重金屬污染區(qū)修復(fù)植物研究進(jìn)展

阮 飛，況紅玲，王 燕，劉 丹，瞿燕群，杜 丹，李世鶴，王小鋒

（1.武漢法雅園林集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430206；2.湖北民族學(xué)院 林學(xué)與園藝學(xué)院，湖北 恩施445000）

1 引言

重金屬，是指相對密度在5以上的金屬，在工業(yè)上劃入重金屬的共有10種：銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、錫（Sn）、鎳（Ni）、鈷（Co）、銻（Sb）、汞（Hg）、鎘（Cd）和鉍（Bi）。除此之外，錳（Mn）也是一種十分常見的重金屬。重金屬一般以天然濃度廣泛存在于自然界中，不會直接對人類產(chǎn)生危害，但由于人類對重金屬的開采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動日益增多，造成不少重金屬如Pb、Hg、Cd、Co等進(jìn)入大氣、水、土壤、植物、動物中，以各種化學(xué)形態(tài)存在，再進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后就會存留、積累和遷移，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。其中，對人體毒害最大的重金屬有Pb、Hg、砷（As）、Cd和Cu 5種。Pb一旦進(jìn)入人體就很難排除，能直接傷害人的腦細(xì)胞，特別是胎兒的神經(jīng)系統(tǒng)，可造成先天智力低下；對老年人會造成癡呆，另外還有致癌、致突變作用。Hg主要侵犯神經(jīng)系統(tǒng)，特別對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的危害極大，以肝、腎、腦組織含量最多，會導(dǎo)致注意力缺陷，語言和記憶障礙，運動及感覺能力的下降等。As是砒霜的組分之一，有劇毒，會致人迅速死亡，長期接觸少量，會導(dǎo)致慢性中毒，另外還有致癌性。進(jìn)入人體的Cd主要蓄積于腎臟和肝臟（分別約占全身蓄積量的1／2和1／6），損害腎、肝、骨骼和消化系統(tǒng)，特別是腎小管的損害，使再吸收發(fā)生障礙，可出現(xiàn)蛋白尿、氨基酸尿和糖尿。Cd及其化合物對動物和人也有一定的致癌、致畸和致突變的作用。Cu是人體所需的微量元素，當(dāng)人體Cu攝入量不足時可引起缺乏病，但攝入過量卻又可能造成中毒，包括急性Cu中毒、肝豆?fàn)詈俗冃浴和蝺?nèi)膽汁淤積等病癥。這些重金屬在水中不能被分解，人飲用后毒性放大，與水中的其他毒素結(jié)合生成毒性更大的有機(jī)物。生物從環(huán)境中攝取重金屬后可以經(jīng)過食物鏈的生物放大作用，在較高級生物體內(nèi)成千萬倍地富集起來，然后通過食物進(jìn)入人體，在人體的某些器官中積蓄起來造成慢性中毒，危害人體健康。隨著人類生態(tài)環(huán)境和復(fù)雜疾病的日益惡化，人們對重金屬污染給人類帶來的危害越來越感到恐懼和不安。多年來，各國科學(xué)家在重金屬污染區(qū)的修復(fù)植物方面做了許多研究工作。現(xiàn)將近些年的研究進(jìn)展簡單總結(jié)如下，以供致力于選育更多能抗重金屬污染的植物，改善人們生存環(huán)境的相關(guān)主題的研究者參考。

