锰矿区废弃地植物修复技术研究进展

梁 希，陈永华，吴晓芙，张富运

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

锰矿区废弃地植物修复技术研究进展

梁 希，陈永华，吴晓芙，张富运

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

从锰矿区废弃地重金属污染对周围环境的影响入手，综述了锰对植物的毒害作用和机理，列出了锰超富集植物的种类，分析了锰超富集植物的富集和解毒机制，并提出锰超富集植物筛选中存在的问题，最后展望了植物修复在锰矿区废弃地的应用前景，旨在为锰矿区废弃地重金属修复提供技术参考。

锰矿；植物修复；超富集植物；重金属

我国锰资源丰富，已查明锰矿区有213处，主要分布在广西、湖南和贵州3省[1]，锰矿的开采和冶炼在带给人们财富的同时也对环境造成了危害，长期以来，由于锰矿的无序和过度开发，对矿区周围的土壤环境的造成的影响日益严重。同时，采矿后随意堆放的尾矿砂经淋溶后的可溶成分随水流向附近的河流和农田，严重威胁了周围居民的健康[2]，锰矿废弃地土壤的理化性质也发生改变，土壤结构遭到破坏，植被难以生长，矿区废弃地地表裸露，水土流失情况严重，生态环境严重失衡。

植物修复是指通过植物稳定、植物挥发和植物提取作用，去除环境中的污染物，或减轻其危害性的一种环境污染治理技术。与其他方法相比植物修复有成本低、易操作、生态效应好等优点，故已成为近年来研究的热点[3]。本文对植物的毒害机理、超富集植物筛选及耐性机理和工程应用进行了综述，最后，展望了植物修复在锰矿区废弃地的应用前景，旨在为锰矿区废弃地植物修复提供技术参考。

1 锰对植物的毒害作用及机理

1.1 锰对植物的毒害作用

锰是植物生长代谢所必须的微量元素，但当生长环境中的有效锰含量过高时就会对植物的生长产生危害。锰中毒植物的一般症状为叶片泛黄绿、出现病斑、根系发育不良、植株生长受到抑制，生物量降低等[4]。翁燕霞等[5]在研究铁锰胁迫对胭脂草逆境生理指标的影响时得出胭脂草在32 mmol·L-1Mn2+溶液中培养10 d会出现老叶失水萎蔫、新叶边缘卷曲和植株失绿等中毒现象。高锰胁迫也会使棉花出现“皱叶斑症”、马铃薯“茎上条带坏死病”、苹果树“树皮内层坏死病”[6]。

1.2 锰对植物的毒害机理

1.2.1 叶绿素含量下降，光合作用受阻

周仁飞等[7]对锰矿区重金属土壤对栾树和杜英光合作用的影响研究得出重金属污染土壤对杜英的净光合速率有抑制作用。王华等[8]在研究水蓼吸收锰的生理与分子机制中得出，用8 000 umol/L的Mn2+溶液培养水蓼导致成熟叶片的叶绿素含量下降。说明过量的锰能破坏叶绿体结构，使其由正常椭球状变成丝带状或球状，导致叶绿素荧光参数和电子传递效率降低，影响光合作用。梁文斌等[9]研究了锰胁迫对垂序商陆叶片形态结构及叶绿体超微结构的影响，得出随着锰处理水平的升高，叶绿体开始皱缩，外膜发生部分解体，基粒排列紊乱甚至模糊成絮状，基质片层扭曲，类囊体发生膨胀及空泡化加剧，淀粉粒颗粒变小、减少，嗜锇颗粒增多。倪穗等[10]研究了大豆幼苗光合特性对不同锰浓度的响应，得出了在50 mg/L的锰浓度下，大豆叶片的光合速率降低，使碳的同化累计减少，蒸腾速率降低，叶片内外气体交换受阻，导致细胞间累积了大量的CO2，对大豆幼苗产生了一定伤害。

1.2.2 质膜透性受损

植物在重金属、干旱、高温等胁迫下，原生质中的不饱和脂肪酸会发生过氧化作用产生大量MDA，MDA可与核酸、蛋白质发生交联，使蛋白质分子和酶失去活性，破坏DNA结构，降低质膜选择透性，最终导致细胞膜结构破坏[11,8]。研究锰对大豆膜脂化的影响得出，加大锰处理水平，大豆叶片的膜脂透性会随之下降[11]。

1.2.3 活性氧损伤机体

植物在正常的生理条件下，体内的氧自由基含量很低，但当植物在含氧环境下受到逆境的胁迫，自由基的平衡就会遭到破坏，产生大量活性氧，多余的活性氧会对机体产生危害。在高锰胁迫环境下，产生的多余的ROS能将叶绿体中的Mn2+氧化为Mn3+，导致氧化还原电位提高，造成活性氧大量累积，形成氧化胁迫[12]。

