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植物修复技术的理解
植物修复技术的理解
植物修复技术（Phytoremediation）是近年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属污染的绿色生态技术。重金属超富集植物（hyperaccumulator）及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域,目前虽已有Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn等超富集植物发现的报道，但尚无一例报道来自于中国。中国具有广袤的国土面积、丰富的植物类型和多种（处）古老的矿山开采与冶炼场所，在中国开展超富集植物的寻找、研究与开发工作,将会有重要突破,并具有重要的理论与实践意义。
在工业废水、汽车尾气、农药和化肥施用的过程中都会排出大量重金属.金属矿山中的尾矿库也是环境体系中重金属污染的重要来源。随着土壤重金属污染的加重，农用耕地面积锐减，相当数量农田的土壤质量也日趋下降。尤为严重的是，有毒重金属在土壤系统中所产生的污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点。进入土壤的重金属元素在一定时限内不表现出对环境和作物的危害，但当其积累量超过土承受能力或土壤容量时,就会对作物和人体产生危害,从而导致严重的生态问题。
传统的土壤污染治理方法主要有基于机械物理或物理化学原理的工程措施，包括客土换土法、隔离法、清洗法、热处理法、电化学法等；基于污染物土壤地球化学行为的改良措施，如添加改良剂、抑制剂降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，以减轻污染物对生态环境的危害.土壤污染治理的工程学方法往往需要将污染土壤挖运后处理,不仅耗资大,而且破坏土壤微生物和土壤结构。因此,传统的治理方法并不能有效地解决重金属污染。近年，生物修复技术已经成为热点。其机制是植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力。具体包括:植物提取作用(Phytoextrac2tion）,即植物对重金属的吸收；植物挥发作用（Phytovolatiliza2tion),即利用植物将土壤中的某些重金属转化成气态而挥发出来;植物滤除作用(Pdaizotriltmtion)，即利用植物根孔通过水流移出土壤中重金属；植物稳定化作用（Phytostabilization），即利用植物将土壤重金属转变成无毒或毒性较低的形态(生物无效态）,但并未从土壤中真正去除重金属。植物修复技术是一门刚刚兴起的技术，具有许多优点.常用的生物提取法有2种。一种方法是通过超富集植物如Thlaspicaerulescens和Alyssum bertolonii等吸收1种或2种重金属。这种植物虽然获得很低的生物量,但在植物枝叶中重金属含量很高。另一种方法是通过生物量大的植物。这种植物对某种重金属没有吸收的专一性,在植物的枝叶中重金属的含量不高，但它有大量的生物量,因此也能吸收大量重金属.近年来重金属污染的植物修复技术受到了广泛关注,被誉为廉价的“绿色修复技术”。而超富集植物又是植物修复的基础，要研究超富集植物，就需了解以下几点：
1超富集植物的定义
众所周知，植物修复的前提是找到对某种(些）重金属具有特殊吸收富集能力的植物种或基因型，即重金属的“超富集植物”（Hyperaccumulator).超富集植物是指能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物.通常,超富集植物的界定可考虑以下两个主要因素:（1）植物地上部富集的重金属应达到一定的量;（2)植物地上部的重金属含量应高于根部。由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集质量分数界限也有所不同.目前采用较多的是Baker和Brooks即把植物叶片或地上部（干质量）中含Cd达到100μg/g,含Co、Cu、Ni、Pb达到1 000μg/g，Mn、Zn达到10 000μg/g以上的植物称为超富集植物。同时这些植还应满足S/R〉1的条件即转运系数（S和R分别指植物地上部和根部重金属的含量)。目前，世界上共发现有400多种超富集植物。
2超富集植物的选择
传统上选择超富集植物是通过植物的生物富集系数和转运系数即
生物富集系数=地上部植物中元素质量分数/
土壤中元素质量分数
转运系数=地上部植物中元素质量分数/
地下部植物中元素质量分数
