重金屬污染土壤的植物修復技術研究進展目錄土壤重金屬污染來源現狀植物修復概念類型應用實例超積累植物吸收重金屬的生理及分子生物學機制對重金屬的 耐性和解毒 機制對重金屬的 活化和吸收 機制對重金屬的 轉化和富集 機制問題和展望參考文獻一、土壤重金屬污染來源：工業污染（工廠排放的煙塵、廢氣、固體廢棄物、工業廢水等）農業污染（農藥、化肥、飼料等）交通運輸（汽車尾氣、輪胎磨損等）現狀：表1是今年對中國各城市土壤重金屬含量的統計，可見，Cdg標的城市最多，16%的城市C的量超過土壤環境質量二級標準，36%城市的C的量為土壤環境質量二級標準的一半；As、Hg>Cr均未超過土壤環境質量二級標準；僅有金昌市的Cuf^量超標,Cu含量達到標準含量一半的城市約占30%;約73%S市的Ni含量接近土壤環境質量二級標準的一半；4^47哪市的H價量接近土壤環境質量二級標準的一半?？梢?，重金屬CdS全國已造成一定程度的污染，而且在大多城市存在污染風險，同時Ni、Hg>Cu&存在一定白^污染風險[1]。二、植物修復植物修復:將某種特定的植物種植在重金屬污染土壤或水體中，利用植物及其根系微生物對污染土壤、沉積物、地下水和地表水中的污染物進行清除的一種有效的綠色修復技術。優點：成本低、美化景觀、重金屬可部分回收、經濟盈利、應用面積大和不造成二次污染等優勢，還具有提高土壤通氣效率及減少表面土壤侵蝕等間接效果，因此植物修復技術是一種高效、經濟和生態友好的新興綠色技術 [2]。植物修復的類型：植物提?。豪媒饘俑患参锘虺患参飳⑼寥阑蛩w中的重金屬轉運到植物的地上部分，再通過收獲植物將重金屬移走，以降低土壤或水體中的重金屬含量的過程。植物揮發：通過植物和根際微生物的作用，將環境中揮發性污染物吸收到體內后再將其轉化為毒性小的揮發態物質，釋放到大氣中，不需收獲和處理含污染物的植物。植物過濾：利用植物龐大的根系和巨大的表面積，從污染的水體中吸收、濃集、沉淀重金屬元素，再將植物收獲達到治理水體重金屬污染的目的。植物穩定：耐性植物利用其自身的機械穩定作用和吸收沉淀作用來固定土壤中重金屬的方式，可以降低重金屬的生物有效性和防止其進入水體和食物鏈，從而降低其對環境的污染風險。水力泵技術：是利用一些根系深且發達的速生植物強大的蒸騰作用，將植物作為一種生物泵來減少地表污染物下滲進入地下水或流入地表水體的技術 [3]。植物修復技術應用實例.植物穩定(1)保護污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來防止金屬污染物的淋移。例如：英國的科學家在廢礦區種植耐重金屬植物， 并輔施大量化肥，不僅能穩定礦山廢物，而且能建立良好的植被，同時選出了3種植物用于重金屬污染土壤的修復，并已開始商業化，即Agrostistenuis(Goginan)修復酸性Pb/Zn的廢礦，Festucarubra(Merlin)修復石灰性Pb/Zn廢礦，Agrostistenuis(Parys)修復Cu廢礦[4]。(2)通過金屬在根部積累和沉淀或根表吸持來加強土壤中污染物的固定。例如：該方法最有應用前景的例子是PbffiCr的鈍化。一般來說，土壤中Pbl勺生物有效性較高，而Pb磷磷酸鹽礦物則比較難溶，難以被生物所利用，所以植物固定技術主要應用于礦山廢棄地、城市垃圾填埋場、污水處理廠、污泥和各種污染土壤的修復。適用于固化污染土壤的理想植物，是一些忍耐性高、根系發達的多年生常綠植物，如高山甘薯、九節木薯、天藍遏藍菜等[5]o.植物揮發研究表明，很多植物能吸收污染土壤的 Se,并將其轉化為可揮發態的二甲基二硒或二甲基硒，土壤中的Se是以一種與硫類似的方式被植物吸收的，而在植物體內，硫通過ATPj^化酶的作用還原為含硫化合物。