植物修復重金屬銅污染的研究進展

＊畢玲麗 陳瑩 米瑪 施隆敏 崔小梅

（西藏大學生態環境學院 西藏 850000）

隨著城市化和工業化的快速發展，重金屬污染成為了我國當今面臨的重要環境問題之一。其具有長期性、累積性、難降解和生物富集等特點，會對土壤、水體和空氣等環境要素造成嚴重的危害，引發一系列生態環境和人類健康問題，因此，尋找一種有效的污染治理方法顯得尤為重要。

植物修復具有經濟有效、操作簡單的特點，其中濕地植物由于其獨特的生態適應性和富集能力，成為了近年來備受關注的治理方法之一。現在已發現大約721種超富集植物[1]，其中富集銅的植物包括蘆葦、菖蒲、苔草、蒿草類等54種[2]。研究表明蘆葦、香蒲、苣荬菜、播娘蒿、垂柳等植物對銅的富集能力較好，且蘆葦是其中富集能力最好的[3]。柳葉繡線菊對土壤中銅有較強的富集效應，轉移系數大于1[4]；其他濕地植物如香蒲和美人蕉等，也表現出一定的富集能力，對銅轉移系數分別為2.251和0.097[5]。

目前植物對吸收機制和過程的研究還待進一步闡明，本論文結合銅的來源、危害，對植物富集銅的機制進行闡述，表明了選擇合適的植物對修復Cu污染的必要性，為今后探索和研究不同類型植物的吸附提供理論支撐。

1.銅的來源與危害

（1）來源。銅的來源分為自然源和人為源。自然源即土壤母質中含銅，人為源主要是由人類的生產活動所引起，包括礦物資源的開采、農業活動、養殖業和工業生產。

①礦物資源的開采。礦藏的開采是銅污染的重要來源。銅在自然界中以化合態存在，殘渣態是最穩定的，不易被植物吸收，對環境的毒害小；有機態對土壤最重要，易被植物利用[6]。在多種環境因素的作用下，銅在采礦、運輸及冶煉的過程中，經長期的自然氧化、酸化、雨水淋溶等被釋放進入到周邊環境，造成危害。同時，開采過程中產生的金屬粉塵也是造成污染的來源之一。

②農業活動。農業活動中銅的來源與農藥、肥料、除草劑使用以及廢水灌溉有關[7]。不合理使用農藥導致銅在降雨和灌溉中隨著地表徑流或者地表水和地下水循環交換，對水資源造成污染，進而導致更多的環境問題[8]。圖1為銅在環境因子與生物圈中的相互作用。

圖1 農業活動中銅的遷移

③養殖業。養殖業為防病促生長會向飼料中添加大量銅鋅，高銅情況下除了能導致豬的代謝紊亂、增強胃潰瘍等[9]，還會隨著牲畜的糞便排出，作為有機肥料添加到土壤中進而造成污染。牧業消毒殺菌所使用的波爾的主要成分是硫酸銅，當硫酸銅劑量超過125mg/kg，波爾多液將會產生亞慢性毒性[10]。

④工業生產。作為一種豐富的自然資源，Cu具有優良的導電性、導熱性等，被廣泛應用于電、能源石化、輕工、新興工業等領域。在應用過程中，產生“三廢”，“三廢”通過大氣沉降、廢液滲透、固廢接觸等途徑污染環境。

總之，不同來源產生的銅經母巖變質、大氣沉降、污水灌溉、固廢填埋等途徑進入大氣、水、土壤，發生遷移變化。

（2）危害。銅是生物體必需的微量元素，能合成生物體生長發育所需的各種酶。人體中的銅主要作銅蛋白的原料，超過攝入量的銅會導致血紅蛋白變性，破壞細胞膜，抑制酶活性，影響正常的生理活動。早在19世紀末，就有研究表明銅有抗生育影響[11-12]，其原理分為兩部分：一是Cu2+抑制精子中的SH酶；二是Cu2+在宮腔內溶蝕，增加宮頸粘液和宮內膜Cu2+濃度，對受精造成抑制作用。銅(Ⅱ）還會增加患上阿爾茨海默病的風險[13]。

銅還參與植物的新陳代謝，如光合作用的電子傳遞系統、呼吸系統和細胞壁的合成[14]。不同含量的Cu會導致植物出現不同表現，高濃度銅會破壞DNA并使蛋白質變性；含量低又無法達到穩定葉綠體中葉綠素及其他色素的作用，從而使光合作用減弱。

