植物修復

重金屬的植物修復

摘要

本文綜述了重金屬植物修復的基本機理、目前的進展和展望。目前植物修復重金屬主要

包括了植物提取、植物揮發、植物固化和根系過濾等幾種技術，通過在植物體吸收轉化、與

植物體內物質絡合和轉化為揮發性物質進入大氣等機理減輕重金屬的污染程度。重金屬種類

及其形態、溫度、pH和根系微生物等因素都會影響植物修復的效率。植物修復與傳統的修

復技術相比，具有很大的優越性，但同時也有其局限性。

關鍵詞：

重金屬污染，植物修復，超積累植物

引言

隨著工業的發展，土壤和水域的重金屬污染已成為全球一個嚴峻的問題。據統計，我國

約有3萬多hm

2

土地受汞的污染，有1萬多hm

2

土地受鎘的污染，每年僅生產“鎘米”就達5萬

t以上，而每年因污染而損失的糧食約1200萬t

[1]

。重金屬污染具有穩定性高、不可逆和后果

嚴重等特點至今沒有找到理想的治理方法，而傳統的工程、物理和化學等手段因耗資大、易

產生二次污染等原因限制了其在修復重金屬上的應用，因此需要探索在不破壞生態環境的情

況下治理重金屬污染的新途徑

[2]

。

植物修復(Phytoremediation）是利用綠色植物來轉移、容納或轉化土壤或水體中的污染

物使其對環境無害

[3]

。植物修復的對象是重金屬、有機物或放射性元素污染的土壤及水體。

植物修復是一種很有潛力、正在發展的清除環境污染的綠色技術,也是一門正在崛起并涉及

土壤學、植物學、分子生物學、基因工程學、環境工程等多門學科的新興邊緣學科。它具有

成本低、不破壞土壤和河流生態環境、不引起二次污染等優點。自20世紀90年代以來,植

物修復成為環境污染治理研究領域的一個前沿性課題

[4]

。

1.植物修復重金屬的途徑

重金屬污染植物修復技術主要有：植物提取(Phytoextraction)、植物揮發

(phytovolatilization)、植物穩定或固化(Phytostabilization)和根系過濾(Rhizofiltration)。

1.1植物提取

植物提取是利用重金屬富集能力較高的植物的吸收和轉運，將土壤中的一種或幾種重金

屬轉移并儲存在地上部分，隨后收獲地上部分并集中處理。能應用于植物提取的植物往往是

一些超積累植物

[5]

。超積累植物(Hyperaccumulator)是指在地上部能夠較普通作物累積10-500

倍重金屬的植物

[6]

。積累的Cr,C艾青的現代詩 o,Ni,Ca,Pb的含量一般在0.1%(干重)以上，積累的Mn,Zn

含量一般在1%(干重)以上。目前已發現能富集重金屬的超積累植物500多種，其中有360多種

是富集Ni的植物

[7]

。而這些植物主要集中在十字花科。植物提取的關鍵是所用的植物生長快、

生物量大、抗病蟲能力強，以及具備較強的多種金屬的富集能力

[5]

。

1.2植物揮發

植物揮發指通過植物的吸收促進某些重金屬轉移為可揮發態，揮發出土壤和植物表面，

達到治理土壤重金屬污染的目的。有些元素如Se、As和Hg通過甲基化揮發，大大減輕土壤

的重金屬污染。運用分子生物學技術將細菌體內對汞的抗性基因(汞還原酶基因)轉導到植物

(如煙草和郁金香)中，進行汞污染的植物修復。研究證明，含抗性基的植物，可以在通常生

物中毒的汞濃度條件下生長，而且還能將吸取的汞還原成揮發性的單質汞

[8]

。但植物揮發將

土壤中的重金屬轉移至大氣，其應用有一定的局限性。

1.3植物固化

植物固化指的是利用植物根際的一些特殊物質使土壤中污染物轉化為相對無害物質的

一種方法，從而減少其對環境和人類健康的風險。在這過程中土壤重金屬的含量并不減少，

只是暫時將其固定，其中包括分解、螯合、氧化還原等多種過程。SaltD.E.等人在1995通過

實驗證明植物能將六價鉻轉變為三價鉻，從而減小了傷害性。

1.4根際過濾

根際過濾指將特定的植物種植在重金屬污染的水體中，利用植物龐大的根系和巨大的表

面積過濾、吸收、富集水體中重金屬元素后，將植物收獲處理，達到治理水體重金屬污染的

目的。種苗過濾法市較有潛力的修復技術。研究發現蓖麻種苗過濾對鉛、鎘和銅的去除都有

較好的效果。

2.植物修復重金屬的機制

2.1吸收和轉運

目前發現的金屬離子吸收轉運系統包括鋅鐵轉運蛋白家族(ZRT,IRT-likeProteins,ZIP)和

nramp(naturalresistanceassociatedmacrophageproteins)。ZIP蛋白一般由309~476個氨基酸組

成，其主體分布于細胞膜中，C末端和N末端位于膜外，而一個富含組氨酸的可變區位于膜

內，可能是金屬結合區

[10]

。ZIP蛋白參與Zn

2+

和Fe

2+

吸收及跨膜運輸，也可能與Mn

2+

、Co

2+

、

Cd

2+

和Cu

2+

吸收有關。Nramp可能與Cd

2+

和Cu

2+

吸收轉運有關。

2.2絡合

植物體內普遍存在的一種重金屬脫毒機制是配體與重金屬離子的絡合，如有機酸、氨基

酸和多肽等都可作為配體以不同方式與重金屬絡合并脫毒

[11]

