重金屬富集植物種質資源收集研究進展

張英　朱守晶 揭雨成　邢虎成　佘瑋 魯雁偉 陳建芳

摘 要 隨著工礦業發展、城市化進程的加快、農藥化肥的施用，我國的重金屬土壤污染問題日趨嚴重。相比物理、化學修復方法，植物修復技術更加廉價、安全，成為目前各國研究的熱點。超富集植物是植物修復技術的關鍵核心，開展超富集植物的收集、篩選、研究工作具有非常深遠地意義。基于此，結合國內外在重金屬超富集種質資源收集方面的進展進行簡要綜述。

關鍵詞 重金屬；超富集植物；種質資源

中圖分類號：S46 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.27.089

隨著城市化和工業化的發展，礦山開采冶煉、工業“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）、汽車尾氣、化肥農藥的施用所帶來的土壤重金屬污染問題越來越引起世界各國的關注。廣義上的重金屬是指密度大于5 g·cm-3的金屬元素，生態環境方面的重金屬是指Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn以及具有較強生物毒性的As。土壤中的重金屬可通過食物鏈在動物以至于人體內富集，進而對人體健康造成損害，例如20世紀發生在日本富山縣和水俁鎮的“痛痛病”和“水俁病”，就是分別由Cd中毒和Hg中毒引起的。礦山開采所產生尾庫是土壤重金屬污染的主要來源，這些固體廢物來到地表以后，由于環境變化造成了多種重金屬元素向地面土壤當中的釋放，進而產生了重度重金屬污染的土壤，造成生態環境的惡化。

農業部污灌區調查發現，我國污灌區面積約在140萬公頃，其中重金屬污染面積占64.8%。過去50年中，世界排放到環境中的重金屬Cd約22 000萬噸、Cu約939 000萬噸、Pb約783 000萬噸、Zn約1 350 000萬噸。土壤是極其寶貴的自然資源，由于土壤重金屬污染具有不可逆、隱蔽性等特點，一旦遭受污染就難以修復。因此，重金屬污染土壤修復的需求越來越變得緊迫，成為亟待解決的棘手問題。

1 植物修復的概念

植物修復的設想最早是由美國科學家Chaney在1983年提出的，即通過種植一些超富集植物來清除土壤中的重金屬。植物修復是生物修復的一部分，一般是指利用綠色植物的生命代謝活動來吸收、分解、揮發或固定土壤環境中的重金屬，降低重金屬在土壤中的總量和有效態含量，從而使污染了的環境能夠部分恢復到原初狀態的過程。

2 超富集植物的特征

目前，對重金屬超積累植物比較公認的判定標準包括以下三個方面。1）植物地上部較普通植物能夠積累10～500倍某種或幾種重金屬，即地上部干重的Cd含量應在l00 mg·kg-1以上，Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量應在

l 000 mg·kg-1以上，Mn、Zn含量應在10 000 mg·kg-1以上。2）地上部重金屬含量大于根部或地下部該重金屬含量，即轉運系數>1。3）對重金屬具有較強的耐性且沒有出現明顯的毒害癥狀。

3 重金屬超富集植物種質資源

1948年，Minguzzi等[1]首先在意大利南部富含Ni的風化土壤中發現了Ni超富集植物，其葉片干重的Ni含量高達1%，這是人們首次找到超富集植物。目前，世界各國對遏藍萊屬（Thlaspi）、庭芥屬（Alyssuns）、蕓苔屬（Brassica）的超富集植物研究的較多。現已發現的Cu、Mn、Ni、As、Cd、Co、Zn、Pb和Se等重金屬元素的超積累植物達到492種左右，分布于45個科，其中320多種是Ni超富集植物。近年來，許多學者對植物修復領域產生了濃厚的興趣并取得了一定成果。

4 重金屬超富集植物的特征

尋找和培養生物量大、生長速率快、生長周期短的超富集植物，是提高植物提取技術效益的長期策略。現有的超富集植物大部分都是野生植物資源，其生長速度慢、生物產量低、修復時間長、地域性強，并且大多只能修復一種重金屬污染，難以達到修復重金屬污染土壤的目的。由以上存在的問題可以推出，理想的修復用植物應該符合以下五個特征。1）具有富集一種或幾種重金屬的能力，并能富集于植物的地上部分。2）對富集于體內及體外未被吸收的重金屬有耐受性。3）具有高的生物量，生長速度快。4）具有發達的根系。5）為人們所熟悉，已經掌握其栽培及植保技術，且在當地就有生長。為此，繼續尋找開發生物量較大又具經濟價值的且對重金屬耐性強、富集性強的植物或作物是植物修復技術走向工程應用的首要任務。