銅對微生物的毒害作用是通過抑制細胞呼吸來影響其指示、自凈作用。胡蘭蘭的研究表明銅含量超過0.015mg/L時會抑制水體的微生物作用而導致水體的自凈作用下降[15]。此外，1mg/L和2mg/L的Cu2+會抑制SOUR和ttc-脫氫酶活性而降低污泥活性[16]。

2.修復機制

濕地植物達到修復銅污染的目的是通過植物的根部作用將土壤中的銅富集于地下部分并轉移到地上部分累積，通過收割植物地上部分，達到修復目的，如圖2所示。植物對銅污染的修復效應是通過多種機制實現的，主要包括以下三方面：

圖2 植物修復銅污染技術原理圖

（1）植物穩定技術。植物穩定技術是一種原位降低金屬活動性、生物有效性的技術，通過植物的吸收或者根系分泌的特殊物質，使銅鈍化，固定在根系周圍，防止其向水中土壤深層、地下水擴散。然而該技術處理的銅不會被植物所利用，隨著土壤條件的改變，仍有可能被復原[17]，重新危害環境。因此，植物穩定技術有待進一步研究。

（2）植物提取技術。植物提取則是利用超富集植物的超量積累機制[18]。超富集植物對銅的積累量是在1000mg/kg以上，通過根部作用將銅轉移、貯存到植物地上部分，然后收割植物地上部分并集中處理。目前植物提取分為兩種，連續植物提取和螯合劑輔助的植物提取。連續植物提取主要依靠植物本身的吸收積累量，降低土壤中的銅含量；螯合劑輔助提取是通過螯合劑增加環境中銅濃度，促進銅在植物體內的運輸，增強植物地上部分的富集能力。但是需考慮螯合劑是否會帶來新的環境污染問題。

（3）植物根際微生物修復技術。微生物—植物—土壤形成的根際圈，能夠幫助增強植物的富集能力。翟海波[19]闡述了菌根真菌強化修復能力的機理：一是其菌絲的強吸附力能將銅固定在根內或根外菌絲的細胞壁和原生質層中，減輕危害；二是它的分泌物會改變土壤的pH、Eh、微生物的群落結構，進而改變銅的植物有效性，促進根對銅的吸收。例如，球囊霉屬菌根真菌能促進銀白楊的螯合蛋白和網格蛋白基因上調表達增強對銅的抗性[20]。

3.植物的選擇

在應用植物修復技術時，關鍵在于選擇合適的植物。銅是植物所必需的微量元素，對植物的生長發育有“低促高抑”的效果。因此需考慮多種因素，如對環境的適應能力、富集系數、生長周期及耐受力[21]；季節也是重要因素之一[22]。另有研究表明根系表面積和葉片生物量決定了蒸騰作用和總生物量，從而影響植物的修復效率[23]。此外，還要從美學上考慮是否具有觀賞性。植物修復銅污染具有經濟、生態友好的優點，但相對物理、化學修復方法而言效率較低，李春林[24]對礦山開采附近的土地進行了植物修復，雖然銅等元素的平均濃度下降了20%以上，但植物修復周期長達八個月。總之，在選擇植物用于銅污染修復時，需要綜合考慮，以達到最佳效果。

4.結語

植物修復重金屬污染是一種綠色經濟、可持續的治理方法，與物理化學方法相比，在處理重金屬污染方面具有許多競爭優勢，僅依靠單一的植物修復，存在很多缺點。在未來的研究上，應在其他技術和植物聯合修復的基礎上創新發展，深入研究聯合修復技術的優缺點，可以從以下幾個方面加強植物修復的研究工作：

（1）選擇理想的植物。理想的修復植物包括兩類：一類選擇具有生物量大、品質好、根系旺盛、目標污染物積累多、抗逆性強等特點的植物；另一類篩選更高效的Cu超積累植物。在未來研究方向上，可以將重點放在細胞及分子水平上，通過轉基因手段培育高效富集植物。

（2）植物聯合修復方法。單一的植物修復方法受生長周期、富集系數、地理條件等的限制，采用聯合修復技術能夠避免單一修復的局限性，提高修復效率。在今后的研究上，可以探索多種方法的共同修復，展開對化學藥劑—微生物—植物—電動[25]—材料聯合的創新研究。

（3）植物處理。為實現生態環境與發展經濟有機統一[26]，要將植物處理與生物能源生產相聯系，實現生物質的經濟轉化，促進植物修復Cu污染這一過程的可持續發展，以及該方法在經濟上的可持續發展。