第八章農業環境的修復第二節污染物的植物修復主要內容1、土壤重金屬污染的植物修復技術2、植物吸附重金屬的機制3、影響植物富集重金屬的因素

植物修復技術是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論為基礎,利用植物及其共存微生物體系清除環境中的污染物的一門環境污染治理技術。目前國內外對植物修復技術的基礎理論研究和推廣應用大多限于重金屬元素。狹義的植物修復技術也主要指利用植物清潔污染土壤中的重金屬。植物對重金屬污染位點的修復有三種方式：植物固定、植物揮發和植物吸收。(一)植物固定植物固定是利用植物及一些添加物質使環境中的金屬流動性降低，生物可利用性下降，使金屬對生物的毒性降低。通過研究植物對環境中土壤鉛的固定,發現一些植物可降低鉛的生物可利用性，緩解鉛對環境中生物的毒害作用。然而植物固定并沒有將環境中的重金屬離子去除，只是暫時將其固定，使其對環境中的生物不產生毒害作用，沒有徹底解決環境中的重金屬污染問題。如果環境條件發生變化，金屬的生物可利用性可能又會發生改變。因此植物固定不是一個很理想的去除環境中重金屬的方法。1、污染物的植物修復（二）植物揮發

植物揮發是利用植物去除環境中的一些揮發性污染物，即植物將污染物吸收到體內后又將其轉化為氣態物質，釋放到大氣中。有人研究了利用植物揮發去除環境中汞，即將細菌體內的汞還原酶基因轉入芥子科植物中，使這一基因在該植物體內表達，將植物從環境中吸收的汞還原為單質，使其成為氣體而揮發。另有研究表明，利用植物也可將環境中的硒轉化為氣態形式（二甲基硒和二甲基二硒）。由于這一方法只適用于揮發性污染物，應用范圍很小，并且將污染物轉移到大氣中對人類和生物有一定的風險，因此它的應用將受到限制。1、污染物的植物修復（三）植物吸收

植物吸收是目前研究最多并且最有發展前景的一種利用植物去除環境中重金屬的方法，它是利用能耐受并能積累金屬的植物吸收環境中的金屬離子，將它們輸送并儲存在植物體的地上部分。植物吸收需要能耐受且能積累重金屬的植物，因此研究不同植物對金屬離子的吸收特性，篩選出超量積累植物是研究的關鍵。能用于植物修復的植物應具有以下幾個特性：①即使在污染物濃度較低時也有較高的積累速率；②生長快，生物量大；③能同時積累幾種金屬；④能在體內積累高濃度的污染物；⑤具有抗蟲抗病能力。經過不斷的實驗室研究及野外試驗，人們已經找到了一些能吸收不同金屬的植物種類及改進植物吸收性能的方法，并逐步向商業化發展。1、污染物的植物修復