1.2.4 引起植物的“缺素症”

铁锰元素间有拮抗关系，只有当环境中铁锰元素比例适宜，植物才能正常生长。高锰胁迫作用下会影响植物对铁的吸收，造成植物缺铁症。铁元素在植物体内参与了呼吸作用，光合作用和叶绿素的合成[13]，植株缺铁会出现叶片发黄、萎蔫等症状。覃都等[14]用高锰溶液对水稻处理，结果显示，植株地上部和根系中Zn元素、Fe元素的含量随着培养液中Mn2+含量的增加显著下降，表现出锌锰、铁锰拮抗作用。曾琦等[15]报道随着营养液中Mn2+浓度的增加会抑制油菜对Ca元素、Fe元素的吸收，影响植株的正常生长。

2 锰超富集植物筛选和富集机理与解毒机制研究进展

2.1 锰超富集植物筛选的研究进展

根据Baker等对超富集植物的定义[16]，锰超富集植物应满足地上部分锰含量超过10 000 mg·kg-1，地上部分锰含量要高于根部锰含量，及转移系数大于1。理想的锰超富集植物还应该具备生长快，生物量大，经济价值高等特点。国际上报道的超积累植物有480多种，大部分为Ni超积累植物，报道的锰超积累植物仅有22种，其中我国自主知识产权的锰超积累植物有商陆[17]和水蓼[18]。锰超富集植物筛选情况表1。

表1 锰超富集植物Table 1 Species of manganese hyperaccumlators

由表1所示，锰超富集植物分布在商陆科、蓼科、莎草科、蹄盖蕨科、卫矛科、山龙眼科、禾本科、夹竹桃科、山茶科、桃金娘科、滕黄科、毛莨科和五加科，主要集中在商陆科、蓼科和卫矛科，且大部分锰超积累植物为一年或多年生草本，少数为乔木和灌木，如木荷和卫矛科植物，草本植物虽然对锰有超富集作用，但它们多为杂草，生物量小，没有很大的经济价值，应用性不强。表1中列出的卫矛科的锰超富集植物虽为灌木或小乔木，但它们主要来自超碱性土壤[26]，在我国的植物修复技术中使用较少。面对如此现状，筛选我国更为理想的锰富集植物成为矿山修复过程中的重点。方晰等[29]对湘潭锰矿废弃地的植物进行了盆栽试验，得出栾树对矿渣废弃地土壤适应性强，生长旺盛，生物量大，可在一定程度上改善土壤肥力，且对Mn、Cd有一定的吸收作用，千头柏和棕榈虽对Mn吸收较少，但存活率高，生长情况较好。栾树还可作为用材林，有一定的经济价值，可作为锰矿区植物修复的首选乔木植物之一。

2.2 锰超富集植物的富集机理与解毒机制

2.2.1 根系对重金属的活化和吸收

超富集植物根系能分泌质子、某些金属结合蛋白和有机酸，通过酸化和螯合作用活化土壤中不容的重金属，促进对重金属的吸收。另外，超富集植物的根细胞质膜上还有专一的金属还原性酶，这些还原性酶能够还原土壤中的高价金属离子，增加溶解性。Welchetal 等[13]得出，在缺铁环境下，植物根系能将附近土壤中的Fe3+还原，促进铁吸收。用不同的锰水平处理水蓼得出，根系Mn含量随着生长介质中Mn供应水平的增加而增加。由此可见，超积累植物比一般植物有的更强的吸收重金属的能力。

2.2.2 区隔化作用

重金属在植物组织水平上主要分布在表皮细胞、表皮毛和亚表皮细胞中；在细胞水平上主要分布在细胞壁和液泡中[30]。植物将进入细胞的有毒重金属离子转运和贮存在非活性代谢组织内，降低原生质内的重金属含量，减轻重金属对细胞器等活性代谢组织的攻击作用即区隔化作用[28]。对Mn在水蓼不同部位细胞中分布的研究得出，在叶片细胞中液泡中锰含量最高，达到58.18～65.64%，其次是细胞壁，细胞器锰含量最少，仅占总锰的2.60%～5.48%。根部细胞和茎部细胞中锰含量最高的部位分别在细胞壁和液泡[18]。对商陆细胞各组织锰含量的研究可得[31]，各组织锰含量从高到低分别为细胞质可溶性部分（含液泡）、细胞壁、细胞器，这和水蓼的研究结果一致。