但聂发辉在《关于超富集植物的新理解》中提出了这样的观点：“一般认为，生物富集系数大，且转运系数也大的植物，按常用标准是很好的超富集植物.实际上，即使植物地上部分元素质量分数大，转运系数也大（即地上植物器官与地下植物器官的元素质量分数比值大），但若在给定时期内植物地上部分生长量小,植物自地下部分向地上部实际转运的总量小,带走的污染元素量亦小，这一植物也没有修复价值。相对来说，生物富集系数和转运系数均小的植物，只要其生长量大，以至该植物的生长量与污染元素质量分数的乘积(即污染元素吸收总量）比其它植物的值大，该植物的污染元素的富集能力就强。在此我们举一个例子来说明.Baker等在英国洛桑试验站首次以田间试验研究了在Zn污染土壤（440μg/g)栽种不同超富集植物和非超富集植物对土壤Zn的吸收清除效果。结果表明，超富集植物T。caeulescens富集Zn是非超富集植物Raphnussatinus（萝卜)的150倍,富集Cd相应则是10倍.它每年从土壤中吸收的Zn量为30 kg/ hm，是欧盟允许年输入量的2倍，而非超富集植物萝卜则仅能清除1%的量。Baker同时也发现，尽管T。caeulescens吸收重金属能力很强，但由于其生物量小，需13~14 a的连续栽种才能将试验地的重金属含量修复到欧共体规定的临界标准(300μg/g)。而Brassicajuncea（印度芥菜)对重金属的富集能力虽不如T.caeulescens，但其生物量至少是它的20倍，因而显示B。juncea在植物修复上具有更大的潜力。Robinson等在法国南部利用盆栽和田间试验结合进一步研究了T.caerulescens修复污染土地的潜力，通过施肥，Thlaspicaerulescens的生物量增加了两倍，而其地上部Zn、Cd含量没有下降，但修复〈500μg/g的Zn污染土地仍需8.13 a，因此,传统的超富集植物的评价系数最大的缺陷忽略了对植物的生物量的讨论.”总的来说，考虑超富集植物的修复功能不仅要考虑其生物富集系数和吸收系数，还要考虑其生物量。
3。超富集植物的分类
3。1镍超富集植物　世界上第一种超富集植物最早由Min2guizzi和Vergnan发现.他们在富镍的土壤上发现一种植物（Alyssum bertolonii）,其叶片Ni含量高达10 mg/g(干重)。到目前为止，已发现了约450种金属超富集植物，其中多达330种是镍的超富集植物。在研究镍的超富集植物时，一般研究庭荠属Alyssum遏蓝菜属Thlaspi 柞木属Xylosma 叶下珠属Phyllanthus 苞复花属Geissois天料木属Homalium 鲍缪勒氏属Bornmuellera 鼠鞭草属Hybanthus等植物。
3。2　镉超富集植物　在低浓度时,镉对植物没有毒害作用；在高浓度时，镉能阻止植物根的生长和细胞的分裂.根据镉超富集植物的标准，只有几种植物属于镉超富集植物。Thlaspi caerulescens和Arabidopsis halleri、Thlaspicaerulescens在每千克干叶中含1 000 mg镉，Arabidopsis halleri在每千克地上部分中含157 mg镉。Solanum nigrum L和Echinochloa polystachya是最新发现的镉的超富集植物,对修复镉污染土壤非常有效
3。3　砷超富集植物　砷是一种剧毒元素.首先发现砷的超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata）的是MaL Q和陈同斌。目前被确定为砷的超富集植物有6种。它们都是蕨类,其中有5种属凤尾蕨属植物,即Pteris cretica var nervosa、Pteris fauriei、Pteris multifida、Pteris oshimensis和Pteris vittata,另一种是裸子蕨科（Hemionitidaceae）的粉叶蕨(Pityrogramma calomelanos)。而同属于凤尾蕨属的Pteris straminea和Pteris tremula没有富集砷的能力。研究表明，蜈蚣草对砷的富集能力没有南北的差异,说明对砷的富集能力是蜈蚣草的本质特征;凤尾蕨属的其他几种植物对砷的吸收也同样具有这种特性，如Pteris creticavar nervosa、Pteris multifida和Pteris oshimensis。
3.4　锰超富集植物　锰是一种重要的微量元素,在三羧酸循环中有重要的作用,但是植物暴露在过量的锰中，会引起锰中毒。根据1989年Baker和Brooks制定的标准，锰在植物干叶中占的比例大于1％，才可以被称为锰的超富集植物.现发现有11种锰超富集植物,其中有9种是由Reeves和Baker发现的，1种是在马来西亚发现的桃金娘科(Myrtaceae）、Eugenia属中还未鉴定的一个未知植物,另一种就是生长在澳大利亚昆士兰州的Austromyrtus bidwillii。有研究发现，Austromyrtus bidwillii可以生长在任何类型的土壤上。锰的超富集植物主要来自Apocynaceae、Celastraceae、Clusiaceae、Myrtaceae和Proteaceae等属。在日本发现的五加科（Arali2aceae)植物Eleutherococcus sciadophylloides（过去称为Acan2thopanax sciadophylloides）,其叶片中的锰含量可高达7 900μg/g干重。自2000年以来,对位于湖南省湘潭锰矿污染区的植物和土壤进行了一系列的野外调查,发现商陆科植物商陆对锰具有明显的富集特性,叶片内锰含量最高达19 299 mg/kg。这一发现填补了我国锰超富集植物的空白，为探讨锰在植物体中的超富积机理和锰污染土壤的植物修复提供了一种新的种质资源.目前关于锰在超富集植物组织中的化学
