植物修复技术在重金属污染土壤治理中的应用

第26卷第5期2010年3月甘肃科技GansuScienceandTechnology蹦．26Ⅳ0．5Mar．201O植物修复技术在重金属污染土壤治理中的应用王兆胡，王鸣刚，骆焕涛(兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730050)摘要：重金属污染物排放和扩散进入到环境中造成Et趋严重的污染问题由来已久，如何有效消除环境中重金属污染物已成为世界性难题。近些年来一种成本低廉，环境友好型的植物修复技术成为各国研究的热点。当前来看，研究不外乎优良品种的选育、土壤条件的改良、微生物配合投放等，长远来看，植物修复技术的长足发展还需依赖抗重金属或降解有毒化合物的关键基因的克隆与遗传转化，以期获得重金属“超级”积累植物品种来解决土壤的污染治理难题。文章综述了近些年来国内外相关的研究工作，并提出植物修复技术在今后实际应用中有待突破之所在。关键词：植物修复技术；重金属污染物；超积累植物；基因工程中图分类号：X505植物修复技术(Phytoremediationtechnology)是通过绿色植物来固定、吸收、转移、转化、降解污染物，使之变为对环境无害的物质和将污染物加以回收利用的一项新兴的环境治理技术⋯。该技术从本质上讲，是通过植物光合作用将散存于土壤和水介质中的污染物抽吸出来转移到植物地上部分或可收割部位，通过刈割并做无害化处理来达到治理环境的目的。在重金属含量相对偏高的土壤中能生长的超积累植物(Hyperaccumulator)给人们以启迪，利用这类植物来治理重金属污染的土壤，特别是将基因工程技术应用于改良超积累植物的生物学性状和植物对重金属的积累特性来提高治理效率前景广阔；或分离、克隆那些在重金属富集过程中起重要作用的基因和调控元件，将其导入到具有生物量大、分布广、抗逆性优良的常规植物或经济作物中，使之具有重金属耐受性和累积性，并高效安全地生长而不危害食物链及生态安全。这方面的工作已获得一些结果，如对金属硫蛋白(MTs)、植物螯合肽(PCs)、金属搬运子、改变植物代谢途径和氧化应激机制的研究r。1植物的重金属超常吸收积累机制与耐受性的产生1．1植物根际环境的复杂性及重金属离子作用的相互促进性研究植物修复时首先关注到植物根际的复杂性问题：一是组成的复杂性；二是相互作用的复杂性；三是物理过程及化学反应的复杂性。植物根际既有散布在土壤胶体溶液中的重金属离子，又存在大量种类繁多的特异性和非特异性的根际微生物，这一环境在重金属元素从根部向地上部分转移的过程中发挥着极其重要的作用，它不仅是物质与能量交换的场所，也是土壤物质循环的活跃界面，发生着诸多类型的反应，如，酸碱反应、氧化还原反应、络和一解离反应、生物化学反应、活化固定、吸附解吸反应等。超积累植物由于具有庞大的根系——重金属吸收系统而大量地将土壤中的重金属离子通过交换吸附和选择性吸收蓄积于体内，通常超出普通植物50～100倍以上l4J。植物根系分泌质子使得根际环境酸化，进而促进了重金属化合物的溶解，植物根系还分泌出促进土壤重金属化合物溶解的有机物，植物根毛部细胞质膜上的专一性金属还原酶作用于土壤中的变价金属离子而使之还原从而增加溶解性。这些与金属的选择性吸收是分不开的，如，镍超积累植物Alyssumbertolonii在土培条件下各器官蓄积镍而非铜、锌。可见依赖于对金属的选择性吸收机制和金属进入共质体或运输到木质部过程中的根质膜跨膜转运有关，由此推测选择性吸收可能发生在木质部输人水平上。1．2重金属离子在植物地上器官中的转移转运重金属离子经由根部交换吸附进入体内后开始转运。运输过程受两个因素的影响：输入木质部和木质部输出的容积流量；根压与蒸腾拉力。茎叶部的重金属离子会通过韧皮部回流到根部。不管植物系统如何循环运输，重金属离子必定要通过根系内皮细胞方可进入根木质部，继而通过木质部软组织细胞溶解物释放和吸收的调控作用使溶解物沿木质部进入茎叶器官。在此过程中起作用的有离子一质74甘肃科技第26卷子逆向转运体、离子一ATPase、离子通道，研究发现自由组氨酸与重金属离子含量有线形关系，与之相关的研究工作正在如火如荼地进行，至今仍有很多问题有待阐明。1．3金属离子在植物细胞内的螯合与区室化作用积累植物表皮和下表皮组织器官蓄积的重金属含量较高，这是长期进化和适应的结果，各种植物所采取的策略不尽相同J。相关研究表明重金属高亲和性螯合作用对超积累植物耐性起关键作用，重金属胁迫实验表明仅凭与重金属耐性相关的酶类难以解释超积累植物器官存在蓄积重金属离子的功能。如T．montanum．var．siskiyouense叶部的镍主要存在于气孔保卫细胞周围的副卫细胞中，植物会通过提供某种特定的高亲合性配体来螯合重金属离子或以沉淀的方式将金属化合物络合成难溶的或稳定的物质形式存在于细胞某一区域以达到降低胞内重金属离子浓度