超富集植物对铅污染土壤的作用机理
2008/10/1 来源:大众科学·科学研究与实践 作者:冯 斌


  【摘要】:综述了植物修复技术的特点及类型、目前已发现的铅超富集植物及其筛选方法、植物富集铅能力的影响因素和铅超富集植物耐性和积累机制等方面的研究进展,并指出了目前尚未解决的问题及未来发展趋势。
  【关键词】:铅;土壤污染;植物修复;研究进展
  中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1002-6908(2008)0520007-01
  
  铅在土壤中的溶解度小,滞留时间长,是一种不可降解的环境污染物,在表土积累后,不仅影响农作物的产量和质量,并且通过食物链影响人类健康。铅对机体损伤呈多系统性、多器官性,铅作为中枢神经系统毒物,对儿童的身体和智能的危害更为严重。我国土壤铅污染量大而广,是污染土壤治理不可忽视的问题。
  
  1. 超富集植物与植物修复技术
  
  1.1 超富集植物
  超富集植物是指那些能够超量富集重金属的植物,也称超积累植物。超富集植物是一些古老的物种,是在长期环境胁迫下诱导、驯化的一种适应突变体,生长缓慢,生物量小。一般认为超富集植物应同时具备3个特征:(1)植物地上部(茎和叶)重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍。(2)植物地上部重金属含量大于根部该种重金属含量,通常用转移系数来表征某种重金属元素或化合物从植物根部到植物地上部的转移能力,对某种重金属或化合物转移系数越大的植物越有利于植物提取修复。(3)植物的生长没有出现明显的受害症状且地上部富集系数大于1。当然,理想的超富集植物还应具有生长速率快、地上部生物量大、能同时富集两种或两种以上重多属的特点。
  
  1.2 植物修复技术
  实现金属生物回收的实际可能性,在重金属污染土壤上,连续种植对土壤中某种或多种污染元素有超强吸收和吸附能力的超富集植物,将植物收获并进行妥善处理即可将该污染重金属转移出土体,达到污染治理与生态修复的目的。这就是植物修复技术。植物修复技术可分为植物提取、植物挥发、根际过滤和植物固定4种类型。一般将前3者统称为去除过程,而将后者称为稳定过程。现在研究紧多的是植物提取技术。植物提取技术分为连续植物提取和诱导植物提取两种方法,前者依赖超富集植物在其整个生命周期能够吸收、转运和忍耐高含量重金属,后者是利用螯合剂来促进植物对重金属的吸收和运输。由于Pb是目前最常见的对人体和植物危害最大的元素之一,近年来对于Pb污染土壤的修复引起了全世界的关注。植物修复技术方法由地其原位修复、成本低、不造成二次污染等多种优势而成为国际范围的研究热点。
  
  2. 铅超富集植物的筛选
  
  已发现的超富集植物存在着生物量小、生长缓慢、修复效率低、耕时长等缺点,不利于大面积栽培和广泛应用。目前利用基因工程培育理想的超富集植物进展十分缓慢。因此寻找生物量大、生长迅速、适应性广、修复效率高的超积累植物及其资源,是保证植物修复技术产业化的前提条件。
  目前常用的超富集植物的筛选方法有野外采样分析法和盆栽模拟法。野外采样分析法方便快捷,大多数超富集植物都是采用这种方法发现的;而室外盆栽模拟实验可以对植物整个生长期进行观察和记载,与长期生长在金属矿区土壤环境的植物相比,被驯化的时间短,有利于根据植物对污染物的响应研究植物本身具有的特性,从而找到其抵抗重金属毒害的遗传基因。铅具有较高的负电性,被认为是弱Lewis酸,易与土壤中的有机质和铁猛氧化物等形成共价键,不易被植物吸收,所以目前已见报道的铅超积累植物并不多,而且主要都是在铅锌矿区发现的。
  
  3. 植物富集铅能力的影响因素
  
  美国能源部规定,能用于植物修复的植物应具有5个特性,其中最关键的就是超富集和高生物量。由于已发现的Pb超富集植物种类少,植物生长慢,生物量小,人们迫切需要寻找增强植物提取功效的方法。目前研究较我的方法就是施用螯合剂,即诱导植物提取技术。加入到土壤中的螯合物与Pb结合后阻止了Pb的沉淀和吸附,从而提高了Pb的可提取性。有研究报道,许多植物中的Pb-EDTA可从土壤溶液中一直输送到植物地上部分。产生这种现象的机制可能是,螯合剂改变了植物的输送系统功能,导致Pb的输送变得更容易。螯合剂的类型和浓度对植物吸收Pb的效果影响也不同。诱导植物提取方法较适合于中、低污染土壤的修复。
  植物对土壤中Pb的吸收还受土壤的pH值、土壤微生物、所施用的肥料和复合污染效应等多种因素的影响。一般情况下,随着pH降低,土壤吸附铅的数量也减少。原因可能是随着pH下降,氢离子增多,土壤溶液中被胶体和粘土吸附的Pb2+与H+发生交换,Pb2+被解吸下来,从而增加了其在土壤溶液中的浓度。调节pH值一般可用酸化剂等,施用不同的肥料也可改变土壤pH值。
  
  4. 超富集植物的耐性和积累机制
  
  生长在Pb污染土壤环境中的植物会受到不同程度的危害,在植物长期净化过程中相应地产生了许多抵御重金属毒害的机理,如细胞区间隔离、细胞壁沉淀、细胞活性氧防御酶协同作用方面起了重要作用。近些年来,许多动物和植物中的植物螯合肽合成酶基因已被识别,引入这些基因的转基因植物能被诱导合成含量更高的植物螯合肽,提高植物对Pb的耐性和积累。Pc作为生物吸附剂可有效清除采矿业、石油、涂料等工业废水中的Pb2+;将含有多种霉菌的丝状真菌菌丝处理后可除去废水中98%的Pb;最后,在研究植物超富集作用的生理和分子机制的基础上,应用分子生物学和基因工程技术把生长慢、低生物量的超富集植物育成生长快、生物量大的品种,或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Pb超富集植物品种,是今后有广阔应用和发展前景的工作。
  
  5. 展望
  
  植物修复技术属于原位修复技术,可以保护水土,不破坏生态环境,成本低、操作简便,是一项很有发展前景的工作。土壤污染的植物修复研究已经成为当前国内外的热点问题和前沿领域。在深入了解植物生物学特性与植物修复关系的基础上,采用土壤污染修复技术的综合应用也是必不可少的。通过植物生理学、土壤学、遗传学、环境科学和生物工程等多个学科交叉研究,植物修复技术将在铅污染土壤恢复治理方面发挥更大作用。
  
  参考文献
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