形式和分布的研究还比较少。
4。超富集植物富集重金属的机理
植物重金属超富集可能是由多基因控制的复杂过程,涉及重金属离子在根部区域的活化、吸收，地上部运输、贮存以及忍耐等方面。目前其机理研究主要集中在少数超富集植物,如拟南芥属植物Arabidopsis halleri、遏蓝菜属植物Thlaspicaerulescens和Thlaspi goesingense、庭芥属植物Alyssumlesbiacum等.其中大部分研究结果来自于Zn/Cd超富集模式植物T caeru lescens与Ni/Cd超富集植物T goesingense.Tcaeru lescens的茎叶部可累积高达30 000μg/g的Zn、4 000μg/g的Cd，而未表现出任何中毒症状；T goesingense茎叶部能够累积高达12 400μg/g的Ni。植物生长在含高浓度重金属的土壤上会出现一些生化响应，如产生一些抗氧化酶和含巯基物质.植物可以通过抗氧化系统以消除自由基。抗氧化系统主要分成2种:①低分子量的抗氧化剂,包括膜上的脂溶性抗氧化剂(α2维生素E、β2胡萝卜素）和水溶性的还原剂（GSH和抗坏血酸盐）；②抗氧化物酶,包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、GPX、APX。在细胞防御机制中,GSH被认为是最重要的抗氧化剂。随着细胞中重金属浓度的升高，GSH的浓度也升高。在防御系统中SOD清除活性氧，产生H2O2,H2O2被CAT、APX、和GPX酶清除。已有报道，在重金属存在的条件下,这些酶的活性会提高。
4。1　转运蛋白　对于超富集植物而言，Zn的吸收过程研究相对较清楚。通过与酵母突变株进行功能互补,Pence等在具有富Zn能力的T caerulescen（褐蓝菜属）中克隆到znt1基因片断[25］。znt1编码Zn2+转运蛋白，属ZIP基因家族,缺Zn和Zn供应充足条件下均可以在根系和叶片中高量表达，表明它可能是组成型表达;对于不具有富Zn能力的T。arvense而言,znt1主要在缺Zn条件下表达，供Zn时表达明显受到抑制.这种不同的表达方式很可能是造成Thlaspi富Zn能力差异的主要原因之一。但是,目前还不能肯定转运蛋白在超富集植物吸收重金属方面起到决定性作用。
4.2　谷胱甘肽　许多金属离子是植物必需的微量养分.它们参与植物体内众多的生理代谢过程.但如果金属离子含量过高，尤其是具有氧化还原活性的金属,则会对植物产生毒害作用.这种毒害作用很可能是由于自由基的形成造成的。GSH含有巯基,具有很强的氧化还原特性，可有效地清除活性氧等自由基,因此GSH在植物抗逆境胁迫中起重要作用。许多人推测，GSH在超富集植物富集重金属过程中起重要作用。但是,黄泽春等发现在大叶井口边草中As主要与氧配位，在根部有些砷与谷胱甘肽结合,但是在羽叶中没有发现As与GSH结合[26]。这表明大叶井口边草中砷的主要解毒机制并不是As与GSH结合,说明超富集植物可能具有与一般耐性植物不同的重金属解毒机制.
4.3　植物螯合素　植物螯合素(PCs）由植物体内一系列低分子量、能够结合金属离子的多肽组成。PCs不能由基因直接编码，必须在PCs合成酶的催化下完成。现已明确PCs在植物解Cd毒中起到重要作用。PCs2Cd复合物是Cd由细胞质进入液泡的主要形式。正是由于PCs在重金属离子区室化中所起的重要作用,近年来PCs已成为植物抗重金属胁迫的研究热点之一。通过螯合作用固定金属离子，可以降低其生物毒性或改变其移动性，降低细胞内自由金属离子,避免新陈代谢产生紊乱。
4。4　金属硫蛋白　金属硫蛋白（MT)是自然界中普遍存在的一种低分子量、富含半胱氨酸的蛋白质。它与PCs的本质区别在于MT由基因直接编码,而PCs在PCs合成酶的催化下完成.与PCs一样,金属硫蛋白能够通过巯基与金属离子结合，从而降低重金属离子的毒性,对于Zn2+和Cu2+的解毒效果尤为明显.
4.5　具体植物的解毒　陈同斌等发现，在不加砷的条件下，蜈蚣草吸收的少量砷主要被固定在细胞壁上；在加砷条件下,蜈蚣草羽片砷积累量占植株总砷量的78％,其中羽片积累的砷有78%分布在羽片胞液中，整株植物累积的砷有61%富集在羽片胞液中，而细胞器始终维持较低的砷浓度水平。蜈蚣草羽片胞液是砷的主要储存部位,细胞液对砷具有非常明显的区隔化作用。这种区隔化作用可能是蜈蚣草能够解除砷毒的重要原因。
5结论
植物修复的关键在于找到合适的超富集植物。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.