铅锌超富集植物及耐性植物筛选研究进展

张富运，陈永华，吴晓芙，梁 希

（中南林业科技大学，环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

铅锌超富集植物及耐性植物筛选研究进展

张富运，陈永华，吴晓芙，梁 希

（中南林业科技大学，环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

目前利用重金属超富集植物的提取作用从污染土壤中去除重金属被认为是最有前途的重金属污染土壤修复技术之一。本研究从植物修复作用机理入手，分析了超富集植物和耐性植物的特点与解毒机制，列出了Pb-Zn超富集植物种类，最后分析了Pb-Zn植物筛选中存在的问题，并对超富集植物的筛选和植物修复工作研究进行了展望，旨在为重金属铅锌超富集植物和耐性植物筛选研究提供技术参考。

铅锌；植物修复；超富集植物；耐性植物；筛选

近年来，铅、锌矿产资源开采、金属冶炼、燃料生产等生产活动加快发展，使得铅、锌等重金属通过多种途径进入土壤环境，造成严重的土壤重金属污染。尤其是矿山开采过程中产生大量尾矿渣，在未得到恰当处理的情况下给当地生态环境造成严重威胁。重金属进入土壤环境后，不仅直接毒害土壤生物、破坏土壤生态结构，还会造成水体污染，且有毒重金属通过食物链间接或直接的危害人体健康[1]。因此，如何治理和修复重金属污染土壤成了研究的热点和迫切需要解决的问题。

由于有毒重金属污染过程具有隐蔽性、滞后性、长期性、积累性、不可逆性和地域差异性的特点，使得重金属污染土壤成为全球性的棘手问题[2]。目前, 利用重金属超富集植物的提取作用从污染土壤中去除重金属被认为是最有前途的重金属污染土壤修复技术之一[1]。 本研究从植物修复作用过程和机理入手，分析了超富集植物的特点与解毒机制，列出了Pb-Zn超富集植种类，最后分析植物筛选中存在的问题，并对超富集植物的筛选和植物修复工作研究进行了展望。

1 植物修复技术及其修复机理

植物修复是指利用自然生长的植物或培育植物及其根系微生物群落对污染土壤、沉积物、地下水和地表水中的污染物进行的清除技术，是一种有效的生物技术，绿色技术[3]。根据其作用过程和机理，植物修复可以分为植物挥发、植物稳定、植物提取、植物过滤[4]。通常所指的植物修复技术主要是指植物提取，即通过超富集植物的吸收积累和转运作用，将土壤中的重金属转移到植物地上部分，通过收获地上部分并集中处理的方法以达到降低土壤中重金属含量。

重金属污染的土壤可以通过一系列的化学、物理、生物等技术来治理和修复，但相比之下，植物修复技术更具现实可行性，这跟植物修复技术的诸多优点有关。植物修复技术属原位修复技术,修复重金属污染土壤具有廉价、高效、就地、土壤扰动小、保持水土、操作简便、环境友好性、能大面积推广等优点[1-2]。

2 超富集植物和耐性植物的特点以及解毒机制

2.1 超富集植物的特点

1977年，Brooks 提出超富集植物的概念，认为植物组织干重中含Ni 超过1 000 mg/kg，则该种植物就是Ni的超富集植物[5]。1989 年Baker重新定义了超富集植物[6]。超富集植物是指能超量吸收土壤中的重金属并将其转运到地上部分的特殊植物，也称超积累植物。综合文献[5-7]认为一种植物能够确定为超富集植物应同时具备以下三个基本特征，这三个特征也是目前最基本的超富集植物筛选标准和依据：(1)植物地上部分富集的重金属达到一定的量，是普通植物在同一生长条件下的100倍。目前采用较多的是Baker 和Broks 1983年提出的参考值,其临界含量分别为锌、锰10 000 mg/kg，铜、铅、镍、钴、砷均为1 000 mg/kg，含镉达到100 mg/kg。(2)植物地上部的重金属含量高于根部该种重金属含量，其富集系数（植物体内重金属污染浓度与土壤重金属污染浓度的比值）大于1，同时还要满足转运系数（植物地上部分重金属含量与根部重金属含量之比值）大于1。(3)植物在满足上述两个条件的前提下，没有出现明显的毒害症状。

目前，国际上报道的超富集植物已有400多种，具有我国自主知识产权的超积累植物时有报道，但数量较少，比较典型的有Zn 超积富集植物东南景天、As 超积累植物蜈蚣草、大叶井口边草、Cd超积累植物油菜和宝山堇菜以及Mn 超积累植物商陆等。理想的超富集植物既要有高生物量，又要忍受和积累高浓度的重金属。能同时满足两个条件的植物少之又少，因此，在筛选时需要在两者之间做权衡[8]。有学者还考虑了其他一些筛选条件，如植物的深根性、生长速率等。目前，首要以总重金属含量来确定，其次才考虑其他的筛选条件。

