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t[1]。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[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]。
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[7]。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]。
1.2植物挥发
植物挥发指通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态，挥发出土壤和植物表面，达到治理土壤重金属污染的目的。有些元素如Se、As和Hg通过甲基化挥发，大大减轻土壤的重金属污染。运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因(汞还原酶基因)转导到植物(如烟草和郁金香)中，进行汞污染的植物修复。研究证明，含抗性基的植物，可以在通常生物中毒的汞浓度条件下生长，而且还能将吸取的汞还原成挥发性的单质汞[8]。但植物挥发将土壤中的重金属转移至大气，其应用有一定的局限性。
1.3植物固化
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
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+和Fe2+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(Ⅲ)＞ Hg(Ⅱ)＞ Ag(Ⅰ)＞ Cu(Ⅰ)＞ Cd(Ⅱ)＞ Pb(Ⅱ)＞ Zn(Ⅱ)。
2.3转化为挥发性物质
汞主要是以液态Hg(0)和二价Hg(Ⅱ)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(Ⅱ)相对剧毒，在溶液中Hg(Ⅱ)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(Ⅱ)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(Ⅱ)。
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，
使铅活性下降，从而降低了植物的吸收量[14]。
3.3根系微生物
菌根真菌除了菌丝本身能够吸收重金属外，其侵染植物根系后改变根系分泌物的数量和组成, 进而影响根际圈内重金属的氧化状态, 同时也能使根系生物量、根长等发生变化,从而影响重金属的吸收和转移。根际圈细菌对重金属的吸附, 可以降低其可移动性和生物有效性, 从而对污染土壤起到修复作用[15]。
3.3温度
温度会影响到植物的生长，在最适温度时职务的生长最快，得到的生物量最大，重金属的修复速度加快。同时温度也影响到重金属离子的活性、水体泥对重金属的吸附等等。
3.4重金属与其它元素的作用
Cd和Zn通常是伴随而生的，具有相似的化学性质和地球化学行为，因而Zn具有拮抗Cd被植物吸收的特性。实验证明，土壤中适宜的Cd/Zn比，可以抑制植物对Cd的吸收[16]。另外，重金属也可与养分元素发生作用，对根系吸收位进行竞争或者影响植物的生理生化过程。如施加氮肥可以促进植物对水体中镉的吸收。
4. 植物修复重金属污染土壤或水域的优缺点：
植物修复最为新型的绿色污染处理方式，与传统修复技术相比有其优越性。首先作为一种生物修复它的首要特点是投资和维护的成本低、操作简单，不需要大量机械设备或进行工厂建设。其次，不需要添加化学试剂，不会产生二次污染。第三，处理过程可与城市景观结合，有良好的生态效益。第四是可通过收割、灰化植物体提取金属。另外这是一种原位修复，从而也降低了投入。
但是植物修复也有其劣势，如超积累植物往往植株矮小，生物量较低，生长速度慢，生长周期长。由于植物富集能力的限制，植物修复的时间比其他方式要长，而且要占用比较大的土地面积。受到土壤水分、盐度、酸碱度的影响，植物修复很难在实际中应用。另外引入的超富集植物和转基因植物对当地的生态系统的影响还需要慎重考虑。如果引入不当，那可能会对当地物种产生严重破坏。
5. 重金属植物修复的前景
近30年来植物修复已成为生态领域的一个热点问题，我国的起步相对较晚，但近年来也加大了研究力度。我国的植物资源丰富，为筛选生长速度快、生物量高的超富集植物提供了条件。另外随着分子生物技术、基因工程的发展，将外源基因导入植物体得到超富集植物或者具有特定可转化重金属的植物为植物修复提供了更大的发展空间。目前重金属在植物体内的作用机理上有很多未解决的问题，仍需要对机理进行深入研究。次外可将植物修复与其他修复技术结合起来，复合型的修复技术可以取长补短，更高效地进行污染修复。
参考文献
[1].陈怀满.土壤-植物系统中的重金属污染[M].北京：科技出版社，1996.
