张冬梅 张春英 罗玉兰

　　摘要: 随着城市的飞速发展，重金属对土壤的污染问题越来越严重。针对重金属离子在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，利用土壤物理改性和化学处理等方法均达不到预期效果。而植物修复技术以其安全、廉价、可持续、快速清除土壤重金属污染的优势成为研究和开发的热点。本文对植物修复的国内外研究现状、前景以及研究和发展方向进行了综述。
　　关键词： 重金属污染 植物修复技术 超累积植物 菌根技术 基因工程

　　近些年，有目共睹的工业化大发展在带给人们富裕生活的同时也给人们的生活带来一系列问题。多种含重金属的污染物通过种种途径进入土壤，造成土壤中相应的重金属富集，从而导致土壤肥力降低，农作物产量和品质下降，并通过食物链危及人们身体健康。飞速发展的城市化建设使得该问题愈发严重，解决城市中的污水处理厂、建筑垃圾、生活垃圾填埋场的土壤治理和环境污染问题显得愈发重要。
　　土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，因此治理和恢复的难度大。尽管治理重金属污染常用的客土法、石灰改良法、化学淋洗法等技术有一定的理论意义，但在实际应用上往往都存在某些局限，沉淀法会导致某些土壤营养元素的沉淀；淋洗法会同时造成营养元素的淋失；客土法虽效果较好，但费用昂贵，难以大面积工程推广。而与土壤物理改性和化学处理方法相比（中国农业持续发展和综合生产力研究，1995），植物修复技术（Phytoremediation）以其安全、廉价、可持续、快速清除土壤重金属污染的优势成为研究和开发的热点（Suresh B & Ravishankar 2004）。目前，美国、英国都设立了植物修复公司，如美国的Edenspace公司和英国的洛桑试验场。而国内尚未系统开展这方面的研究。