2.2 耐性植物的特点

重金属耐性植物是指具有某种特殊的生理机制、在重金属严重污染的环境中也能够生长、繁殖的一类特殊植物[9]。植物首先要在重金属污染地上忍受高浓度重金属的毒害后存活下来，且地上部分还能够吸收和积累过量的重金属才能演变成为超富集植物。因此，超富集植物必然是重金属耐性植物，而超富集植物是重金属耐性植物的特例。一般来说也只有在高浓度重金属污染的地方才能找到超富集植物。与超富集植物相比，耐性植物体内重金属含量较少，吸收能力弱，它经过了长期的驯化和生长适应而表现出忍耐性，而最终能够很好适应污染环境并表现出较强耐性的植物则发展成为耐性生态型植物，或是忍耐-富集型植物。与超富集植物相似，耐性植物抵抗性重金属的能力也在一定范围内，但这一范围因植物种类、植物的生理特性、根际环境，植物生长地域性和所抵抗的重金属种类以及污染程度而表现出差异，因此耐性植物的耐力无固定临界值和范围，而也正是这样有的耐性植物很难演变为超富集植物。植物忍耐力的大小要依据植物在污染基质上的生长状况和活力等指标来判断和评估。

2.3 超富集植物与耐性植物解毒机制

有研究表明[7，10-13]通过螯合作用固定金属离子或降低其生物毒性是植物对细胞内重金属解毒的主要方式。植物体内的重金属螯合剂有植物螯合素、和金属硫蛋白、有机酸以及氨基酸几种，这些螯合剂能与重金属离子结合形成一定的复合物, 在一些转运蛋白的作用下, 这些复合物被运输到细胞外或被储存在液泡等细胞器内, 降低对植物的毒害, 使植物能吸收和富集更多的重金属。植物体内细胞区域化作用。研究表明[12-13]，在组织和细胞水平上, 重金属在超富集植物的叶片中呈现域化分布。在组织水平上, 重金属主要分布在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中，一定程度上减轻叶片细胞结构及生理功能所受的伤害；在细胞水平,重金属主要分布在质外体和液泡中，减少了重金属对细胞质及细胞器中各种生理代谢活动的伤害。抗氧化酶系统的保护作用。植物在逆境条件下, 能产生大量活性氧自由基, 这类自由基可使膜系统的脂质过氧化并导致膜伤害。而生物体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶等共同构成保护酶系统, 可清除这些氧自由基, 解除或减轻植物受伤害的程度[14]。

3 Pb-Zn超富集植物、耐性植物筛选现状

铅锌矿区用于重金属污染土壤修复的植物主要有超富集植物和耐性植物。我国在这些植物修复和植物超富集植物筛选方面的研究起步较晚，但近些年也开展了大量的筛选工作，取得了一系列的研究成果，植物筛选面不断在扩大，所筛选出的耐铅锌植物也较多，笔者将这些研究成果总结列表（表1、表2）如下：

分析表1中的结果发现，所列Pb超富集、富集及耐性植物种类分布在藜科、禾本科等22个科中。其中，禾本科、莎草科、十字花科、菊科、唇形科、豆科、石竹科、凤尾蕨科的植物种类较其他几个科多，尤其是禾本科植物。文献证明在Pb污染土壤中，禾本科植物表现出较强的生命力和抗重金属铅的能力。所列植物中东南景天、圆叶遏蓝菜、苎麻、蜈蚣蕨、土荆芥、铺地黍、杨梅、木贼、香附子、东方香蒲、委陵菜、紫花苜蓿、小鳞苔草、香根草、圆锥南芥、西风轮菜、庶茅、凤尾蕨为已报道的Pb超富集植物；而羽叶鬼针草、酸模、绿叶苋菜，裂叶荆芥、苍耳、紫穗槐、类芦、假繁缕、密毛白莲蒿、双穗雀稗、黄花稔、银合欢、泡桐、桤木、旱柳、盐肤木、红椿虽未达到Pb超富集植物的标准，但这些植物也能积累一定量的铅，对铅表现出一定的抗性。且合欢、泡桐、旱柳、红椿等植物生物量较大，具有一定的修复潜力，在治理铅锌尾矿水土污染中具有应用前景。

表1 国内常见的Pb超富集、富集及耐性植物列举Table 1 List of the common Pb hyperaccumulator and tolerant plant

表2 国内常见Zn超富集及耐性植物列举Table 2 List of the common Zn hyperaccumulator and tolerant plant

由表2中的结果可知，所列举Zn超富集及耐性植物种类分布在景天科、苋科等13个科中，其中，禾本科、蔷薇科植物较其他科植物多。所列植物中，能够超富集Zn的植物有东南景天、香附子、木贼、长柔毛委陵菜、东方香蒲、天蓝遏蓝菜；能够忍耐和富集一定量的重金属Zn的植物有小叶杨、刺玫蔷薇、珍珠梅、云杉、刺天茄、桦树、杨树、蓖麻。与富集及耐Pb植物种类相比，两种元素共有的植物科属为景天科、苋科、十字花科、禾本科、木贼科、莎草科、杨柳科、桦木科。因此，在两种元素伴生的条件下，筛选和培育超富集、耐铅锌植物可以首先从这些植物科属入手，寻找能同时抵抗两种甚至多种重金属的植物，接着可再将筛选和培育范围扩大。