[2].刘素纯，萧浪涛，王惠群，童建华.植物对重金属的吸收机制与植物修复技术[J]. 湖南农业大学学报(自然科学版). 2004,Vol 30(5):493-498
[3]. László Erdei, Gábor Mezôsi, Imre Mécs, Imre Vass, Ferenc Fôglein, László Bulik. Phytore-mediation as A Program for Decontamination of Heavy-metal Polluted Environment [J]. Acta Bi-ologica Szegediensis. 2005,Vol 49(1-2):75-76
[4]. Rovinson B, Russell C, Hedley M, et al. Cadmium adsorption by rhizobacteria: Implications for New Zealand pastureand [J]. Agric Ecosyst Environ. 2001, Vol 87:315～321
[5]. 丁佳红，刘登义，储玲，王广林.重金属污染土壤植物修复的研究进展和应用前景[J].生
物学杂志.2004，Vol 21(4):6-10
[6]. 张军英，刘钊.植物修复重金属污染土壤在我国的发展前景[J].甘肃冶金.2003，Vol 25(4):27-30
[7].CunninghamS D ,O w D W. Terrestrial Higher Plants Which Hyperaccumulate Metallic Ele-ments[J].Biorecovery，1989, Vol 1:81-97 .
[8]. HeatonACP, Rugh CL et al .Phytoremediation of Mercury and Memury Polluted Soil Using Genetically Engineered Plants [J].J Soil Contam.1998, Vol 7(4):497一509
[9].Salt D E，BlaylockM, KUMAR PB A N ,et al .Phytoremediation: A novel Strategy for the Removal of Toxic Metals from the Environment Using Plants[J ]. Bio/Technology.1995,13:468- 474.
[10] Guerinot M L, 2000. The ZIP family of metal transporters. Biochim Biophys Acta, Vol 1465:190~198
[11] Rauser W E, 1999. Structure and function of metal chelators produced by plants; the case for organic acids, amino acids, phytin and metallothioneins. Cell Biochem Biophys, 31:19~48
[12]Jian Feng Ma, Peter R.Ryan and Emmanuel Delhaize.Aluminium Tolerence in Plants and the Complexing Role of Organic Acids.TRENDS in Plant Science. 2001, Vol 6(6):273-278
[13]. 徐昕，陶思源，郝林.用转基因植物修复重金属污染的土壤. 植物学通报 2004, 21 (5): 595~607
[14]. 顾继光，林秋奇，胡韧，诸葛玉平，周启星.土壤一植物系统中重金属污染的治理途 径 及其研究展望.土壤通报.2005，Vol 36(1):128-133
[15].曾学云，吴群河.重金属污染土壤植物修复基本机理及其发展方向.环境污染与防治.2004
[16].周启星，吴燕玉，熊先哲.重金属Cd一Zn对水稻的复合污染和生态效应[J ]. 应用生态学报，1994,5(4): 438一441
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t[1]。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[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]。
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[7]。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]。
1.2植物挥发
植物挥发指通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态，挥发出土壤和植物表面，达到治理土壤重金属污染的目的。有些元素如Se、As和Hg通过甲基化挥发，大大减轻土壤的重金属污染。运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因(汞还原酶基因)转导到植物(如烟草和郁金香)中，进行汞污染的植物修复。研究证明，含抗性基的植物，可以在通常生物中毒的汞浓度条件下生长，而且还能将吸取的汞还原成挥发性的单质汞[8]。但植物挥发将土壤中的重金属转移至大气，其应用有一定的局限性。
1.3植物固化
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
