土壤重金属污染问题严峻 植物修复成新途径

 土壤重金属污染问题严峻

      重金属一般是指比重大于5的金属，从环境污染方面所说的重金属通常是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的金属。而在我国的重金属土壤污染中，镉（Cd）污染是危害性zui大的。Cd元素已被环境规划署列为性意义危害化学物质。Cd污染不仅会引起土壤功能的失调、土质的下降，还会不同程度的损害植物的生理发育，影响植株的生长代谢。Cd通过植物吸收，富集而转移进入食物链危害人类的生命和健康。

      如今，城市的土壤已经多少附有了“金属”污染的属性，无论是煤炭燃烧排放废气中的重金属物质，或是汽车尾气中大量的铅化合物，都通过大气回流“沉降”入土，并zui终以某种方式侵害居民的健康和加剧城市环境的污染。

      资料显示，中国受污染的耕地面积达2000万公顷，约占耕地总面积的1/5，其中重金属污染约占污染面积的30%—40%左右。中国每年因土壤污染而减少的粮食产量高达1000万吨，直接经济损失达100多亿元。

      这些重金属可通过农作物吸收进入食物链，严重影响食品安全并危及人类健康。据了解，造成土壤重金属污染的原因复杂，包括工业排放、化肥农药使用及地矿开采等，目前通过物理和化学手段治理非常困难，也容易造成二次污染。

      植物修复土壤污染受推崇

      由于土壤重金属污染存在污染范围广、持续时间长、污染隐蔽、不可逆性等特点，使得它的治理工作变得十分困难。土壤修复的课题大部分是在做现在被污染土壤的修复，但是实际上如果没有在源头上断绝污染，只是在末端做修复，这项工作没有多大的意义 超积累植物对污染金属元素具有*的富集和积累能力，是植物吸取修复的资源，但国内外对重金属污染土壤多年植物连续修复的研究鲜有报道。

      此外，尽管超积累植物单株生物量较小，但是当大面积修复应用时则会产生大的生物量，因此修复植物的安全处置也是实现农田污染土壤成功修复的关键因素之一。

      中国华南植物园土壤生态与生态工程研究组夏汉平研究员曾表示，“目前国内外相关领域的科学家都在对重金属污染土壤的修复技术进行研究。在治理过程中，物理方法费时费工，化学方法又容易造成二次污染。与传统的治理方法相比，植物修复技术具有治理效果的*性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性等优点，因此使其成为重金属污染治理的研究热点。”

      研究人员指出，植物修复技术成功的关键在于寻找超富集植物。因此，筛选对重金属耐受能力高以及具有富集和超富集能力的植物成为目前重金属污染土壤的重要修复途径之一。

      “转存隔离”新机制

       近日，合肥工业大学生物与食品工程学院曹树青教授课题组的研究成果“拟南芥MAN3基因通过谷胱甘肽依赖的途径调控镉耐受”，揭示了植物响应重金属镉胁迫信号转导的分子调控机制。这一研究成果，在揭示了植物响应重金属镉胁迫信号转导的分子调控机制，为土壤重金属污染植物修复基因工程提供了新的技术途径和基因资源。

      该课题组负责人曹树青教授介绍说，“通过植物修复基因工程技术，即使土壤受到重金属污染，植物茂盛生长，同时将土壤内的重金属吸收后储存至液泡中。通过种植这种用遗传工程手段获得的具有重金属高积累和高耐受的植物，即可吸收土壤重金属。对植株进行处理，即可降低土壤中重金属含量。 ”

      目前，该课题组正在进行针对砷、铅等其他重金属的植物响应重金属信号转导分子调控机制研究，并致力于其产业化研究。

      排斥、沉淀和螯合

      重金属东北林业大学森林植物生态学重点实验室的陈琪郭晓瑞2014年5月在汉斯《植物学研究》学术期刊上发表的文章中强调，Cd所引起的污染具有隐蔽性、性和不可逆性，同时Cd又极易进入水体和大气，从而影响食品安全，危害生命保障。在Cd胁迫的危害下，植物也产生了相应的抗性对策，以达到通过避开或耐受重金属污染而继续生存的目的。现阶段，所发现的方式主要有排斥、沉淀和螯合。

      金属排斥是植物抑制重金属进入其体内，或吸收后排出，或阻碍转运过程的现象。有研究表明，植物的细胞脂膜具有选择特异性，是限制Cd2 利用跨膜运输进入细胞内的重要屏障。另外，依据对耐性植物的金属吸收与代谢关系的相关性研究发现，植物的原生质膜能够利用转运器运载主动将重金属排除体外。