　　一、植物修复的研究概况
　　1.重金属离子超富集植物的筛选研究
　　植物修复技术以植物忍耐、分解或超量积累某些化学元素的生理功能为基础，利用植物及其共存微生物体系来吸收、降解、挥发和累积环境中的污染物。根据作用过程和机理，分为植物稳定（Salt et al., 1995）、植物提取( Kumar 1995)、植物挥发(Watanabe et a.,l 1997) 和根系过滤（Dushenkkov et al.,1998)四种类型。植物稳定主要是利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性；植物提取是利用重金属超累积植物从土壤中吸取金属污染物，随后收割地上部并进行集中处理，连续种植该植物，达到降低或去除土壤重金属污染的目的；植物挥发是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染；根系过滤主要是利用植物根系过滤沉淀水体中重金属的过程，该方面的研究多涉及水生植物的吸附能力，减轻重金属对水体的污染程度。
　　目前，国内外已发现有400多种超累积植物，涉及对镉Cd、钴Co、铬Cr、铜Cu、锰Mn、镍Ni、铅Pb、锌Zn等重金属离子。目前的植物修复技术基本上还处于试验摸索阶段，大规模的工程应用较少。试验研究主要集中在营养液培养试验和盆栽试验，涉及到Zn/Cd离子（Reeves & Baker，1984； Shen et al.,1997）、Ni离子（Morrison et al., 1980）、Co、Mn、Ag、Mo、Cr、Cu、Fe和Pb离子（Baker，1994）。
　　真正进入大田试验的不多（Baker，1994）。Baker（1994）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）栽种不同超累积植物和非超累积植物对土壤Zn的吸收清除效果。Baker同时也发现，尽管T.careulesences吸收重金属能力很强，但由于其生物量小，需13—14a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Brassica juncea（印度芥菜）对重金属的累积能力虽不如T.careulesences，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。目前，英国、澳大利亚和日本等国,对重金属有高耐受性的植物培育工作已步入商业化,包括有对单一金属和多种金属耐受的植物，如旱柳〔Salix matsudana Koidz〕幼树能在Cu污染土壤中生长；加拿大白杨(Populus canadensis Moench)幼苗能累积Hg；还有桦树可以耐受铅和锌。
　　但来自中国的报道相对较少。唐世荣曾对中国长江中下游安徽和湖北境内的铜矿区富铜植物含铜（干重）量进行测定，但未能证实这些植物特殊的超累积能力，建议进一步开展这些植物在人工驯化干预下条件下的超累积试验，深入揭示这些植物作为超累积植物应用于植物修复的可行性（Tang 1999）；另有报道，通过对中国中南部一些炼砷区的植被和土地污染状况的考察、采样和室内盆栽试验和化学分析，首次发现了一种As的超蕨类植物，其叶片含As高达5000μg/g，每平方米收割的植物地上部鲜种可达3.6Kg，显示其具有很大的植物修复潜力（韦朝阳和陈同斌，2008）。
　　目前，在中国有关重金属离子超累积植物应用与污染土植物修复技术的系统性研究还未见报道。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，在中国开展重金属离子超累积观赏植物的收集、研究，并在城市环境绿化中得以推广应用具有重要的理论与实践意义。
　　2.应用菌根技术提高植物修复能力的研究
　　菌根技术结合超累积重金属离子植物筛选应用于植物土壤修复,正成为当前土壤生态环境恢复研究的热点。利用菌根真菌侵染植物后可与植物根系共生形成菌根，菌根形成后能提高植物根系对重金属的耐性和吸收，目前这方面的研究越来越受到重视。丛枝菌根 （Arbuscular mycorrhiza, AM）是自然界中分布最广的一类菌根，AM真菌能与陆地上绝大多数的高等植物共生，常见于包括重金属污染土壤在内的各种生境中。自从Bradley等在Nature上报道石楠菌根降低植物对过量重金属Cu和Zn的吸收以后人们对AM与重金属的研究也产生了浓厚的兴趣（Bradley et al., 1981）。在重金属污染条件下AM真菌可以改善植物生长状况，减轻重金属对植物的毒害，影响植物对重金属的吸收和转运，加快土壤中重金属元素的植物提取或植物稳定。因而在重金属污染土壤中菌根-植物修复受到越来越多的关注。以前大多数研究者认为AM真菌只是涉及非积累植物重金属超累积植物一般不形成菌根(Cole et al., 2001)，尤其是十字花科的植物(Salt & Kramer, 2000)。超累积植物与根际微生物包括AM 真菌之间的相互作用也没有引起人们的重视(Leyval, et al.,1997)。近来有报道发现某些重金属超累积植物也可以形成丛枝菌根(Turnau et al.,2003; Liu et al.,2005; Leung et al.,2006; Al agely et al.,2005; Trotta et al.,2006; Chen et al., 2006)，包括十字花科的超累积植物(Regvar et al., 2003; Vogel et al.,2005; Vogel-Mikus,2006;)，并在盆栽条件下研究了AM 真菌对超累积植物的影响(Turnau et al.,2003; Liu et al.,2005; Leung et al.,2006; Al agely et al.,2005; Trotta et al.,2006; Chen et al., 2006)。有研究发现，接种AM 真菌提高镍Ni 超累积植物B. coddii 地上部生物量和镍浓度，并与不同AM 真菌的耐性和植物-真菌共生特性有关（Turnau et al.,2003）。在另外的一些研究中，在砷污染条件下AM 真菌同时提高蜈蚣草地上部的生物量和砷浓度从而显著增加了砷的提取量（Leung et al.,2006; Al agely et al.,2005; Trotta et al.,2006），AM真菌可以促进As 从蜈蚣草从根部向地上部转运（Trotta et al., 2006）。
　　植物与菌根真菌生物修复的关键在于筛选有较强降解能力的菌根真菌和适宜的共生植物，使两者能相互匹配形成有效的菌根。目前，在中国这方面的研究还很少。
　　3.利用基因工程改良植物提高植物富集和抗重金属离子能力的研究
　　很明显，环境中很多有害重金属离子是通过植物进入人体造成健康危害。如果我们能培育出抗重金属离子但不在植物体内累积，甚至能排出被动吸收的重金属离子的植物，则可避免这一毒害途径。另一方面，如果我们能培育出对重金属离子具有特殊耐性和富集能力的“超富集植物”，在污染土壤中种植后可以迅速将大量的污染物吸收和富集到植物体中并运输到植物地上部分，通过收割植物地上部分就可以从土壤中带走大量的重金属离子，从而达到去除土壤污染物的效果。因而，利用植物治理环境中重金属离子污染和培育不受重金属离子污染的植物的关键是了解和应用植物抗重金属离子的机制，进而培育出具有超富集重金属离子或排重金属离子能力的植物。
　　根据很多重金属离子毒性元素的自然存在，一些植物有机体在进化过程中发展了自身的抗重金属离子机制。目前一般认为生物体抗重金属离子主要有四种机制：一是减少对重金属离子的吸收；二是将重金属离子再排出细胞外；三是形成蛋白或肽与重金属离子的螯合物并在细胞内隔离起来；四是将一般来说毒性较大的无机重金属离子转变成低毒或无毒的有机重金属离子化合物以减小对细胞的危害（Rosen 1999；Meharg 2002）。对于陆生高等植物的研究, 一般认为第一和第三机制在植物中存在较普遍, 其中关于金属螯合肽的作用报道较多，而有关其他两种机制存在与否，尚没有定论（Meharg 2002），需加强研究。
　　目前报道的与控制植物重金属离子吸收有关的酶有砷还原酶、金属巯基蛋白酶、铁还原酶等，除了可推测的但还未被克隆的基因外，是否还有某些其他未知抗重金属离子基因？还需进一步研究。显然，在研究植物超富集作用的生理和分子机制的基础上，筛选出更多抗某一重金属离子的新基因，是今后的一个研究方向。同时，应用分子生物学和基因工程技术把超富集植物的特异基因转入到高生物量的植物体中，是植物修复技术的另一关键工作。在充分考虑到转基因植物给生态环境带来潜在威胁的前提下，通过多学科交叉研究培育生长快、生物量大的重金属离子超富集植物品种，是今后有广阔应用和发展前景的工作。