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+和Fe2+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(Ⅲ)＞ Hg(Ⅱ)＞ Ag(Ⅰ)＞ Cu(Ⅰ)＞ Cd(Ⅱ)＞ Pb(Ⅱ)＞ Zn(Ⅱ)。
2.3转化为挥发性物质
汞主要是以液态Hg(0)和二价Hg(Ⅱ)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(Ⅱ)相对剧毒，在溶液中Hg(Ⅱ)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(Ⅱ)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(Ⅱ)。
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，
使铅活性下降，从而降低了植物的吸收量[14]。
3.3根系微生物
菌根真菌除了菌丝本身能够吸收重金属外，其侵染植物根系后改变根系分泌物的数量和组成, 进而影响根际圈内重金属的氧化状态, 同时也能使根系生物量、根长等发生变化,从而影响重金属的吸收和转移。根际圈细菌对重金属的吸附, 可以降低其可移动性和生物有效性, 从而对污染土壤起到修复作用[15]。
3.3温度
温度会影响到植物的生长，在最适温度时职务的生长最快，得到的生物量最大，重金属的修复速度加快。同时温度也影响到重金属离子的活性、水体泥对重金属的吸附等等。
3.4重金属与其它元素的作用
Cd和Zn通常是伴随而生的，具有相似的化学性质和地球化学行为，因而Zn具有拮抗Cd被植物吸收的特性。实验证明，土壤中适宜的Cd/Zn比，可以抑制植物对Cd的吸收[16]。另外，重金属也可与养分元素发生作用，对根系吸收位进行竞争或者影响植物的生理生化过程。如施加氮肥可以促进植物对水体中镉的吸收。
4. 植物修复重金属污染土壤或水域的优缺点：
植物修复最为新型的绿色污染处理方式，与传统修复技术相比有其优越性。首先作为一种生物修复它的首要特点是投资和维护的成本低、操作简单，不需要大量机械设备或进行工厂建设。其次，不需要添加化学试剂，不会产生二次污染。第三，处理过程可与城市景观结合，有良好的生态效益。第四是可通过收割、灰化植物体提取金属。另外这是一种原位修复，从而也降低了投入。
但是植物修复也有其劣势，如超积累植物往往植株矮小，生物量较低，生长速度慢，生长周期长。由于植物富集能力的限制，植物修复的时间比其他方式要长，而且要占用比较大的土地面积。受到土壤水分、盐度、酸碱度的影响，植物修复很难在实际中应用。另外引入的超富集植物和转基因植物对当地的生态系统的影响还需要慎重考虑。如果引入不当，那可能会对当地物种产生严重破坏。
5. 重金属植物修复的前景
近30年来植物修复已成为生态领域的一个热点问题，我国的起步相对较晚，但近年来也加大了研究力度。我国的植物资源丰富，为筛选生长速度快、生物量高的超富集植物提供了条件。另外随着分子生物技术、基因工程的发展，将外源基因导入植物体得到超富集植物或者具有特定可转化重金属的植物为植物修复提供了更大的发展空间。目前重金属在植物体内的作用机理上有很多未解决的问题，仍需要对机理进行深入研究。次外可将植物修复与其他修复技术结合起来，复合型的修复技术可以取长补短，更高效地进行污染修复。
参考文献
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[4]. Rovinson B, Russell C, Hedley M, et al. Cadmium adsorption by rhizobacteria: Implications for New Zealand pastureand [J]. Agric Ecosyst Environ. 2001, Vol 87:315～321
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[6]. 张军英，刘钊.植物修复重金属污染土壤在我国的发展前景[J].甘肃冶金.2003，Vol 25(4):27-30
[7].CunninghamS D ,O w D W. Terrestrial Higher Plants Which Hyperaccumulate Metallic Ele-ments[J].Biorecovery，1989, Vol 1:81-97 .
[8]. HeatonACP, Rugh CL et al .Phytoremediation of Mercury and Memury Polluted Soil Using Genetically Engineered Plants [J].J Soil Contam.1998, Vol 7(4):497一509
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[12]Jian Feng Ma, Peter R.Ryan and Emmanuel Delhaize.Aluminium Tolerence in Plants and the Complexing Role of Organic Acids.TRENDS in Plant Science. 2001, Vol 6(6):273-278
[13]. 徐昕，陶思源，郝林.用转基因植物修复重金属污染的土壤. 植物学通报 2004, 21 (5): 595~607
[14]. 顾继光，林秋奇，胡韧，诸葛玉平，周启星.土壤一植物系统中重金属污染的治理途 径 及其研究展望.土壤通报.2005，Vol 36(1):128-133
[15].曾学云，吴群河.重金属污染土壤植物修复基本机理及其发展方向.环境污染与防治.2004
[16].周启星，吴燕玉，熊先哲.重金属Cd一Zn对水稻的复合污染和生态效应[J ]. 应用生态学报，1994,5(4): 438一441