篇 镉锌污染土壤的植物修复机制与技术发展

镉是自然界中存在的一种重金属微量元素，其对动物和植物都是非必需元素。镉具有与锌类似的环境地球化学特性，常与锌矿伴生。因此，矿山开采、冶炼废水排放及农田污泥的施用会导致农田土壤的镉锌污染问题，进而威胁到农业安全生产和人体健康。镉锌进入土壤后，由于移动性小而很难清除。常用的工程措施或化学方法治理土壤重金属污染，不仅成本昂贵，而且还会破坏土壤结构以及微生物区系，并且可能造成"二次污染"。植物吸取修复技术作为一种新兴的绿色生物技术，能在不破坏土壤生态环境，保持土壤结构和微生物活性的状况下，通过植物的根系直接将污染元素吸收从土壤中带走，从而修复被污染的土壤，已成为农田重金属污染土壤修复的挑选技术之一。本篇针对我国面广量大的农田土壤镉锌污染问题，在综述了镉锌超积累植物吸取修复技术研究进展的基础上，重点介绍了利用遏蓝菜、印度芥菜以及伴矿景天等超积累植物对镉锌污染土壤进行吸取修复的原理与技术以及调控措施，并对吸取修复后的植物安全处置技术进行了探讨，以期为我国镉锌污染土壤的植物修复理论与技术研发提供借鉴。

章 镉锌污染土壤的超积累植物吸取修复研究进展

超积累植物吸取修复技术，因其具有修复成本低、环境友好、不破坏土壤等优点，适合于大面积重金属污染农田土壤的修复。全球发现的重金属超富集植物有近500种，广泛分布于植物界的约45个科。其中锌超积累植物约有18种。有关超积累植物吸取修复的技术原理与强化措施以及田间应用成为关注的热点。本章主要从镉锌超积累植物的筛选与鉴定、超积累植物对镉和锌的耐性与富集机制以及超积累植物对镉锌的吸取修复效果与田间应用示范等方面进行了系统综述，以期为镉锌污染农田土壤的超积累植物吸取修复技术发展与应用提供指导。

节 镉锌超积累植物资源调查

一、超积累植物的定义与特征

重金属污染土壤的修复主要有两种策略，一是去除土壤中重金属，二是固定土壤中重金属，降低其环境中风险。根据修复方法不同，重金属污染土壤的修复技术可分为，物理修复、化学修复和生物修复。物理化学修复包括，客土、换土、深耕翻土、土壤淋洗法、热解吸法、玻璃化法、电动修复、固化和稳定化等。但上述传统的重金属污染土壤的修复方法因其修复成本高，对土壤扰动破坏性大，并不适用于我国大面积农田重金属污染土壤的修复。发展能广泛应用、安全、低成本的原位农田生物修复技术是我国农田土壤污染修复的主要方向之一(骆永明，2009)。超积累植物吸取修复技术，是一种具有应用潜力的生物修复技术。该技术利用对重金属具有强富集能力的超积累植物(hyperaccumulator)，吸取土壤中重金属并富集在地上部，通过收割地上部而去除土壤中重金属。超积累植物修复技术具有修复成本低、原位、绿色无污染、不破坏土壤结构等优点，具有广泛应用的潜力(Li et al.，2012；McGrath et al.，2006)。

超积累植物是指能够超量积累重金属的植物。Brooks等于1977年首次提出了超积累植物概念，用来定义含Ni浓度(干重)大于1000mg/kg的植物。超积累植物地上部或叶片中重金属富集可超过普通植物的100倍以上，且不影响植物生长活动，如Cr、Ni、Cu、Pb的浓度应在1000mg/kg以上，而Mn和Zn浓度应大于10000mg/kg(Baker et al.，1983)。一般而言，重金属超积累植物应满足以下条件(Baker and Brooks，1989)：①植物地上部或叶片中重金属浓度要达到一定临界标准；②植物对重金属的转运系数TF和富集系数BCF均大于1，TF和BCF分别为植物地上部重金属浓度与根和土壤中重金属浓度的比值；③植物在吸收富集重金属后，生长良好，没有发生重金属毒害现象。Van der Ent等(2013)认为，在自然条件下生长的植物满足上述特点方可认为是超积累植物，而非仅在人为的外加重金属的盆栽或水培试验条件下。目前已发现400多种超积累植物，因此利用超积累植物治理土壤重金属污染的现实可能性不断增加。