2 修復(fù)重金屬污染區(qū)的喬木

2.1 修復(fù)單一重金屬污染區(qū)的喬木

早期，科研工作者主要針對單一重金屬污染區(qū)的植物修復(fù)研究。楊偉東［2］等人采用水培試驗方法，研究了Cd對垂柳（Salix babylonica L.）3個無性系生長、吸收、積累及耐性的影響。結(jié)果表明：Cd對垂柳生長參數(shù)影響與無性系和介質(zhì)中Cd的劑量有關(guān)，低濃度Cd（10 μmol／L）對3個無性系生長參數(shù)影響不顯著；根系與地上部分Cd含量隨介質(zhì)中Cd濃度升高而增加；Cd主要積累于垂柳根部，地上部分Cd積累在無性系之間存在差異，Cd濃度為10μmol／L時，3個無性系地上部分含Cd量均大于100μg／g，遷移系數(shù) （TF）小于1。何德等人從事的研究發(fā)現(xiàn)，旱柳 （Salix matsudana Koidz.）對重金屬Cd的積累較高［9］。歐陽林男等人從事的Mn污染土壤的修復(fù)研究結(jié)果表明，構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）是一種抗錳或嗜錳的植物種類，在 Mn污染環(huán)境中表現(xiàn)出來極強的生命力和耐受力，可作為理想的錳礦污染區(qū)修復(fù)的先鋒樹種［16］。此外，欒樹可作為用材林使用，有一定的經(jīng)濟(jì)價值，也可作為錳礦區(qū)植物修復(fù)的首選喬木植物之一［14］。康薇等人從事的對湖北古銅礦的研究結(jié)果表明，在Pb污染區(qū)域可選擇栽植二球懸鈴木（Platanus acerifolia Willd.）和構(gòu)樹，在 Cd污染區(qū)域可選擇栽植法國冬青（Viburnum odoratissimum Ker－Gawl）、梧桐（Firmiana plataL.）等樹種［18］。

2.2 修復(fù)復(fù)合重金屬污染區(qū)的喬木

隨著環(huán)境的惡化，人們逐漸發(fā)現(xiàn)重金屬污染區(qū)的重金屬種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只一種，隨之具有復(fù)合修復(fù)功能的植物也相繼被發(fā)現(xiàn)。張婧等人認(rèn)為，重金屬元素中有很多是對桉樹（Eucalyptus robusta Smith）生長發(fā)育有促進(jìn)作用的微量元素；并且桉樹在Cd、Zn、Mn、Pb、Cu等重金屬土壤污染地區(qū)栽植可以取得成功，且桉樹對于土壤中上述重金屬元素有較好的富集效果；再者在上述重金屬污染區(qū)種植桉樹，由于桉樹樹干通直，后期還可以通過間伐取得木材，解決木材供應(yīng)緊張的難題，可謂一舉兩得，具有可觀的經(jīng)濟(jì)收益［1］。據(jù) Paolis et a1報道，楊樹（Populus L.）根系發(fā)達(dá)，對毒性外來物質(zhì)耐受性強，具富集及轉(zhuǎn)運重金屬到地上部分的能力［3］。在整個北美洲，楊樹已被廣泛應(yīng)用于修復(fù)重金屬、鹽、有機(jī)溶劑和放射性物質(zhì)所污染的土地，是有效的Cd和Zn的富集植物［4］。據(jù)國外報道，柳樹（Salix matsudana Koidz.）對重金屬離子Cd和Zn具有較高的積累能力［5～7］，柳樹生長迅速 ，生物量大 ，能有效地從土壤中吸收重金屬元素 ，清除效率較高 ，對受工業(yè)金屬污染的土壤起到整治的作用［8］。