5 苧麻對重金屬的抗性和富集能力

岳慶玲[2]對寶山鉛鋅銀礦區調查發現，在高Pb土壤背景下，苧麻地上部的Pb含量超過1 000 mg·kg-1，在柿竹園礦區和寶山礦區，苧麻對各種重金屬元素的轉運系數都大于1，表明苧麻可能是Cd和Pb超富集植物。佘瑋[3]對石門雄黃礦區、冷水江銻礦區、瀏陽七寶山礦區的野生苧麻重金屬吸收積累特征的調查發現，苧麻Cd富集系數和轉移系數最高為2.07和3，As富集系數和轉移系數最高為1.04和12.42，Sb富集系數和轉移系數最高為1.91和9.04，盆栽和微區試驗表明，在最高89.9 mg·kg-1 Cd處理下，雖然株高、生物量、葉片數、SPAD值降低，苧麻存活率仍能達到100%，可以完成正常生長周期，表現出較強的耐鎘特性。韋朝陽等[4]在兩個砷礦區的調查發現，石門雄黃礦尾砂壩附近，僅生長蜈蚣草、苧麻，舊冶煉區僅有苧麻等10種植被，苧麻對砷具有極強的耐性，高砷區苧麻葉、莖、根中的砷含量分別為536 mg·kg-1、

103 mg·kg-1、69 mg·kg-1。曹德菊等[5]采用盆栽試驗，研究了苧麻對Cd的耐受能力，結果表明苧麻對Cd有一定的富集積累效應，在Cd濃度達200 mg·kg-1時長勢較好，低于200 mg·kg-1的Cd溶液可促進苧麻生長，富集系數最高可達9.95，具有一定的修復潛力。龍育堂等[6]在Hg污染稻田種植苧麻，發現在土壤Hg含量130 mg·kg-1

以下的條件下苧麻的產量、品質未受明顯影響，土壤Hg凈化率達41%，土壤自凈年限比水稻縮短8.5倍。陳志澄等[7]對廣東土法煉砷廢墟及其周邊砷污染調查發現，苧麻是耐砷植物，模擬試驗表明種植苧麻可減少As的遷移，不會引起二次污染。雷梅等[8]對湖南柿竹園礦區調查發現，苧麻是優勢種，在重金屬污染最嚴重的才山選礦廠，僅有蕁麻科的苧麻、鳳尾蕨科的蜈蚣草、木賊科的木賊零星分布，苧麻對重金屬有一定的富集能力，其地上部和根部鉛含量分別為680 mg·kg-1和444 mg·kg-1，對鉛的富集能力明顯高于其他植物。苧麻還具有很強的富集鎘的能力，在含鎘10 mg·kg-1的污染農田土壤上，其地上部含量就能達到

l5 mg·kg-1，可見苧麻屬于富集型植物。

6 研究展望

植物修復相比傳統修復方法具有很多優勢，如環保、廉價、適用于大面積土壤修復等，但作為一門剛剛興起的技術還存在一些缺陷，1）植物對土壤環境中的重金屬有一定的耐性限度，污染過于嚴重的土壤不適用于植物修復。2）多數超富集植物屬于野生植物，生物量小，生長緩慢且具有落粒性，易受環境條件影響。3）修復周期較長，難以適用于快速修復。4）根系較淺，大部分超積累植物的根系分布在耕層20～30 cm的深度，只適用于表層土壤修復。5）對重金屬具有選擇性，大多數只能富集一種或幾種重金屬，不具備廣譜性。6）大部分植物修復還處于示范階段。因此，加強重金屬超富集植物種質資源的搜集、整理和分類工作，尋找生物量更高、生長速度更快，特別是能夠進行復合污染修復的野生超富集植物資源，并克隆、鑒定相關作用基因，對現有作物特別是不進入食物鏈的經濟作物進行改良，創造新的超富集植物種質資源，將成為未來的發展趨勢。

參考文獻：

[1] Minguzzi C， Vergnano O. Ⅱ Contenuto Dinichel Nelleceneridi Alyssum Bertolonii Desvaux[J]. Soc Tose Sci Nat Ser A，1948，55：49-74.

[2] 岳慶玲.湖南典型礦區土壤和植物重金屬污染研究[D].楊陵：西北農林科技大學，2004.

[3] 佘瑋.苧麻對重金屬吸收和積累特征及鎘脅迫響應基因表達研究[D].長沙：湖南農業大學，2010.

[4] 韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態學報，2001（7）：1196-1203.

[5] 曹德菊，周世杯，項劍.苧麻對土壤中鎘的耐受和積累效應研究[J].中國麻業，2004，26（6）：272-274.

[6] 龍育堂，劉世凡，熊建平，等.苧麻對稻田土壤汞凈化效果研究[J].農業環境保護，1994，13（1）：30-53.

[7] 陳志澄，毋福海，黃麗玫，等.砷礦尾砂污染及其治理研究[J].環境污染與防治，2006，28（3）：180-182.

[8] 雷梅，岳慶玲，陳同斌，等.湖南柿竹園礦區土壤重金屬含量及植物吸收特征[J].生態學報，2005，25（5）：1146-1151.

（責任編輯：劉昀）