4 植物筛选中存在的问题

分析以上列举植物物种发现，学者们对利用超富集植物来修复重金属铅锌污染寄予了厚望，并在植物物种的筛选工作中做出了很多努力和贡献。但筛选过程中依然存在一系列问题，主要表现在以下几个方面：

（1）植物以自然定居种为主，少见人工栽培种；植物多为研究者在污染地所发现的野生植物，即物种获取以野外调查为主,少部分进行了盆栽和水培试验。

（2）草本植物为主，有少部分灌木和乔木，但植物植株矮小、生长缓慢、生物量受到严重限制，进而影响到修复效率的高低和修复周期的长短。

（3）能源植物、用材植物等具有高利用价值、高生物量、速生的物种很少见，不过这一点正在引起广大学者的注意和重视，筛选方向有所转变，近年关于此类植物的研究也正在增多。植物筛选过程中有可食用植物、药用植物出现，如杨梅、苋菜、鲁白、鱼腥草等，这些植物虽能积累一定量的重金属，但将其用做矿山废弃地修复是否具可行性值得探讨，应谨慎选取。

（4）植物物种具有很强的地域性，而且对重金属元素具有较强的选择性，难以广泛应用于多种污染地。在铅和锌等多种重金属元素伴生的情况下，势必要寻找和培养能同时富集和对多种重金属具有抗性的植物,以期更有效的治理复合型重金属污染土壤。

（5）相对于Pb元素，超富集Zn、耐Zn植物发现较少；且在植物筛选过程中，能同时忍耐和富集两种元素的植物较少，很多将铅和锌分开来筛选，单一考虑其中一种元素，少有人研究能共同抵抗和富集两种元素甚至更多元素的植物。

5 研究方向展望

尽管植物筛选还存在一些问题，但总体来说利用超富集植物来修复铅锌污染土壤是一项很有发展前景的工作，我们应对其推广应用和发展充满信心，也需努力解决存在的问题，以期更好的为植物修复重金属污染土壤做出贡献。本文认为超富集植物的筛选和植物修复工作应该在以下几个方面进行深入研究：

（1）加强具有复合功能的植物筛选研究。超富集植物对重金属具有选择性，当前超富集植物筛选研究大多针对单一重金属污染物, 但现实环境一般为多种重金属复合污染, 因此加强具有复合功能的植物筛选研究具有重要的现实意义。

（2）系统开展一些具有超富集功能的乡土植物筛选[40]，在其成活率有保障的基础上，加强对其如何提高生物量、加快生长速度等方面的研究，并对这些超富集植物进行最大限度的回收利用，使其资源化。

（3）因地制宜，根据污染地重金属浓度高低和污染轻重程度确定所需的修复物种。因各地区出矿品位有差异，造成的污染程度也会有差异，某些植物在某一矿山废弃地生长良好，但并不代表其在其他地区的同种矿山废弃地能生长良好。

（4) 加强超富集植物优化搭配研究，注重乔木灌木草本的结合。将多种具有不同修复功能的超富集植物优化搭配，共同作用，优化配置，合理构建功能型生态修复群落，以达到修复污染土壤高效率、高标准和美化环境的目的。

（5）加强已发现的一些具有经济价值的重金属超富集植物引种和驯化、育种研究，提高利用率和富集效率，达到体现其经济价值和修复功能双重效用的目的。

（6）修复机理、解毒机制的深化研究应与实际应用并举。筛选超富集植物固然重要，但重金属在植物体内的存在形式，植物对重金属超量吸收和积累及其解毒机制、分子机理等一系列基础理论问题比较复杂，目前研究的还不够透彻，仍有待于进一步探索和深化。

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Research advances on screening of hyperaccumulator and tolerant plant species of Pb-Zn

ZHANH Fu-yun, CHEN Yong-hua, LIANG Xi
(Environmental Science and Engineering Research Center,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Phytoremediation, a remediation technology using the extracting effect of hyperaccumulator of heavy metal to remove contamination from polluted soil, has currently become one of the most promising research field. Starting with mechanism of phytoremediation effect, the characteristics and detoxif i cation mechanism of hyperaccumulator and tolerant plants and listed species of hyperaccumlators of Pb-Zn was analyzed. Finally, the existing problems in screening of Pb-Zn plants were analyzed, and the research on screening and phytoremediation of hyperaccumulator was prospected. All of above should be conducted in order to offer technical reference for screening of hyperaccumulator and tolerant plant species of Pb-Zn.

screening of plant; phytoremediation; lead and zinc; hyper-accumulator; tolerance plant

S718.5；X53

A

1673-923X(2012)12-0092-05

2012-10-08

环保公益性行业科研专项（200909066）；国家科技支撑计划项目(2012BAC09B03)；湖南省科技计划项目（2012SK3167）；湖南省环境科学与工程重点学科建设项目

张富运(1988-)，女，云南大理人，硕士研究生，主要从事矿山修复研究

陈永华(1977-)，男，湖南攸县人，副教授，硕士生导师，主要从事环境生态修复研究；E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文编校：文凤鸣]