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重金属超富集植物

来源: GEE   点击:0   发表日期: 2012/4/11 16:27:45
    超富集植物应同时具备以下3个基本特征:植物地上部富集的重金属达到一定的量,是普通植物在同一生长条件下的100倍,其临界含量分别为锌10000 mg/kg、镉100 mg/kg、金1 mg/kg,铜、铅、镍、钴均为1000 mg/kg;植物地上部的重金属含量高于根部该种重金属含量;植物的生长没有出现明显的毒害症状。    随着矿产资源的大量开发利用、工业生产的迅猛发展和各种化学产品的广泛使用,如何控制和减轻重金属对环境的污染和危害已成为一个日益突出的问题。土壤重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和后果严重性的特点,其治理迄今仍未找到理想的方法。一些科学家开始探索在不破坏土壤生态环境的情况下治理重金属污染的新途径,也就是植物修复。这一途径具有高效低耗的特点,已引起国际土壤-植物营养学界和环境科学界的浓厚兴趣和政府部门的高度重视,有望成为一项具有广阔应用前景的治理重金属污染土壤的全新技术。
1  植物修复技术
植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。重金属污染的植物修复主要分为下面几种:(1)植物提取(phytoextraction),是植物修复技术的主要手段。植物提取即利用重金属富集能力较高的植物通过吸收和转运过程,将土壤中的一种或几种重金属转移并贮存在地上部分,随后收获地上部分并集中处理,通过如此重复种植这种植物就可以使土壤中重金属含量降低到可接受的水平。(2)根际过滤(rhizofiltration),指利用超累积植物的富集特性,在根系或体内浓缩(富集)污染水体(如池溏、河流)中的金属污染物,达到污水处理的效果。效果与植物提取一样,差别则是一个是水体,一个是土壤。对于用作根际过滤的植物其累积不一定要集中在茎叶,可以在根系,而且不一定要吸收,能在根系沉积同样有效。(3)植物挥发(phytovolatilization),是利用植物吸收、积累和挥发而减少土壤中一些挥发性污染物,即植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质,释放到大气中。可用于改良与修复那些富含Hg、Se,可能还包括As的土壤。(4)植物稳定(phytostabilization),是利用耐重金属植物降低土壤中有毒金属的移动性,从而减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。如植物枝叶分解物、根系分泌物对重金属的固定作用、腐殖质对金属离子的螯合作用。(5)植物促进(phytostimulation),植物本身不能吸收重金属,但植物的根系分泌物如氨基酸、糖、酶等物质可促进根系周围土壤的微生物的活性和生化反应,有利于重金属的释放和微生物的吸收。
2 超积累植物对重金属离子的解毒机制
绝大多数重金属元素不属于植物生长所必需的营养元素,普通植物仅吸收少量的重金属元素,土壤中高含量的重金属还会对植物产生毒害作用。研究表明,超积累植物对重金属的耐性主要是借助液泡中金属的多价螯合作用而实现的:(1)谷胱甘肽(GSH)。GSH含巯基,具有很强的氧化还原特性,可有效地清除活性氧等自由基,因此GSH在植物抗逆境胁迫中起重要作用。GSH为三肽,结构通式为γ-Glu-Cys-Gly。(2)植物螯合素(PCs)。PCs由植物体内一系列低分子量、能够结合金属离子的多肽组成,其结构通式为(γ-Glu-Cys)n-Gly,一般来讲,n为2~5,最高可达11。现已明确PCs在植物解Cd毒中起到重要作用,PCs-Cd复合物是Cd由细胞质进入液泡的主要形式。正是由于PCs在重金属离子区室化中所起的重要作用,近年来PCs已成为植物抗重金属胁迫的研究热点之一。(3)金属硫蛋白(MT),金属硫蛋白(Metallothioneins)是自然界中普遍存在的一种低分子量、富含半胱氨酸的蛋白质。它与PCs的本质区别在于MT由基因直接编码,而PCs在PCs合成酶的催化下完成。与PCs一样,金属硫蛋白能够通过巯基与金属离子结合,从而降低重金属离子的毒性,它对于Zn2+和Cu2+的解毒效果尤为明显。(4)细胞壁的固持与区室化作用,植物细胞壁残基对阳离子有高亲和力,可以影响重金属离子向细胞内的扩散速率,从而影响金属离子的吸收。最近的研究表明,区室化作用与超积累植物富集重金属离子的能力密切相关。但区室化作用是否为超积累植物富集重金属离子的一个普遍机理还需对新发现的超积累植物进一步研究才能确定。
3 植物修复的研究动态与展望
植物修复技术与传统的物理、化学技术相比具有技术和经济上的双重优势,主要体现在以下几个方面:(1)实用范围广,在清除土壤中重金属污染物的同时,可清除污染土壤周围的大气、水体中的污染物;(2)污染物在原地去除,可通过传统农业措施种植植物,使成本大大降低,而且可从产生的富含金属的植物残体中回收贵重金属,取得直接的经济效益;(3)植物本身对环境的净化和美化作用,更易被社会所接受;(4)植物修复过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程,被修复过的土壤适合多种农作物的生长。然而,植物修复技术目前尚存在着某些不足。其一是重金属超积累植物是在重金属胁迫环境下长期诱导、驯化的一种适应性突变体,往往生长缓慢、生物量低,且常常受到杂草的竞争性威胁;其二是这种超积累植物多为野生型稀有植物,对生物气候条件的要求比较严格,区域性分布较强,严格的适生性使成功引种受到严重限制;其三是超积累植物的专一性很强,往往只对某种特定的重金属表现出超富集能力,且大部分仍处于试验阶段,到实际应用还有一定距离。体积较小或呈莲座形生长的植物往往影响机械收获,从而增加了收获的费用。    我国在超积累植物治理重金属土壤污染方面进行了积极探索与初步尝试,但系统性研究目前尚处于起步阶段。曾普遍认为利用植物吸收法治理土壤重金属污染耗时太久,究其原因主要是尚未找到所需的超积累植物。近年来,中国科学院生态环境研究中心、浙江大学、中山大学等单位在这一领域中的研究取得了一定的进展。他们报道了在我国境内的重金属超积累植物共有5种:铜超积累植物——海州香薷(Elsholtzia splendens N)、砷超积累植物——蜈蚣草(Pteris vittata L)和大叶井口边草(P. cretica)、锌超积累植物——东南景天(Sedum alfredii H)、镉超积累植物——宝山堇菜(Viola baoshanensis)。
总之,对于重金属污染,采用植物修复技术是一低耗费的有效途径。虽然目前对于可利用超积累植物的生物量、适生条件等还不够令人满意,但一方面可以继续去寻找和发掘对重金属或放射性核素的超积累植物,另一方面可以应用现代分子生物学手段进行相关基因的分离与分子克隆,将其转移到生物量较高的植物体中,从而产生适合人们需求的转基因植物。尽管目前在植物生理学、土壤学、生态学、化学、遗传学、环境保护学和生物工程等许多方面还需要进行更系统、深入的研究,但超积累植物治理重金属污染无疑为人们提出了新的思路,将会得到迅速发展并开拓出广阔的应用前景。
 
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