PilonSmits等運用分子生物學技術證明印度芥菜(BrassicaJuncea)體內S3勺還原作用也是由該酶催化的，而且該酶是硒酸鹽同化為有機態硒的主要限速酶； 同時也發現根際細菌在植物體內硒化合物的還原、同化為有機硒過程中發揮著重要作用，它能促進硒酸根通過質膜進入根內，從而促進植物對硒的吸收[6]oZayed等已經發現一些商業性蔬菜作物的植物揮發作用明顯，其中花椰菜對 Se的年移出量較大，此外，卷心菜、胡蘿卜、水稻等都有一定程度的吸收作用[7]。Heaton等利用轉基因水生植物鹽蒿和陸生植物擬南芥、煙草來移除土壤中的無機H中口甲基Hg,這些植物攜帶有經修飾的細菌的HgiS原酶修飾基因merA可將根系吸收的HgU子轉化成低毒的Hg,從植物體中揮發出來[7]。.植物過濾適用于根系過濾技術的植物，主要有水生植物、半水生植物，也有個別陸生植物，如各種耐鹽野草、向日葵、寬葉香蒲等。此類技術則較適合于水田、池塘以及水體的重金屬污染治理 [8]。.植物提取-超積累植物是關鍵通常，超積累植物的界定可考慮以下因素：（1）超積累植物的生物富集系數 （植物地上部分重金屬含量與土壤重金屬含量的比值）＞1;（2）植物地上部分重金屬含量與根中重金屬含量的比值〉 1,這表明植物能有效地把重金屬從根轉運到地上部分；（3）超積累植物對重金屬具有耐性能力，能解除重金屬對植物造成的毒性。但是由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在差異，所以不同重金屬對應的超富集植物的定義或濃度界限也有所不同[9]。目前，采用較多的是由Baker等提出的富集濃度參考值，即植物葉片或地上部（干重）中含Cd4到100仙g/g,含PBCoCu＞Ni達到1000Ng/g,Mn、Znte至M0000仙g/g以上,S（植物地上部重金屬含量）/R（根部重金屬含量）＞1的植物稱為超富集植物[9]。三、超積累植物吸收重金屬的生理及分子生物學機制【解毒機制】原理：超積累植物體內,有85%-90%的重金屬離子是與植物體內金屬配位體結合形成螯合物,從而限制了金屬在植物體內的移動性 ,達到解毒的目的。金屬配位體包括脯氨酸、組氨酸等氨基酸中的羧基、氨基、巰基等功能團，有機酸和植物在重金屬脅迫下產生的一些新的蛋白，如包含疏基的金屬硫蛋白、植物鰲合素和谷胱甘肽等 [16]。例如：植物螯合肽 （PCs）是植物體內一類重要的非蛋白質形態富半胱氨酸的寡肽 ,被看成是第三類MTs（植物金屬硫蛋白），參與植物體內重金屬解毒過程。PCS!過巰基與金屬離子整合形成無毒化合物,減少細胞內游離的重金屬離子 ,從而減輕重金屬對植物的毒害作用。Inouhe等研究發現，赤豆細胞對Cdft感,Cd處理不能誘導其合成PCs,原因在于該細胞系缺乏PC價成酶活性；同時,PCs在植物中主要是作為載體將金屬離子從細胞質運至液泡中發生解離，因而PCs寸重金屬毒性的緩解取決于其形成復合物的速度或跨液泡膜的轉運速度 ,而非其在細胞中的濃度[17]Zhuetal將大腸桿菌的gshl與gsh2分別轉入芥菜(Brassicajuncea),發現該植物的耐Cd性與富集能力土§有明顯提高，且耐性和富集能力還與gsh2的表達成正相關，這一結果證明了gsh有助于植物對Cd3勺解毒作用.[18]轉MT次變體aa煙草可在含300仙mol?L-1CdW培養基中正常生長，過量表達哺孚L動物MTs勺煙草可以在100-200Nmol?L-1CdF正常生長，而對照野生煙草在100-200Nmol?L-1CdT生長嚴重受到抑制.[19]【吸收機制】原理：根際土壤中溶解的重金屬可通過質外體或共質體途徑進入根系。