　　二、观赏植物在植物修复中的应用优势
　　在我国，观赏植物用于重金属土壤污染修复除具备一般植物的特点外，还有以下优势：我国花卉资源相当丰富，收集具有观赏价值的超类积植物潜力巨大；（2）进行重金属离子污染土壤修复的同时，能够美化环境；（3）花卉属于观赏性植物，不会进入食物链，可减少对人体的危害。
　　近两年上海园林科学研究所已经承担了多项上海市有关重金属离子污染土壤改良的项目，通过对对大量野生观赏植物的引种和栽培试验发现，初步筛选出具有观赏价值的超累积镉Cd的观赏植物－东南景天、三叶鬼针草、鸭跖草；砷As－蜈蚣草和剑叶凤尾蕨；铜Cu－海州香薷；锰Mn－商陆；镍Ni－柞木、铅Pb－荆芥和无芒稗、锌Zn－长柔毛委陵菜等观赏植物10余种。显然，通过大面积筛选观赏性强、生物量大且超累积重金属离子能力强的植物，进行重金属耐受相关基因的克隆与功能性分析，利用基因工程改良其他观赏植物，加强植物修复速率，从而大规模应用到大面积重金属污染土壤的修复，在上海市城市绿化中具有较强的理论和现实意义。

参考文献
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（作者：张冬梅，上海市园林科学研究所高级工程师；张春英，上海市园林科学研究所园林植物部副主任、高级工程师；罗玉兰，上海市绿化和市容管理局科技信息处高级工程师）

（本文图片由张庆费提供）