重金属镉污染生物修复的研究进展

肖春文，罗秀云，田 云，卢向阳

（1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙410128；2.湖南省农业生物工程研究所，湖南 长沙410128）

镉属于第二副族的重金属元素，是比较稀有的元素，在地壳中的含量约为十万分之二[1］。镉具有较强的化学活性，比其它重金属更容易进入植物体内，大量积累后会对植物体造成危害。当植物体内镉含量达到1mg·kg－1时，就表现出一系列不适应症状，植物生物量下降甚至死亡[2］。由于镉的隐蔽性，植物在不影响生长的情况下往往会积累较高浓度的镉，并且通过食物链的富集作用进入人体，危害人体健康[3］。镉类化合物通常不容易被肠道吸收，但可以经过呼吸系统进入人体，并逐渐累积于肝脏或肾脏，尤其对肾脏造成明显的损害[4］。镉积累还会降低人体对钙、磷的吸收，从而导致维生素D的代谢异常，进而引起肾脏和骨的病变[5］，如日本曾经爆发的著名的“疼疼病”[6］。人体摄入过量的镉及其化合物会导致“三致效应”，即致突变、致畸、致癌[7］。镉的排出速度非常慢，在人体内主要通过肾脏经尿液排出，还有一部分通过肝脏经由胆汁以粪便的形式排出，镉在体内的半衰期长达20～40年，因此治疗非常困难[8］。

随着科学技术、工农业生产和国民经济的不断发展，镉资源的开发和镉化合物的应用范围不断扩大，其造成的污染也日益严重，镉污染的治理迫在眉睫。

作者在此概述了镉污染的现状，系统阐述了镉污染的生物修复研究进展，拟为镉污染生物修复的实际应用提供指导。

1 镉污染的现状

镉是毒性最强的几种重金属之一[9］，联合国环境规划署曾经提出12种具有全球性意义的危险化学物质，其中镉列在第一位[10］。

镉的用途极为广泛，如能与很多金属元素形成多种性能优异的合金、可制作核工业中原子反应堆的控制棒以及制备镍镉和银镉电池等[11］。随着镉及其制品的不断应用，重金属镉的污染也日益严重。

目前，我国镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm2，约占全国总耕地面积的20%，其中用镉污染水灌溉的农田面积达330多万hm2[12］，并且逐年扩大；东北地区沈阳张士灌区是污染面积最大、污染最严重的镉污染区，约2500余hm2[13］。每年全国因重金属污染而减产的粮食达到1×107多t，每年生产的镉超标农产品约1.46×109kg[14］，特别是“镉米”事件频发；2007年，潘根兴教授和他的研究团队（南京农业大学农业资源与生态环境研究所）在华东、华中、东北、华北、西南和华南县级以上市场随机采购91份大米样品，结果发现，10%左右的市售大米镉超标[12］。

近年来发生了很多有重大影响并且造成巨大损失的镉污染事件，如2009年8月湖南浏阳镉污染、2011年9月云南曲靖镉污染以及2012年1月广西河池市龙江镉污染等[15］。

根据我国对26个国控湖泊、水库和7大水系的监测数据，我国的水源镉污染形势不容乐观，其中长江水系的镉是仅次于汞、排在第二位的重金属污染物；黄河水系、淮河干流、滦河的镉超标率都在16%以上，属于严重污染[16］；湖南等有色金属大省是重金属镉污染的重点地区，湘江是中国重金属镉污染最严重的河流之一[11］。2011年3月，国务院批准了全国第一个重金属污染治理试点方案《湘江流域重金属污染治理实施方案》，表明湖南已开始加强湘江的重金属污染治理建设[16］。

2 镉污染的生物修复

镉类化合物毒性很大，镉和环境中其它元素的协同作用还会增大其毒性。如何有效治理镉污染、修复生态环境，是全社会高度关注的问题。镉污染不同于有机物污染，后者在环境中可被微生物降解，或者通过化学反应而分解；镉的治理只能改变其存在的方式和转移位置，而不能消除其毒性[4］。