方晰等人對湘潭錳礦廢棄地的植物進(jìn)行了盆栽試驗，得出欒樹（Koelreuteria paniculata）對礦渣廢棄地土壤適應(yīng)性強，生長旺盛，生物量大，可在一定程度上改善土壤肥力，且對Mn、Cd有一定的吸收作用的研究結(jié)論［15］。張煒鵬等人從事的南方綠化樹種對重金屬的積累的研究認(rèn)為，垂枝榕（Ficus beniamina‘Exotica’）、菩提樹（F.religiosa）、鳳凰木（D eloniw reg ia）、南洋杉（Araucaria cunningham ii）分別對 Pb、Cd、Hg、As的積累作用較大，宜用這些樹木進(jìn)行重金屬污染的治理和修復(fù)，洋紫荊（B auhinia variegata）、南洋杉、高山榕（F.altissinza）、小葉榕（F.microcarpa）分別對Pb、Cd、Hg、As的抗性最小，即敏感性最強，可用于重金屬污染的監(jiān)測［17］。康薇等人從事的對湖北古銅礦的研究結(jié)果表明，對于Cu、Pb和Cd等重金屬復(fù)合污染區(qū)域適宜栽植法國冬青、梧桐、苦楝（Melia azedarach L.）、女 貞 （Ligustrum lucidum L.）、桂 花 （Osmanthus fragrans （Thunb.）Lour.）、青 岡 櫟 （Cyclobalanopsis glauca（Thunb.）Oerst.）、毛泡桐（Paulownia tomentosa（Thunb.）Steud.）、杉 木 （Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook）、意楊（Populus euramevicana cv.‘I－214’）、樟樹（Cinnamonum campora（L.）Pres）、夾竹桃（Nerium indicum Mill.）和刺槐（Robinia pseudoacacia L.）等樹種，且認(rèn)為木本植物生物量為草本植物的幾十乃至數(shù)百倍，所積累的重金屬總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般超富集草本植物［18］。張富運等人報道合歡（Albizia julibrissin Durazz.）、泡 桐 （Paulownia Sieb.et Zucc.）、紅 椿（Toona ciliata Roem.）、旱柳等喬木對 Pb表現(xiàn)出一定抗性，且生物量較大，具有一定的修復(fù)潛力，在治理鉛鋅尾礦水土污染中具有應(yīng)用前景［20］。綜合何德等人的研究成果，說明旱柳是一種可用于Pb、Zn、Cd復(fù)合污染區(qū)生態(tài)修復(fù)的樹種。陳益泰等人通過在浙江富陽市的廢棄鉛鋅尾礦庫進(jìn)行的人工植被恢復(fù)試驗 ，篩選出8種植物作為廢棄鉛鋅尾礦庫綠化的優(yōu)選植物。一類是抗性較強，受害輕微，生長較好，體內(nèi)重金屬濃度不高的植物，如紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn.）、截葉胡枝子（Lespedeza cuneata）、火 炬 樹 （Rhus Typhina）、榿 木 （Alnus cremastogyne）、夾竹桃；另一類是受害較重、生長一般，但體內(nèi)重金屬濃度較高、積累量較大，如加拿大紫荊（Cercis canadensis）、鹽膚木（Rhus chinensis）、紫花苜蓿（Medicago sativa）［21］。