      植物对Cd的沉淀主要是通过细胞壁和液泡来完成的，通常被沉淀后的Cd会失去毒性。细胞壁是植株阻碍Cd2 进入植物细胞的*道屏障，通过利用细胞壁的沉淀发挥功能，Cd2 在穿过细胞壁时会部分与细胞壁上的基团结合、沉淀、络合或吸附，从而阻止了大量Cd2 进入原生质体内，降低Cd毒害。

      螯合作用是通过诱导合成金属配位体，并形成金属配位体复合物，且在器官、细胞和亚细胞水平区室化分布，来降低Cd的毒性。现阶段研究结果表明，主要起作用的金属螯合蛋白有金属硫蛋白（Metallothionein，MTs）和植物螯合素（Phytochelatins，PCs）；是衡量植物是否能超级累重金属的一项重要指标。它们能结合植物吸收的Cd2 并去毒化转运至液泡储存，有效减少游离态Cd。

      另一方面，研究人员指出，自然界中的重金属污染主要是多元素复合污染，Cd在与其它金属交互作用中，表现为协同、累加或拮抗等特性，其中以拮抗作用对植物的生长zui为有利，研究价值zui大。

      Cd在与Cu的复合污染中，会通过竞争吸附位点表现出拮抗效果，而相对有效降低Cd的富集；在Cd与Zn的复合污染土壤研究中发现，Cd会与Zn竞争土壤胶体中的吸附点，释放土壤中的化合态Zn，从而提高土壤中Zn的有效性，减少Cd进入植株体的几率；Ca与Cd在土壤中的相互作用，主要呈现出显著抑制吸收的拮抗作用，更好地提高了植株的耐受性，Ca拮抗Cd的主要方式在地上部分，通过有效运转Cd到地上进行消耗或排解。

      然而，施加Cu、Zn、Ca等元素模拟自然状态下复合污染处理，通过有效提高耐受性或富集性，使植物拥有种植在超越其忍受限度的更高浓度的Cd污染土壤上的机会；显示了其巨大的利用植物修复手段去治理更高浓度重金属污染的潜能。且达到金属治理金属污染的双重解决优势。在改善环境土壤污染方面具有深远意义。

      镉的“植物克星”——少花龙葵

      少花龙葵是中国华南植物园的博士研究生张杏锋在夏汉平研究员指导下发现的一种镉的超富集植物。在夏汉平研究员看来，采用土壤种子库—重金属浓度梯度法来筛选重金属超富集植物与以往的常用方法相比，有一定的优越性。

      夏汉平说：“由于少花龙葵能耐高镉污染并能富集大量的镉，而且种源较易获得，繁殖培育也较容易，生物量相对较大，所以比较适合修复高镉污染地区，如工矿企业园及周边地区。但目前还不宜进行大规模推广应用，因为科研成果到推广应用一般都需经过中试过程。因此，少花龙葵也还需要到野外进行中试，若能成功，就能证明该植物可运用到解决目前备受镉污染的土壤修复中来。”

      上海探索高富集木本植物选育

      上海交大农业与生物学院刘群录副教授说，对于土壤污染的治理国内外已有过不少探索，从治理的手段上分为物理、化学和生物措施。物理和化学措施主要采用直接换土法、电化法、稳定固化法等方式。但刘群录强调：“物理和化学措施只适用于有*空的土壤治理，大规模采用该方式成本太高，也不便于实施。”而生物措施则主要利用动物、植物、微生物的生物作用，所用设施相对简单，成本低廉，更适合大规模的应用。

      刘群录在报告中提到，传统的植物修复技术是利用重金属超富集植物（多为草本植物）的种植吸收土壤内的重金属元素，但在实际应用中存在较大限制，且需要每年进行种植和收割，增加了土壤修复的成本。而现在提出使用木本植物，如柳树和杨树，它们的维护成本也更低，更适合作为土壤重金属污染修复的材料。此外，木本植物在吸收重金属污染物之后，通常用作林木资源或生物燃料，不会和人类的食物链发生关联。但刘群录说，目前在木本植物中发现并经证实具有重金属高富集能力的还很少，而且在某些地区实验效果较好的树种，也并不一定适应其他地区的生长，所以，寻找和培育重金属高富集能力的木本植物成为一个亟待解决的问题。

      据了解，木本植物用于修复城市污染土壤的工作在中国尚处于实验阶段，但刘群录透露，他所在的课题组已经在着手准备高富集木本植物的筛选和培育。他们将在广泛调研各类树种的基础上，确定合适的目标树种，然后在实验室将树种幼苗放入含重金属的营养液中水培，进而对树体各个部分重金属的聚集量进行测量分析，希望发现对重金属具有较强富集能力、且适合上海地区生长的木本树种。