目前，关于镉污染的治理主要有物理化学修复法和生物修复法。其中物理化学修复法，如化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、萃取法、活性炭吸附法等不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点[17］。生物修复法是20世纪80年代兴起的一种经济、高效、环保的绿色生物技术，是指利用生物的生命代谢活动来减少环境中对人体有毒有害物质的浓度或者使其转化为对环境完全无害的物质，具有广阔的应用前景[8］。生物修复法主要包括植物修复、微生物修复和动物修复[18］。

2.1 植物修复

植物修复是指利用绿色植物来转移、容纳或转化有毒污染物使其变得对环境无害[19］。

植物修复技术主要包括三个方面，即植物提取、植物挥发和植物钝化[20］。植物提取是指利用超富集植物对重金属的富集作用，结合土壤改良技术，将有毒污染物从地下转移到地上部分，随后收割地上部分（茎和叶）进行集中处理，达到降低土壤或者水体中重金属含量的目的[8］；植物挥发是指通过植物将土壤中的重金属转化成毒性较小的挥发态物质，从而减轻重金属的危害[21］；植物钝化是指通过植物的生理活动来降低重金属在土壤中的有效态，比如通过植物根系过滤、固定和钝化从而使重金属吸附于土壤表面，达到减轻重金属污染的效果[22］。

目前，学术界对超富集植物还没有完全统一的定义，一般认为超富集植物应该具有以下几种显著的特性：（1）能在体内积累较高浓度的重金属，即植物叶片或地上部分（干质量）的镉含量达到100mg·kg－1以上[19］；（2）在重金属浓度较低时也有较高的积累率，并能将其迁移到地上部分[20］；（3）生长速度较快，生物量大，具有一定的抗病虫害能力[8］。

近年来，我国在镉超富集植物的寻找和应用基础研究方面进展较为迅速，取得了不少研究成果，如表1 所示。

表1 部分典型的镉超富集植物Tab.1Some typical cadmium hyperaccumulation plants

2.2 微生物修复

微生物在镉污染修复方面具有独特的作用[1］。主要通过两个方面来实现，即生物氧化－还原和生物吸附[3］。生物氧化－还原是利用微生物改变重金属离子氧化－还原的状态来降低重金属的毒性及其含量；而生物吸附是重金属被活的或死的微生物所吸附从而导致环境中重金属含量降低的过程。

微生物修复具有费用低、效果好、易于管理与操作等优点，愈来愈受到人们的重视，成为镉污染生物修复研究的热点[17］。

已筛选的吸附镉的微生物见表2 。

2.3 动物修复

动物修复是指通过环境中（主要是土壤中）动物群的吸收、转化和分解，改善土壤理化性质、提高土壤肥力、促进植物和微生物的生长从而修复土壤污染的过程[11］。

通过研究蚯蚓－菌根在植物修复镉污染土壤中的作用，发现接种菌根不仅能促进黑麦草对镉的吸收，而且还能促进镉从植物的根部向地上部分转移，由于接种蚯蚓可以提高菌根的浸染率，所以二者具有促进镉向地上部分转移的协同作用，这对提高植物修复的效率很有意义[38］。

表2 已筛选出的吸附镉的微生物Tab.2 The screened microorganisms for adsorbing cadmium

3 结语

根据国家环保法的规定，镉是一类污染物。但随着工农业废弃物和生活污水的肆意排放，受污染环境中镉的含量却逐年上升，已经严重影响到了人们的正常生活，镉污染的治理势在必行。由于重金属污染的生物修复技术绿色环保、社会生态综合效益良好且易为公众所接受，尤其是治理费用比传统技术低，并且对重金属污染土壤的治理成效具有永久性，已成为环保领域的世界性、前沿热点研究课题，普遍认为生物修复技术将成为环保领域的朝阳产业。然而，由于该项技术起步时间不长，在基础理论、修复机理及技术工艺方面还需进行大量研究[39］。以下几方面的工作需要重点加强和突破：