大部分的金屬離子通過專一或通用的離子載體通道蛋白進入根細胞 ,非必要的重金屬可以與必要金屬競爭膜轉運蛋白,以離子形態或者金屬螯合物形態進入根細胞。例如：研究發現，Zn的超富集植物T.caerulescens(遏藍菜的一個種)和非超富集植物T.arvens存在同一類運輸蛋白,但由于T.caerulescens的根細胞膜上具有更多的運輸蛋白,從而使其根系從土壤中吸收到更多的Zn[21]。從另一個側面可以說明,超富集植物對重金屬的吸收有很強的選擇性 ,因為重金屬通過根細胞膜進入根細胞時是由專一性的通道蛋白調控的?！巨D運和富集機制】原理：金屬離子從根系向地上部分的轉運過程主要發生在木質部。此過程主要受2個過程的控制:從木質部薄壁細胞轉載到導管和在導管中運輸 ,后者主要受根壓和蒸騰流的影響。木質部存在大量能夠與金屬離子結合的有機酸和氨基酸 ,這種絡合態是重金屬離子在木質部中運輸的主要形式。例如：Zn2+在超富集植物T.caerulenscens的木質部導管中的運輸速率很快，且木質部汁液中的Zn2+濃度大約是非超富集植物T.arvens的5倍[22]。四、問題和展望【局限性】植物修復需時長，惡劣的氣候條件等因素會影響植物的生長，進而影響植物修復的效率 ;如果污染物濃度過高，超積累植物對污染物的積累量是有限的，修復效率不高。目前重金屬污染土壤的植物修復技術還處于田間試驗與示范階段 ,尚未做到大規模推廣,對修復成本、修復植物后續處置風險等環節也尚未進行系統評價 ,因此還需更多的田間結果來支撐這種技術的研究和發展。目前發現的超富集植物還不太多,且大多數只是對某一種重金屬具有超富集性,還未發現具有廣譜重金屬超富集特性的植物,這在當今土壤污染多是復合污染的情況下應用有一定局限性；目前發現的超富集植物大都比較矮小,生物量較低 ,生長比較慢 ,修復污染較嚴重土壤的周期長，且大多根系較短，只能清除土壤表層的重金屬；(6)目前對超富集植物吸收重金屬的機理研究，特別是對超富集植物根吸收重金屬并轉運到地上組織以及重金屬的累積與忍耐等一些生理生化機制的研究進展緩慢，阻礙了超富集植物分子生物學機制以及轉基因超富集植物的研究?！菊雇?1)加強對超富集植物資源的生物修復性狀優異種質的篩選和發掘 ，同時充分運用分子生物學和基因工程等先進育種技術；(2)建立和完善邊生長邊修復的技術體系和生態體系；(3)深入開展復合金屬污染土壤的修復技術研究；(4)建立完善的植物修復工藝、設備、裝置；(5)加強研究超富集植物修復重金屬污染的強化措施；(6)開展以植物修復為核心的化學、微生物、聯合修復技術；(7)促進植物修復技術應用推廣。參考文獻[1]胡蝶，陳文清.土壤重金屬污染現狀及植物修復研究進展.安徽農業科學,2011,39(5):2706-2707,2710[2]徐禮生，吳龍華，高貴珍,曹穩根，陳志兵，徐德聰,駱永明.重金屬污染土壤的植物修復及其機理研究進展，地球與環境，2010,38(3):372-377[3]陳興蘭，楊成波.土壤重金屬污染、生態效應及植物修復技術.環境整治,2010,3:58-62.[4]胡鵬杰，吳龍華，駱永明.重金屬污染土壤及場地的植物修復技術發展與應用 .環境監測管理與技術,2011,23(3):39-42[5]白潔，孫學，王道涵.土壤重金屬污染及植物修復技術綜述.生態環境2011,22(2):49-51[6]劉孝敏，趙運林，度瑞銳.重金屬復合污染植物修復的研究進展 .貴州農業科學,2011.39(10):214-218[7]張俊，付蓉蓉.土壤重金屬污染物來源及植物修復技術研究進展 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