二、镉锌超积累植物的筛选与鉴定

超积累植物的筛选与鉴定是植物修复技术应用的关键一步。根据野外采集的样品分析，全球发现的重金属超富集植物有近500种(Verburggen et al.，2009)。在已发现的超积累植物中，Ni超积累植物多约占总超积累植物的50%以上，还有一些Zn、Cu、Cd、Mn、As等超积累植物。其中研究多的植物主要为遏蓝菜属(Thlaspi)、庭荠属(Alyssums)和芸薹属(Brassica)。超积累植物在热带和温带的含重金属土壤上均有发现，诸如，南非、拉丁美洲、北美、欧洲等(Baker et al.，1989)。表1.1为已发现的几种主要重金属超积累植物积累低限值和数目及种属(Sheoran et al.，2011)。自20世纪90年代中后期以来，尤其2000年以后，我国境内发现了一系列重金属积累或超积累植物，主要代表性植物有Cu积累植物海州香薷(Elsholtzia splendens)(Yang et al.，2002)、鸭跖草(Commelina communis)(廖斌等，2003)，As超积累植物蜈蚣草(Pteris vittata)(陈同斌等，2002)、大叶井口边草(Pteris aetica)(韦朝阳等，2002)，Cd和Zn积累或超积累植物东南景天(Sedum alfredii)(Yang et al.，2004；杨肖娥等，2002)、龙葵(Solanumnigrum)、伴矿景天(Sedum plumbizincicola)(Wu et al.，2008)、圆锥南芥(Arabis paniculata)(汤叶涛等，2005)、长柔毛委陵菜(Potentilla griffithii)(胡鹏杰等，2007)，Mn超积累植物商陆(Phytol accaacinosa)(薛生国等，2004)、Cr超积累植物李氏禾(Leersia hexandra)(张学洪等，2006)等。

表1.1普通植物中重金属浓度和超积累植物限值及已知超积累植物种属和个数

第二节 超积累植物对镉锌的耐性与富集机制

在过去几十年里，重金属超积累和解毒的生理机制已经被国内外学者广泛关注和研究。超积累植物吸收富集重金属涉及3个过程：首先，超积累植物根系对重金属吸收；其次，重金属在植物体内转移和运输；后，重金属在植物地上部存储和解毒。

一、根系吸收重金属的吸收过程

超积累植物可以活化土壤中不溶态的重金属。根袋(rhizobag)试验表明，土壤中可移动态Zn含量的下降占超积累植物T.caerulescens吸收Zn总量中的不到10%，说明T.caerulescens可以将土壤中的Zn从不溶态转化为可移动态，植物的根系可以分泌质子，从而促进了植物对土壤中元素的活化和吸收。种植T.caerulescen和非超积累植物T.ochroleucum后，根际土壤中可移动态Zn含量均较非根际土壤高，这可能与根际土壤中pH较低有关，在试验结束时，根际土壤pH较非根际土壤低0.2～0.4，但两种植物对根际土壤的酸化程度没有显著差异(McGrath et al.，1997)。Bernal等(1994)对Ni超积累植物A.murale和萝卜的对比研究表明，两者根际土壤pH的变化方式相似，主要与阴阳离子的吸收有关，而与重金属的含量无关；N肥形态是影响根际土壤pH的重要因子，而根际土壤氧化还原电位受N肥种类和重金属含量的双重影响；根际土壤pH的降低和根系释放还原物质不是A.murale积累重金属的主要机制，因为A.murale根系在这两个方面的能力均低于萝卜根系。