（1）目前发现的镉超富集植物不多，并且大都比较矮小、生物量小、生长周期长、修复效率相对较低，所以寻找合适的镉超富集植物一直是植物修复的研究热点之一。

（2）目前筛选的吸附镉微生物大多是耐单一重金属的菌株，很少有筛选到耐多种重金属菌株的报道，这不利于镉的复合型污染的治理。国内学术界对微生物修复的研究仍然停留在实验室层面或小规模的现场试验中，实际应用于环境治理的报道尚不多见。

（3）联合生物修复各种技术，开展以植物修复为主，辅以物理、化学和微生物手段综合修复环境镉污染的研究；特别要加大动物、微生物和超富集植物联合修复技术的开发。在系统水平上研究有共代谢关系的细菌－细菌、细菌－植物之间的网络结构，提高生物修复的效率。

（4）植物对镉的超量吸收、积累及其解毒机理等一系列的基础理论问题有待深入研究。

（5）随着分子生物学和转基因技术的发展，对不同植物和微生物镉耐受相关基因的研究将会越来越多，包括耐受相关基因分离、克隆和功能鉴定；尝试将超富集植物甚至微生物的相关基因克隆到生物量较高的植物中去，培育出生长迅速、生物量大、富集能力强、能够适应不同土壤或气候环境同时能富集多种重金属的超富集植物，也可以构建更加高效的工程菌。

[1]王小波.耐镉酵母的筛选鉴定及其富镉机制的初步研究[D］.成都：西南交通大学，2012.

[2]康浩，石贵玉，潘文平，等.镉对植物毒害的研究进展[J］.安徽农业科学，2008，36（26）：11200－11201，11204.

[3]张兴梅，杨清伟，李扬.土壤镉污染现状及修复研究进展[J］.河北农业科学，2010，14（3）：79－81.

[4]周丽英.水稻根际土壤耐镉细菌的筛选及其耐镉机理研究[D］.福州：福建农林大学，2012.

[5]Hartwig A.Cadmium and cancer[J］.Met Ions Life Sci，2013，11：491－507.

[6]Arriazu R，Durán E，Pozuelo J M，et al.Expression of lysophosphatidic acid receptor 1and relation with cell proliferation，apoptosis，and angiogenesis on preneoplastic changes induced by cadmium chloride in the rat ventral prostate[J］.PLoS One，2013，8（2）：e57742.

[7]Barrett J R.A potential window onto early pancreatic cancer development：Evidence of cancer stem cell growth after exposure to cadmium chloride in vitro[J］.Environ Health Perspect，2012，120（9）：A363.

[8]罗绪强，王世杰，张桂玲.土壤镉污染及其生物修复研究进展[J］.山地农业生物学报，2008，27（4）：357－361.

[9]刘杰.紫苏耐镉胁迫的生理响应及其土壤重金属镉修复潜力评价[D］.福州：福建农林大学，2012.

[10]刘智禹，吴欧燕，吴成业，等.日本对虾对镉富集能力的研究[J］.福建水产，2011，33（5）：20－23.

[11]曾晓希.抗重金属微生物的筛选及其抗镉机理和镉吸附特性研究[D］.长沙：中南大学，2010.

[12]许延娜，牛明雷，张晓云.我国重金属污染来源及污染现状概述[J］.资源节约与环保，2013，（2）：55.

[13]马兰.镉锌复合污染对芹菜生长及营养品质的影响[D］.北京：中国农业大学，2007.

[14]郭朝晖，朱永官.典型矿冶周边地区土壤重金属污染及有效性含量[J］.生态环境，2004，13（4）：553－555.

[15]张晓健，陈超，米子龙，等.饮用水应急除镉净水技术与广西龙江河突发环境事件应急处置[J］.给水排水，2013，39（1）：24－32.

[16]曹莹.财政分权与地方政府经济增长竞争下的河流越界污染[D］.上海：复旦大学，2012.

[17]曹霞.耐铅镉微生物的筛选及其对污染土壤铅镉化学形态的影响[D］.武汉：华中农业大学，2009.

[18]滕应，骆永明，李振高.污染土壤的微生物修复原理与技术进展[J］.土壤，2007，39（4）：497－502.

