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【導讀】近年來，國際上興起了以超積累植物吸收土壤中的重金屬的植物修復技術，擾動小、就地進行、廉價的特點使其備受關注，本文主要根據(jù)筆者自身工作經(jīng)驗，就當前我國土壤鎘污染的特點及植物修復技術進行了探究。
土壤重金屬污染的治理一直是難點、熱點研究課題，土壤—植物系統(tǒng)是生物圈最基本的結構單元，鎘作為植物非必需元素，在生物圈中的移動性較強，對土壤造成的危害很大。近年來，國際上興起了以超積累植物吸收土壤中的重金屬的植物修復技術，擾動小、就地進行、廉價的特點使其備受關注，不少學者也進行了相關研究。結合自身工作經(jīng)驗，就當前我國土壤鎘污染的特點及植物修復技術進行了探究，希望能為廣大同行提供參考。
1.引言
土壤是人類賴以生存的重要元素，世界面臨的資源、糧食和環(huán)境問題均和土壤密切相關，隨著20世紀電解工業(yè)的發(fā)展，鎘的產(chǎn)量大大增加，而由鎘引起的環(huán)境問題也逐漸暴露出來，20世紀60年代在日本浮山縣出現(xiàn)的“骨痛病”，使人們開始逐漸認識到，土壤中的鎘在通過食物鏈進入人體后會對人體產(chǎn)生極大的危害。據(jù)相關調查，我國的鎘污染土壤面積已達1.3萬km2，鎘污染的治理，刻不容緩。傳統(tǒng)治理鎘污染的方法主要是加固法、客土法、淋洗法等，不僅適用范圍小，且成本較高，還可能會對地下水體造成污染。近年來，植物修復技術的研究不斷深入，其污染小、破壞小、成本低的優(yōu)勢使其成為環(huán)境污染治理領域的熱點課題。
2.土壤鎘污染特征
2.1 鎘在土壤中的行為
鎘是一種稀有元素，未污染的土壤中的鎘主要來自于土母質，含量通常為0.01～2m/kg。鎘在酸堿度較高，尤其是碳酸鈣含量較多的土壤中，活性偏低，不易移動，而在酸性土壤中的流動性與毒性均大大增強。此外，土壤的氧化還原電位對鎘的活性也有重要的影響，如土壤被水淹沒時，處于還原狀態(tài)，土壤中的鐵、錳等離子被還原，形成硫化鎘沉淀，使得鎘活性降低。土壤中鎘的存在形態(tài)變化對其活性和植物有效性有著明顯的影響，土壤中的鎘可分為水溶態(tài)、還原態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、殘渣態(tài)、交換態(tài)等，其中，可交換態(tài)與碳酸鹽結合態(tài)的比例于植物對鎘的吸收具有顯著影響。
2.2 土壤鎘污染狀況
當前，土壤中的鎘主要來自于工業(yè)廢渣、廢氣中鎘的擴散和沉積，含鎘廢水灌溉農(nóng)田等。我國有11個省市的25個地區(qū)存在鎘污染。根據(jù)農(nóng)業(yè)部的監(jiān)測，污灌區(qū)土壤的鎘污染最為嚴重，約占重金屬超標面積的60%，而農(nóng)產(chǎn)品中鎘超標率已達10%以上，全國各大城市的耕地中均存在不同程度的鎘污染。
3 鎘污染土壤的植物修復
3.1 超積累鎘植物
遏藍菜(十字花科遏藍菜屬)是常見的超積累鎘植物，當前已有許多關于其超積累鎘的機理的研究。鎘污染土壤植物修復的修復效果主要與植物生長速率、植物地上部金屬含量、生物量等有關。遏藍菜呈蓮座狀生長，生物量小，生長速率較慢，很多學者認為其不適合用于嚴重鎘污染土壤的修復。印度薺菜是一種生物量大、生長速度快的積累鎘植物，在相同的條件下，其生物量達遏藍菜的10倍，對鎘的吸收量和對土壤的凈化能力也遠遠高于遏藍菜。我國學者在溫室栽培后發(fā)現(xiàn)，印度薺菜對鎘的吸收隨土壤鎘處理濃度的增加而增加，但印度薺菜的生長具有地域性，在中國的面積很小。
大量研究表明，十字花科蕓薹屬的很多植物都具有較強的鎘積累的特性，如在我國廣泛種植的油菜，就是該屬植物，且部分油菜品種在鎘累積方面甚至超過了印度薺菜，如“溪口花籽”。我國土壤鎘污染的治理，最根本的是利用我國眾多的油菜種類選擇出適合大面積種植的積累鎘植物，并研究其鎘積累特征，為提高土壤修復效率提供理論基礎。
3.2 超積累鎘植物的修復機理
超積累植物大多對重金屬具有非常強的吸收與積累能力，該能力不但表現(xiàn)在重金屬濃度高的環(huán)境中，即使是在重金屬濃度偏低的土壤和溶液中，超積累植物中的重金屬含量也可高出普通植物達幾十倍，乃至上百倍。超積累鎘植物之所以能大量吸收重金屬元素且在濃度高的情況下也不會被毒害，有賴于其高效的根部吸收、運輸與分解能力。
3.2.1 超積累鎘植物對鎘的吸收