3 修復(fù)重金屬污染區(qū)的草本植物

一些草本植物對重金屬具有較高的積累能力，如印度芥菜（Brassica juncea）、商陸（Phytolacca acinosa）、向日葵（Helianthus decapetalus）、蜈蚣草（Pteris vittata）等等［10，11］。聶發(fā)輝等人對商陸的超富集重金屬能力的研究表明，商陸具備鎘超富集植物的一些特點，在植物修復(fù)應(yīng)用中具有一定的應(yīng)用前景 ，可對之作進(jìn)一步的實驗研究。特別指出，與其他植物不同的是 ，商陸對鎘的儲存多集中在莖葉中，地上部分鎘遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下部分［22］。一般植物對重金屬的富集量都是地下部分大于地上部分。據(jù)譚長銀等報道，美國利用遏藍(lán)菜屬（Thlaspi L.）植物修復(fù)長期施用污泥導(dǎo)致重金屬污染的土地取得了明顯的效果［12］。中山大學(xué)湯葉濤等人首次在我國發(fā)現(xiàn)圓錐南芥（Arabis paniculata L.）有修復(fù)Pb、Zn、Cd復(fù)合污染土壤的功能，填補了國內(nèi)多金屬超富集植物的空白［13］。據(jù)梁希等人報道，Mn超積累植物多為草本植物，主要為陸科、蓼科和衛(wèi)矛科，它們雖然能超富集Mn，但生物量小，沒大的經(jīng)濟(jì)價值，在實際治理中并不實用［14］。束文勝等人報道鴨跖草（Commelina communis Linn.）達(dá)到Cu超富集植物標(biāo)準(zhǔn)，海州香薷（Elsholtzia splendens Nakai ex F.Maekawa）、蠅 子 草（Silene gallica L.）、頭 花 蓼 （Polygonum capitatum Buch.－Ham.ex D.Don）和 狗 尾 草 （Setaria viridis（L.）Beauv.）等種類為 Cu的耐性植物［19］。張富運等人報道比較典型的Zn超富集植物有東南景天（Sedum alfredii Hance），As 超 積 累 植 物 有 蜈 蚣 草［Nephrolepiscordifolia（L.）Presl］和大葉井 口邊草（Pteris nervosa Thunb.（P.cretica auct.Non L.）），Cd超積累植物有油菜（Brassica campestris L.）和寶山堇菜（Viola baoshanensis）以及 Mn超積累植物商陸等［20］。何閃英等人采用盆栽方法，研究了Cu（0～1500mg·kg）和酸雨（pH值2.5～5.6）復(fù)合脅迫對酸模Cu富集、生長和抗氧化酶系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明酸模的根（Rumex acetosa）和地上部Cu的積累量隨土壤Cu濃度的增大而增加，且根富集量大于莖葉富集量，酸雨能促進(jìn)酸模對Cu的吸收；隨著土壤中Cu濃度和酸雨強度的增加，酸模的生物量逐漸下降。Chunilall等發(fā)現(xiàn)綠穗莧（Amaranthus hybridus）和一種紅莧（Amaranthus dubi us）對重金屬Cd有很強的富集能力［24］。李凝玉等人從事的研究也證明了上述觀點，認(rèn)為兩種莧菜（紅莧和綠莧）具有生物量大、易栽培、施加NPK肥能夠大幅增加生物量的同時不減少器官對Cd的吸收等優(yōu)點 ，作為Cd污染土壤的修復(fù)植物有巨大應(yīng)用前景［25］。楊菲等人對安徽銅陵冬瓜山銅礦水木沖尾礦庫生態(tài)修復(fù)植物香根草及其根際尾礦砂中重金屬Cu、Zn、Mo和Cd進(jìn)行了賦存形態(tài)分析，結(jié)果表明：香根草根際尾礦砂中4種元素形態(tài)絕大部分是殘渣態(tài)，但Cu和Cd的有效態(tài)含量遠(yuǎn)高于香根草正常生長所需，表明香根草是有色金屬礦山尾礦庫理想的生態(tài)修復(fù)植物［26］。

4 展望與建議

由于重金屬污染的造成與人類的活動密切相關(guān)，而這種污染隱蔽性強，危害大，修復(fù)需要的時間長、代價高，應(yīng)引起全人類的高度重視。沒有意識此問題嚴(yán)重性的當(dāng)?shù)卣畱?yīng)多加強干預(yù)，勸導(dǎo)人類盡快停止目光短淺、一味追求眼前經(jīng)濟(jì)利益的造成污染的活動，以免污染區(qū)的范圍越來越大，導(dǎo)致難以控制和治理。

隨著全球自然災(zāi)害發(fā)生頻率的增加，全球氣候變暖趨勢的不斷加劇以及中國PM2.5污染區(qū)的不斷擴(kuò)大，抗重金屬污染的植物尤其是喬木綜合有效運用已不僅僅是一個地區(qū)、一個國家的難題，而是在全世界礦區(qū)、采煤區(qū)等陸地區(qū)域函待解決的長久性世界難題，同時這些植物是否也能有效調(diào)解氣候，改善空氣質(zhì)量，維持生態(tài)平衡，也是人們對植物用途的密切期望。污染區(qū)重金屬修復(fù)植物和生態(tài)平衡調(diào)節(jié)植物的綜合研究與應(yīng)用有待于在今后的工作中進(jìn)一步加強。

［1］張 婧，杜阿朋.桉樹在土壤重金屬污染區(qū)土壤生物修復(fù)的應(yīng)用前景［J］.桉樹科技，2010（12）：46.

［2］楊衛(wèi)東，陳益泰.垂柳對鎘吸收積累與耐性的特點分析［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（9）：17.

［3］Paolis M R D，Pietrosanti L，Capotorti G，et a1.Salicacae establishment in a heavy metal－contaminated site revealed by ecophy siological characte rizatio n of the culturable soil bacterial fraction［J］.Water Air，and Soil Pollution，2011，216（1～4）：505～512.