根對污染物的吸收可以分為離子的被動吸收和主動吸收，離子的被動吸收包括擴散、離子交換和蒸騰作用等，無需耗費代謝能。離子的主動吸收可以逆梯度進行，這時必須由呼吸作用供給能量。一般對非超積累植物來說，非復合態的自由離子是吸收的主要形態，在細胞原生質體中，金屬離子由于通過與有機酸、植物螯合肽的結合，其自由離子的濃度很低，所以無需主動運輸系統參與離子的吸收。耐性指植物體內具有某些特定的生理機制，使植物能生存于高含量的重金屬環境中而不受到損害，此時植物體內具有較高濃度的重金屬。一般耐性特性的獲得有兩個基本途徑：一是金屬的排斥性，即重金屬被植物吸收后又被排出體外，或者重金屬在植物體內的運輸受到阻礙；二是金屬富集，但可自身解毒,即重金屬在植物體內以不具有生物活性的解毒形式存在，如結合到細胞壁上、離子主動運輸進入液泡、與有機酸或某些蛋白質的絡合等。2、植物吸附重金屬的機制針對植物萃取修復污染土壤，要求的植物顯然應該具有富集解毒能力。據目前人們對耐性植株和超富集植株的研究，植物富集解毒機制可能有以下幾方面。（一） 細胞壁作用機制研究人員發現耐重金屬植物要比非耐重金屬植物的細胞壁具有更優先鍵合金屬的能力，這種能力對抑制金屬離子進入植物根部敏感部位起保護作用。如蹄蓋蕨屬所吸收的Cu、Zn、Cd總量中大約有70%~90%位于細胞壁，大部分以離子形式存在或結合到細胞壁結構物質，如纖維素、木質素上。（二） 重金屬進入細胞質機制許多觀察表明，重金屬確實能進入忍耐型植物的共質體。用離心的方法研究Ni超量積累植物組織中Ni的分布，結果顯示有72%的Ni分布在液泡中。利用電子探針也觀察到鋅超量積累植物根中的Zn大部分分布在液泡中。因此液泡可能是超富集植物重金屬離子貯存的主要場所。2、植物吸附重金屬的機制（三） 向地上部運輸有些植物吸收的重金屬離子很容易裝載進木質部，在木質部中，金屬元素與有機酸復合將有利于元素向地上部運輸。有人觀察到Ni超富集植物中的組氨酸在Ni的吸收和積累中具有重要作用，非積累植物如果在外界供應組氨酸時也可以促進其根系Ni向地上部運輸。檸檬酸鹽可能是Ni運輸的主要形態，利用X射線吸收光譜（XAS）研究也表明，在Zn超富集植物中的根中Zn70%分布在原生質中，主要與組氨酸絡合，在木質部汁液中Zn主要以水合陽離子形態運輸，其余是檸檬酸絡合態。（四） 重金屬與各種有機化合物絡合機制重金屬與各種有機化合物絡合后，能降低自由離子的活度系數，減少其毒害。有機化合物在植物耐重金屬毒害中的作用已有許多報道，Ni超富集植物比非超富集植物具有更高濃度的有機酸，硫代葡萄糖昔與Zn超富集植物的耐鋅毒能力有關。2、植物吸附重金屬的機制（五） 酶適應機制耐性種具有酶活性保護的機制，使耐性品種或植株當遭受重金屬干擾時能維持正常的代謝過程。研究表明，在受重金屬毒害時，耐性品種的硝酸還原酶、異檸檬酸酶被激活，特別是硝酸還原酶的變化更為顯著，而耐性差的品種這些酶類完全被抑制。(六)植物螯合肽的解毒作用植物螯合肽(PC)是一種富含一SH的多肽，在重金屬或熱激等措施誘導下植物體內能大量形成植物螯合肽，通過一SH與重金屬的絡合從而避免重金屬以自由離子的形式在細胞內循環，減少了重金屬對細胞的傷害。研究表明，GSH或PCs的水平決定了植物對Cd的累積和對Cd的抗性。PCs對植物抗Cd的能力隨著PC生成量的增加、PC鏈的延長而增加。2、植物吸附重金屬的機制3、影響植物富集重金屬的因素(一)根際環境對氧化還原電位的影響旱作植物由于根系呼吸、根系分泌物的微生物耗氧分解，根系分泌物中含有酚類等還原性物質，根際氧化還原電位(穌)一般低于土體。該性質對重金屬特別是變價金屬元素的形態轉化和毒性具有重要影響。（二） 根際環境pH的影響植物通過根部分泌質子酸化土壤來溶解金屬，低pH可以使與土壤結合的金屬離子進入土壤溶液。如種植超積累植物和非超積累植物后，根際土壤pH較非根際土壤低0.2-0.4,根際土壤中可移動態Zn含量均較非根際土壤高。重金屬脅迫條件植物也可能形成根際pH屏障限制重金屬離子進入原生質，如鎘的脅迫可減輕根際酸化過程。（三） 根際分泌物的影響植物在根際分泌金屬螯合分子，通過這些分子螯合和溶解與土壤相結合的金屬，如根際土壤中的有機酸，通過絡合作用影響土壤中金屬的形態及在植物體內的運輸，根系分泌物與重金屬的生物有效性之間的研究也表明，根系分泌物在重金屬的生物富集中可能起著極其重要的作用。3、影響植物富集重金屬的因素（四） 根際微生物的影響微生物與重金屬相互作用的研究已成為微生物學中重要的研究領域。目前，在利用細菌降低土壤中重金屬毒性方面也有了許多嘗試。據研究，細菌產生的特殊酶能還原重金屬，且對Cd、Co、Ni、Mn、Zn、Pb和Cu等有親和力，利用Cr（VI）、Zn、Pb污染土壤分離出來的菌種去除廢棄物中Se,Pb毒性的可能性進行研究，結果表明，上述菌種均能將硒酸鹽和亞硒酸鹽，二價鉛轉化為不具毒性，且結構穩定的膠態硒與膠態鉛。（五）根際礦物質的影響礦物質是土壤的主要成分，也