。如在酸性土壤中受鋁脅迫的

一些植物會分泌蘋果酸、檸檬酸等有機酸與鋁螯合或在根內部螯合，從而降低三價鋁含量[12]

。植物絡合素(phytochelatin,PC)是另一類是一類短肽的總稱，Cd可與其產生PC-Cd復合

物進入細胞的液泡內

[13]

。Ag、Cu、Hg和Pb等離子都能誘導PC合成，說明可能也能與這些

金屬絡合。另外金屬硫蛋白(metallothionein，MT)是普遍存在于植物體內，能與金屬結合的

一類多肽的總稱。它由核基因編碼，低分子量，富含半胱氨酸，離設計合同 體實驗表明，MT通過硫

鍵與一系列重金屬及類似物結合，對下列離子的結合親和力依次為：Bi(Ⅲ)＞Hg(Ⅱ)＞

Ag(Ⅰ)＞Cu(Ⅰ)＞Cd(Ⅱ)＞Pb(Ⅱ)＞Zn(Ⅱ)。

2.3轉化為揮發性物質

汞主要是以液態Hg(0)和二價Hg(Ⅱ)進入環境。其中Hg(0)毒性較小，且易揮發，所以不

會對環境構成威脅。Hg(Ⅱ)相對劇毒，在溶液中Hg(Ⅱ)極易被厭氧菌轉變為甲基汞(MeHg)，

MeHg對人類和動物是劇毒的。細菌汞代謝操縱子中有兩個基因merA和merB。將merA以

組成型表達方式轉入多種植物中，能介導轉基因植物將Hg(Ⅱ)轉化為Hg(0)并揮發出體外。

基因merB編碼產物MerB是一種有機汞分解酶,將MeHg分解為CH4和Hg(Ⅱ)。

3.影響植物修復的因素

重金屬種類及其形態是影響植物修復效率的主要因素，另外土壤或水體的因素比如pH

也會產生影響。

3.1重金屬種類及其形態

各種植物對不同重金屬的修復效率不一樣，因此可以富集多種重金屬的超富集植物在植

物修復中有很大價值。而且在修復過程中要根據污染源中重金屬種類和濃度配給不同的植物

搭配，以最大化去除重金屬。重金屬在土壤或水體中的存在形式（價態、結合與不同的陰離

子等等）影響到了其可被植物吸收的有效濃度，存在形式受到pH等因素的影響。

3.2pH

pH會影響重金屬的活性。如pH升高時土壤對鉛的吸附性增大，而且會生成碳酸鹽沉淀，

使鉛活性下降，從而降低了植物的吸收量

[14]

。

3.3根系微生物

菌根真菌除了菌絲本身能夠吸收重金屬外，其侵染植物根系后改變根系分泌物的數量和

組成,進而影響根際圈內重金屬的氧化狀態,同時也能使根系生物量、根長等發生變化,從而

影響重金屬的吸收和轉移。根際圈細菌對重金屬的吸附,可以降低其可移動性和生物有效性,

從而對污染土壤起到修復作用

[15]

。

3.3溫度

溫度會影響到植物的生長，在最適溫度時職務的生長最快，得到的生物量最大，重金屬

的博美怎么養 修復速度加快。同時溫度也影響到重金屬離子的活性、水體泥對重金屬的吸附等等。

3.4重金屬與其它元素的作用

Cd和Zn通常是伴隨而生的，具有相似的化學性質和地球化學行為，因而Zn具有拮抗Cd

被植物吸收的特性。實驗證明，土壤中適宜的Cd/Zn比，可以抑制植物對Cd的吸收

[16]

。另外，

重金屬也可與養分元素發生作用，對根系吸收位進行競爭或者影響植物的生理生化過程。如

施加氮肥可以促進植物對水體中鎘的吸收。

4.植物修復重金屬污染土壤或水域的優缺點：

植物修復最為新型的綠色污染處理方式，與傳統修復技術相比有其優越性。首先作為一

種生物修復它的首要特點是投資和維護的成本低、操作簡單，不需要大量機械設備或進行工

廠建設。其次，不需要添加化學試劑，不會產生二次污染。第三，處理過程可與城市景觀結

合，有良好的生態效益。第四是可通過收割、灰化植物體提取金屬。另外這是一種原位修復，

從而也降低了投入。

但是植物修復也有其劣勢，如超積累植物往往植株矮小，生物量較低，生長速度慢，生

長周期長。由于植物富集能力的限制，植物修復的時間比其他方式要長，而且要占用比較大

的土地面積。受到土壤水分、鹽度、酸堿度的影響，植物修復很難在實際中應用。另外引入

的超富集植物和轉基因植物對當地的生態系統的影響還需要慎重考慮。如果引入不當，那可

能會對當地物種產生嚴重破壞。

5.重金屬植物修復的前景

近30年來植物修復已成為生態領域的一個熱點問題，我國的起步相對較晚，但近年來也

加大了研究力度。我國的植物資源豐富，為篩選生長速度快、生物量高的超富集植物提供了

條件。另外隨著分子生物技術、基因工程的發展，將外源基因導入植物體得到超富集植物或

者具有特定可轉化重金屬的植物為植物修復提供了更大的發展空間。目前重金屬在植物體內

的作用機理上有很多未解決的問題，仍需要對機理進行深入研究。次外可將植物修復與其他

修復技術結合起來，復合型的修復技術可以取長補短，更高效地進行污染修復。

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