[19]封功能，陈爱辉，刘汉文，等.土壤中重金属污染的植物修复研究进展[J］.江西农业学报，2008，20（12）：70－73，84.

[20]吴大付，张莉，任秀娟，等.超富集植物研究新进展[J］.河南科技学院学报（自然科学版），2011，39（3）：55－59.

[21]江春玉.重金属铅镉抗性菌株的筛选、生物学特性及其强化植物修复铅镉污染土壤的研究[D］.南京：南京农业大学，2005.

[22]江春玉，盛下放，何琳燕，等.一株铅镉抗性菌株 WS34的生物学特性及其对植物修复铅镉污染土壤的强化作用[J］.环境科学学报，2008，28（10）：1961－1968.

[23]刘威，束文圣，蓝崇钰.宝山堇菜（Viola baoshanensis）——一种新的镉超富集植物[J］.科学通报，2003，48（19）：2046－2049.

[24]Salt D E，Prince R C，Pickering I J，et al.Mechanisms of cadmium mobility and accumulation in Indian mustard[J］.Plant Physiol，1995，109（4）：1427－1433.

[25]Baker A J M，Reeves R D，Hajar A S M.Heavy metal accumulation and tolerance in British population of the metallophyte Thlaspi caerulescens J.＆ C.Presl（Brassicaceae）[J］.New Phytologist，1994，127（1）：61－68.

[26]Yang X E，Long X X，Ye H B，et al.Cadmium tolerance and hyperaccumulation in a new Zn－hyperaccumulating plant species（Sedum alfredii Hance）[J］.Plant and Soil，2004，259（1－2）：181－189.

[27]Bert V，Bonnin I，Saumitou－Laprade P，et al.Do Arabidopsis halleri from nonmetallicolous populations accumulate zinc and cadmium more effectively than those from metallicolous populations？[J］.New Phytologist，2002，155（1）：47－57.

[28]魏树和，周启星，王新，等.一种新发现的镉超积累植物龙葵（Solanum nigrumL.）[J］.科学通报，2004，49（24）：2568－2573.

[29]聂发辉.镉超富集植物商陆及其富集效应[J］.生态环境，2006，15（2）：303－306.

[30]汤叶涛，仇荣亮，曾晓雯，等.一种新的多金属超富集植物——圆锥南芥（Arabis paniculata L.）[J］.中山大学学报（自然科学版），2005，44（4）：135－136.

[31]苏德纯，黄焕忠.油菜作为超累积植物修复镉污染土壤的潜力[J］.中国环境科学，2002，22（1）：48－51.

[32]李玉双，孙丽娜，孙铁珩，等.超富集植物叶用红菾菜（Beta vulgaris var.cicla L.）及其对Cd的富集特征[J］.农业环境科学学报，2007，26（4）：1386－1389.

[33]Wei S H，Zhou Q X.Phytoremediation of cadmium－contaminated soils by Rorippaglobosa using two－phase planting[J］.Environ Sci Pollut Res Int，2006，13（3）：151－155.

[34]李金天.杨桃（Averrhoa carambola）对Cd富集特征与Cd污染土壤植物修复[D］.广州：中山大学，2005.

[35]Tang Y T，Qiu R L，Zeng X W，et al.Zn and Cd hyperaccumulating characteristics of Picris divaricata Vant.[J］.International Journal of Environmental Pollution，2009，38（1）：26－38.

[36]王军军.沉水植物铁皇冠对镉的超富集能力与抗性生理[D］.北京：北京大学，2010.

[37]Zhang X F，Xia H P，Li Z A，et al.Identification of a new potential Cd－hyperaccumulator Solanum photeinocarpumby soil seed bank－metal concentration gradient method[J］.Journal of Hazardous Materials，2011，189（1－2）：414－419.

[38]成杰民，俞协治，黄铭洪.蚯蚓－菌根在植物修复镉污染土壤中的作用[J］.生态学报，2005，25（6）：1256－1263.

[39]桑爱云，张黎明，曹启民，等.土壤重金属污染的植物修复研究现状与发展前景[J］.热带农业科学，2006，26（1）：75－79.