［4］劉艷麗，吳鳳霞.楊樹修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展［J］.林業(yè)科學(xué)，2012（9）：139～142.

［5］Kuzovkina Y A，Knee M，Quigley M F.Cadmium and copper uptake and translocation in five willow （Sali L.）species［J］.Int J Phytoremediation，2004（6）：269～287.

［6］Vandecasteele B，Meers E，Vervake P，et al.G row th and trace metal Accumulation of two Salix clones on sediment.derived soils with increasing contamination levels［J］.Chemosphere，2005，58：99.

［7］Dickinson N M，Pulford I D.Cadmium phytoextraction using short－rotation coppice Salix；the evidence trail［J］.Environ Int，2005，31：609～613.

［8］Meets E，L amsal S，Vervake P，et a1.Availability of heavy metals for uptake by Salix viminalis on a moderatelycontam inated dredged sediment disposal site［J］.Environ Pollut.2005，137：354～364.

［9］何 德，李翠新.重金屬脅迫后旱柳全長cDNA文庫的構(gòu)建［J］.廣西林業(yè)科學(xué)，2012（9）：222.

［10］Baker AJM，Brooks R R.Terrestrial higher pants which accumulate metallic elements－a review of their distribution，ecology and phytoehemistry［J］.Bioreeovery，1989，1：81～126 .

［11］Meers E，Rurrens A，Hopgood M，et a1.Potential of Brassic rapa，Cannabis sa tiva，Helianthus annuus and Zea mays for phytoex tration of heavy metals from calcareous dredged sediment deriveersoils［J］.Chemophere，2005，61：61～572.

［12］譚長銀，余 霞.鎘污染土壤的植物修復(fù)及修復(fù)植物的能源利用潛力［J］.經(jīng)濟(jì)師，2011（8）：52.

［13］湯葉濤，仇榮亮.一種新的多金屬超富集植物［J］.中山大學(xué)學(xué)報，2005（7）：135.

［14］梁 希，陳永華.錳礦區(qū)廢棄地植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2005（7）：105～107.

［15］方 晰，田大倫，康文星.湘潭錳礦礦渣廢棄地植被修復(fù)盆栽試驗［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2007，27（1）：15～19.

［16］歐陽林男，吳曉芙，郭丹丹，等.錳污染土壤修復(fù)的植物篩選與改良效應(yīng)［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2012（12）：9.

［17］張煒鵬，陳金林.南方主要綠化樹種對重金屬的積累特性［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（9）：125.

［18］康 薇，鮑建國.湖北銅綠山古銅礦遺址區(qū)木本植物對重金屬富集能力的分析［J］.植物資源與環(huán)境學(xué)報，2014，23（1）：78～84.

［19］束文勝，楊開顏.湖北銅綠山古銅礦冶煉渣植被與優(yōu)勢植物的重金屬含量研究［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物報，2001，7（1）：7～12.

［20］張富運，陳永華.鉛鋅超富集植物及耐性植物篩選研究進(jìn)展［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2012，12（12）：93～95.

［21］陳益泰，施 翔.鉛鋅尾礦區(qū)15種植物的生長及對重金屬的吸收積累［J］.林業(yè)科學(xué)，2012，12（12）：22～29.

［22］聶發(fā)輝，吳彩斌，吳雙桃.商陸對鎘的富集特征［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報，2006，23（4）：400～405.

［23］何閃英，高永杰.銅和模擬酸雨復(fù)合脅迫對酸模銅富集生長及抗氧化酶系統(tǒng)的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22（2）：481～487.

［24］Chunilall V，Kindness A，Jonnalagadda S B.Heavy metal uptake by two edible Amaranthus herbs grown on soils contaminated with lead，mercury，cadmium，and nicke1［J］.Journal of Environmental Science and Health Part B ，2005，40（2）：375～384.

［25］李凝玉，李志安.施肥對兩種莧菜吸收積累鎘的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2012，32（18）：5937～5942.

［26］楊 菲，肖唐付.銅礦尾礦庫修復(fù)植物香根草及其根際尾礦砂中重金屬形態(tài)研究［J］.地球與環(huán)境，2010，8（3）：280.