研究转基因植物的修复能力，获得可以应用于重金属污染治理的超富集植物新品种。

1.2植物基因工程技术治理重金属污染的基本步骤首先，寻找到合适的排异生物和超累积生物，通过与同种系其他对重金属耐性低且富集量小的生物进行对比及用生物化学、分子生物学等方法鉴别出控制这些性状的基因。其次，分离或克隆出这些基因，并导入到目标植物受体细胞中，与载体一起得到复制与表达，使受体细胞获得新的遗传特性。最后，将转基因植物进行田间测试，确定这种基因应用于该生物中的可行性。其中最关键的是鉴定和克隆在重金属排异和超累积中起决定作用的基因，并探明其中特定的分子生物学机制。