在土壤養(yǎng)分作用下，植物可改變根系環(huán)境，從而提高養(yǎng)分的有效性。根分泌物的釋放與根際酸化是共同作用的兩個機制。植物根系分泌出的特殊有機物，尤其是有機酸，能螯合重金屬，酸化植物根際，從而溶解土壤重金屬，增強根系吸收。也有研究成果表明，根際酸化并非影響植物吸收重金屬的主要因素，根分泌物之所以能夠增強植物對重金屬的吸收能力，極可能與重金屬的超積累有關。據(jù)Robinson等的研究，遏藍菜植株內的鎘含量與土壤中的有效態(tài)鎘呈正相關關系，但與土壤的酸堿度卻無明顯相關性。根系分泌物對重金屬修復具有多途徑的影響，如酶類的還原作用、微生物對活性的增加、有機酸和氫離子的酸化作用等。重金屬在土壤中通常以難溶態(tài)存在，只有將其從固態(tài)中溶解到溶液中才可以為植物吸收。有學者認為，燕麥系植物的根系分泌物能夠溶解鐵氧化物，從而增強鎘的植物有效性。而根據(jù)Cieslinski等的研究，高鎘積累量與植物根際土壤中有機酸的含量呈顯著正相關性。Yang等人發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下，超積累植物如黑麥草的根系能夠分泌出草酸、檸檬酸、蘋果酸3種有機酸，但其對植物的鎘累積并無明顯影響。Knight等人則認為遏藍菜吸收的鎘，只有約一半來自土壤的交換態(tài)與水溶態(tài)，這說明鎘超積累植物還能吸收難溶態(tài)鎘，其原因可能為：在環(huán)境的脅迫下，植物根系能分泌出某種特殊分泌物，能針對性螯合溶解根系附近的難溶性鎘，增加其生物有效性。我國蔣先軍和蘇德純等也發(fā)現(xiàn)印度薺菜的根系分泌物能活化土壤中的難溶態(tài)鎘。也有其他研究發(fā)現(xiàn)超積累鎘植物遏藍菜的根系分泌物并不能顯著提高土壤中鎘的活性，與鎘的超積累無明顯關系。
3.2.2 超積累鎘植物對鎘的運輸
有研究認為，印度薺菜地上部的鎘積累主要是通過飽和運輸系統(tǒng)進行調節(jié)。印度薺菜幼苗細胞中的鎘積累也是主要通過飽和運輸系統(tǒng)進行調節(jié)，而鋅、錳、鈣、等則對地上部的鎘積累具有競爭性抑制，但對根系鎘的積累則具有非競爭性抑制。Lombi等通過鎘跟蹤技術認為，遏藍菜基因型內有一個高親和鎘的運輸系統(tǒng)。
3.2.3 超積累鎘植物對鎘的螯合與儲存
超積累植物體內的有機酸能夠有效降低重金屬的毒性，促進重金屬運輸，其機制可能為：生物代謝產(chǎn)生的有機酸對重金屬具有螯合包被作用，在超積累植物體內，鎘主要積累于下表體細胞，其液泡中儲藏的鎘很可能是其忍耐鎘的原因。根據(jù)Salt等人的研究，印度薺菜木質部汁液中的鎘，主要是通過氧鍵和有機酸結合，而其葉片中的鎘則主要是積累在葉表皮毛中，從而避免了對葉肉細胞的直接損害，其葉表皮毛中的鎘的含量達正常葉片組織的43倍。
3.2.4 金屬結合蛋白的解毒作用
進入超積累植物體內的重金屬，通常在與植物體內的成分發(fā)生反應后失去毒性。當重金屬元素穿過植物細胞壁和細胞膜進入細胞后，可與蛋白質、檸檬酸、草酸等形成穩(wěn)定的螯合物，降低金屬離子的活性，從而緩和了毒害。重金屬結合肽是較為常見的植物絡合素，簡稱PC。通常，PC在植物體內含量并不高，但在重金屬離子的誘導下，植物可快速合成PC，并結合重金屬離子，形成無毒化合物，從而降低細胞內游離重金屬離子的濃度，減輕其對植物的毒害作用。
3.2.5 植物鈍化土壤中的鎘的機理
除利用超積累植物進行修復鎘污染土壤外，植物鈍化也是一種處理污染的有效方式。植物鈍化是指利用植物根系強大的吸收能力與根系表面積去除被污染土壤和水體中的重金屬元素，降低其生物有效性，或通過某些植物降低土壤中的重金屬的毒性，防止其進入食物鏈，從而減輕其對環(huán)境的污染與對人類健康的威脅。采用植物鈍化處理鎘污染土壤，能有效避免受污染土壤繼續(xù)被侵蝕，并可減少土壤滲漏導致的鎘污染物的遷移，使污染物聚集在植物根部。此外，還可通過種植低轉移、低積累植物，普通植物與高吸收植物并作的方式來做到植物鈍化修復。
4 結語
隨著環(huán)境問題的日益嚴重，治理鎘污染土壤已經(jīng)刻不容緩，我國領土廣大，生物眾多，極可能蘊含著大量鎘超積累植物，為相關研究的開展創(chuàng)造了良好的基礎。另一方面，當前鎘污染土壤的植物修復技術大多還停留在實驗室階段，大量基礎性研究工作也亟待開展，作物互作對減少植物對鎘的吸收等工作也需要進一步的研究。
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