2.2.3 螯合作用

有毒的重金属离子在植物体内呈游离态时会对植物体产生毒害作用，超富集植物通过产生能与重金属离子络合的物质，降低毒性的机制即为植物与重金属的螯合作用。这些能与重金属络合的物质包括有机酸、氨基酸类、植物络合素PCs和金属硫蛋白MTs[32]。Bidwell等[24]研究锰超积累植物桃香木属的Austromyrtus bidwillii体内有机酸的变化，发现此植物体内含有大量有机酸，证明了有机酸与锰络合的可能性。从前人对商陆和水蓼的研究得出，Mn在植物叶片中的主要形态为有机酸盐，证实了锰与有机酸的络合作用是锰超积累植物耐锰的机制之一。吴慧芳等[33]研究了锰胁迫下龙葵和小飞蓬根叶中MTs的变化，结果显示这两种体内的MTs随着锰水平的提高而增加，随着胁迫时间的延长，叶片中的MT在抵御Mn胁迫中起到了保护作用。Huetal等[33]指出PCs可使重金属离子在细胞液泡内积累，缓解重金属对植物的毒害，增加植物的耐性。但目前对于锰超富集植物的螯合作用主要侧重于有机酸，这方面相关的研究较少[28]。

2.2.4 抗氧化系统的防御作用

在高锰胁迫下植物体内会产生大量活性氧自由基，打破自由基的平衡，造成膜脂过氧化损伤，破坏酶活性并引起蛋白质和核酸变形，危害细胞的健康[34-35]。植物在逆境中会形成抗氧化酶系统来保护酶活性，清除活性氧自由基，主要包括超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD和过氧化氢酶CAT。SOD的主要功能是清除植物体内的生成O2和H2O2，但H2O2会生成毒性更大的-OH自由基。CAT的主要作用则是负责清除。沈吉红等[37]对锰胁迫下商陆生理机制的研究得出，叶片中SOD和POD的活性随着锰水平的增加而增大，这与水蓼的抗氧化机制[18]的研究结果一致。超富集植物在高锰胁迫下通过增强SOD和POD的活性可抵御氧自由基的伤害，而CAT是否也起到相同的作用目前尚未确定。

3 锰超富集植物筛选存在的问题

很多学者们对利用超富集植物来修复锰矿废弃地寄予了厚望，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些问题，主要表现在以下几个方面：

（1）筛选出的锰超富集植物物种比较少，已报道的只有22种。物种的选择是植物修复技术的关键，故应该加快锰超富集植物的筛选工作，充实锰超富集植物库。

（2）目前报道的锰超积累植物多为草本植物，主要为陆科、蓼科和卫矛科，它们虽然能超富集锰，但生物量小，没大的经济价值，在实际治理中并不实用。

（3）矿区中的重金属多为复合污染，除了Mn元素外，一般还含有大量的Cd、Pb、Zn、Cu等有毒重金属元素，目前筛选出的超积累植物大多只对一种元素有超富集作用，

（4） 国内对植物筛选的研究方式主要是进行小规模的盆栽试验和水培实验，实地试验较少，有些试验筛选出的植物在实际应用中的结果并不理想。

4 展望与建议

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锰污染土壤是一项很有发展前景的工作，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）我国植物物种丰富，但筛选出了锰超积累植物品种却不多，建议在今后的研究中加大超积累植物筛选的范围。矿区植物的选择还可以从用材植物、能源植物、景观植物的角度出发，选择了既能够在矿区较好的生长又能创造经济价值的植物。

（2）在污染锰矿区的修复工程中，构建由生态拦截带和人工湿地组成的生态拦截系统，防止污染水土扩大污染范围，然后构建不同植物群落组合而成的复合生态系统，恢复矿区废弃地的生态环境。

（3）植物对重金属的富集机理和解毒机制、以及与根系微生物的相互作用等一系列理论问题有待深入研究，以指导实际的生态修复应用。

（4）将植物修复与分子生物学和基因工程结合起来，把筛选出的锰超积累植物的超积累和耐性基因提取出来，转到生物量大、生长速率快的物种上，研发出更理想的锰超富集植物以便实际应用。

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Progress on phytoremediation of manganese mine wasteland

LIANG Xi, CHEN Yong-hua, WU Xiao-fu, ZHANG Fu-yun
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Starting with the impact of heavy metal pollutants on surrounding environment in the lead-manganese(Mn) mine areas, a review was given on toxic action and mechanism of manganese to the surrounding plants, and the species of Mn hyper-accumulation were listed. The concentration and detoxification mechanism were analyzed and the current problems in screening of Mn hyperaccumulation plants were put forward. Finally, the application prospect of phytoremediation in lead-manganese mine areas was forecasted in order to provide technical reference in remediation of heavy metal.

manganese mine; phytoremediation; hyper-accumulation plants; heavy metal

S719

A

1673-923X(2012)12-0104-04

2012-06-13

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

梁 希(1989-)，女，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：水污染控制工程

陈永华(1977-)，男，湖南株洲人，副教授，博士后，硕士生导师，研究方向：环境生态学；E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文编校：吴 彬]