Lasat等(1996)发现T.caerulescens与非超积累植物T.arvense根系对Zn2+的吸收具有相似的米氏常数(KM)，但两者的吸收速率(Vmax)分别为0.27和0.06μmol/(g h)，前者是后者的4.5倍，说明T.caerulescens在根细胞膜中具有更多的运输位点，根系从土壤溶液中吸收Zn的能力更强。两种植物对Zn的吸收动力学分为两个阶段，开始是快速的线性动力学阶段，与根细胞壁吸附Zn有关；随后是较缓慢的饱和吸附阶段，与Zn穿过根细胞原生质膜有关。

Pineros等(1998)利用Cd选择性微电极研究了Cd在T.caerulescens和T.arvense(生长2～3周)根中的迁移，结果发现两者根中Cd的流动方式和流量大小没有明显差异，他们认为两者对Cd吸收量的差异需要较长时间才能表现出来。一些学者曾提出超积累植物从根系分泌特殊有机物，从而促进了土壤重金属的溶解和根系的吸收，或者超积累植物的根毛直接从土壤颗粒上交换吸附重金属，但目前还没有研究证实这些假说。

二、重金属从根系到地上部的转运过程

与非超积累植物相比，T.caerulescens吸收Zn并将其从根部转移到地上部的能力明显较高(Brown et al.，1995)，在中度污染的土壤中，T.caerulescens积累的Zn数量是T.ochrolecum的2.5～5.5，是萝卜的24～60倍，T.ochrolecum的根中积累的Zn仅有32%转移到地上部(Brown et al.，1995)。

T.caerulescens的木质部汁液中Zn的浓度大约是T.ochrolecum的5倍(Lasat et al.，1998)，说明前者在根中积累的能力比转移到地上部的能力更强。利用65Zn的通量试验发现，T.caerulescens与T.arvense两者根的细胞壁和细胞质中储藏的65Zn2+的比例相似，其流出速率(半衰期，t1/2)也相近；但T.arvense在根液泡中储藏的65Zn2+的比例(12%)是T.caerulesvens(5%)的2.4倍，其流出速率(t1/2为260分钟)却比后者(t1/2为150分钟)慢了近1倍。在低Zn浓度(10μmol/L)时，两者叶片的原生质中积累的Zn数量相同，而高Zn浓度(1mmol/L)时，前者积累的数量有增加趋势(Lasat et al.，1999，1998)。总体上看，T.caerulescens在吸收Zn过程中，Zn穿透根和叶细胞中原生质膜的速率较非超积累植物高，但目前还没有对T.caerulescens中Zn穿过液泡膜的过程进行研究。

三、超积累植物对镉锌的存储解毒机制

超积累植物在高浓度的重金属介质中能良好生长，并且可在地上部富集高浓度的重金属，甚至超过大量元素。国内外研究学者运用了多种方法来研究超积累植物中重金属的存在形态和分布，以揭示超积累植物的解毒机制。目前认为超积累植物之所以能富集重金属的生理机制主要有两点：一是有毒有害的重金属离子被区域化于生命活性较弱的细胞器或组织中，如表皮、叶肉、细胞壁和液泡等。细胞壁是重金属进入植物体内的道屏障，含有大量的配体，能够通过交换、吸附及配位络合等作用结合重金属，从而降低重金属的毒性；重金属在液泡中存储能够隔离其对细胞正常代谢活动的干扰；而重金属在表皮组织中分布要比在其他新陈代谢活跃组织积累的毒性要小，重金属在植物体内的这种分布可能是在长期进化中植物形成的自我保护功能。Cosio等(2005)利用SEM-EDXMA等分析表明，Cd主要分布在超积累植物T.caerulescens细胞液和细胞壁等代谢不活跃的部位。对Ni超积累植物H.floribundus及Zn超积累植物T.carulescens研究发现，Ni和Zn均主要分布在叶片和茎表皮的液泡中，其次是在细胞壁(Bidwell et al.，2004；Vazquez et al.，1994)。庭荠属Ni超积累植物A.serpyllifolium中有72%的Ni分布在液泡中(Brooks et al.，1981)。据报道，在东南景天中，Zn