超富集植物：土壤的清潔工

何欣玥

不久前，澳大利亞昆士蘭大學(xué)的植物學(xué)家范德恩在馬來西亞加里曼丹島偶然發(fā)現(xiàn)一種富含金屬鎳的植物——錢尼氏葉下珠。范德恩切開一株錢尼氏葉下珠，并把遇鎳變紅的試紙貼在切口上，結(jié)果試紙很快呈現(xiàn)出大面積紅色。而且，從切口處流出的汁液也因富含鎳而呈現(xiàn)出藍(lán)綠色。為此，他想到了用這種植物來提取鎳。從錢尼氏葉下珠中提取鎳，或許有助于緩解現(xiàn)代社會日益增長的鎳需求。

發(fā)現(xiàn)超富集植物

早在1948年，意大利植物學(xué)家就首次發(fā)現(xiàn)富含金屬的植物——布氏香芥，它是羽衣甘藍(lán)和卷心菜的親緣植物。每克布氏香芥千物質(zhì)含10毫克鎳，是普通植物含鎳量的2000倍。從那以后，陸續(xù)有幾百種富含金屬的植物被發(fā)現(xiàn)（如十字花科、鳳尾蕨科、菊科、景天科、商陸科、堇菜科、禾本科、豆科和大戟科等），它們被統(tǒng)稱為重金屬超富集植物（以下簡稱為超富集植物），如香根草、蜈蚣草、鱗苔草和印度芥菜等。這些植物對重金屬的吸收量超過一般植物100倍以上。超富集植物需同時具備以下3個基本特征：植物吸收的重金屬大部分分布在地上部分;植物體內(nèi)某一金屬元素的濃度異常高（是普通植物在同一生長條件下的至少100倍）;能在受重金屬污染的土壤中正常生長，且不會被重金屬毒害。

人類剛發(fā)現(xiàn)超富集植物時，并不知道為什么它們會積累大量的金屬。有人推測，攝入重金屬會使害蟲中毒，因此這很可能是這些植物避免被害蟲啃食的自我保護(hù)機(jī)制。在大多數(shù)植物中，金屬主要在根部積累;在超富集植物中，葉片中的金屬濃度高，而根中的金屬濃度則較低。近年來的研究表明，植物對重金屬的超富集可能是由多基因控制的復(fù)雜過程，涉及重金屬離子在根部區(qū)域的活化、吸收和地上部分的運(yùn)輸、貯存以及耐受性等方面。超富集植物中含有對重金屬具有高親和力的大分子（如蘋果酸、檸檬酸等），在吸收重金屬后會與之結(jié)合并形成絡(luò)合物（一種化合物），將金屬富集在細(xì)胞中的液泡、細(xì)胞壁等處，從而降低土壤中游離重金屬的濃度。

超富集植物治理污染

土壤中的重金屬不僅會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還可能進(jìn)入食物鏈從而危害人類健康。20世紀(jì)60年代，日本富山縣大量居民患上了“痛痛病”（患者會因骨骼畸形、疼痛而發(fā)出痛苦的呻吟聲），就是因?yàn)殚L期食用種植于被鎘污染的稻田的水稻產(chǎn)出的“鎘米”（水稻對鎘的富集能力比小麥和當(dāng)?shù)仄渌r(nóng)作物都高得多）。

重金屬進(jìn)入土壤后，因不易隨水移動且不能被微生物分解而很難被清除。采用工程法或化學(xué)法治理土壤重金屬不僅成本高昂，而且還會破壞土壤結(jié)構(gòu)以及土壤中的微生物群落，造成“二次污染”。種植超富集植物（也被稱為“植物提取修復(fù)技術(shù)”）作為一種綠色生物技術(shù)，能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境的前提下。通過植物的根系直接吸收重金屬元素，將重金屬元素從土壤中移除，從而修復(fù)被污染的土壤。

印度芥菜和香根草是最常用于修復(fù)受重金屬污染地區(qū)的超富集植物。印度芥菜生長迅速、植株較大、吸收重金屬種類多，因此能夠從土壤中快速、大量地吸收多種重金屬。香根草（原產(chǎn)于印度等熱帶地區(qū)，在我國多分布于華南、華東和西南等地）具有適應(yīng)能力強(qiáng)、生長繁殖快、根系發(fā)達(dá)和耐旱耐瘠等特性。香根草能在合高濃度金屬（如砷、鉛、鉻、銅、鎳、鎘等）的土壤中正常生長，對鉛的富集效果尤其突出。在廢棄礦場周圍被重金屬污染的土壤中種植香根草，非常有利于土壤的復(fù)墾。

種植、收獲、運(yùn)輸及焚燒超富集植物的過程會排放二氧化碳，且排放量超過超富集植物在生長過程中吸收的二氧化碳量。為了解決碳排放過多的問題，科學(xué)家采用了高效焚燒技術(shù)，讓焚燒超富集植物產(chǎn)生的熱量達(dá)到傳統(tǒng)焚燒方式的2倍。這些熱量被用于給焚燒廠附近的建筑物供熱，減少了當(dāng)?shù)氐墓┡剂鲜褂昧?，因此整體看來碳排放并不多，而灰燼則可用于提取重金屬。

蕨類超富集植物

某些蕨類植物所具有的特點(diǎn)使其尤其適合作為超富集植物。蕨類植物種類繁多，分布廣泛，繁衍方式多，在各種極端惡劣的環(huán)境中的生存能力都比較強(qiáng)。例如，蕨類植物在養(yǎng)分貧瘠的土壤中、火山爆發(fā)后新形成的火山灰上，以及人工金屬礦的廢礦堆上都可以生長。一些蕨類植物能從環(huán)境中富集大量的稀土元素、重金屬元素和放射性核素等無機(jī)污染物。

稀土元素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)及林業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，但它們既昂貴又難以獲得（即使在礦井里它們的濃度也很低）。在我國江西省一些稀土礦井附近的廢石堆上生長著一種名為“鐵芒萁”的蕨類植物。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，每1萬平方米富稀土土壤上生長的鐵芒萁可產(chǎn)出約300千克混合稀土元素，其中主要包括鑭、鈰、鐠和釹。這可謂是超級寶藏，要知道光是氧化鐠礦石的價格就高達(dá)每噸31.8萬元，提純后的鐠更是價格不菲。

在我國云南綠豐銅礦區(qū)附近，一些長期廢棄的礦渣上生長著一種密毛蕨。這些密毛蕨不僅能在合高濃度銅的土壤中正常生長，還能從礦渣中富集銅。某些水生蕨類植物也表現(xiàn)出很強(qiáng)的重金屬富集能力。蕨狀滿江紅能富集廢水中的鎘、鉻、銅、鎳或鋅;羽葉滿江紅能富集廢水中的鉛和鋅;槐葉蘋能富集廢水中的汞、銅、鉻、鎳和鎘。一些蕨類植物還能富集環(huán)境中的放射性核素，如蕨（歐洲蕨）對“銫137”具有較強(qiáng)的富集能力，這種植物在修復(fù)受“切爾諾貝利核事故”污染的土壤方面取得了良好效果。此外，放射性銫和放射性鍶可以在歐洲蕨這種既長壽又能無性生殖的植物中長期存在，為研究半衰期較長的放射性核素在生態(tài)系統(tǒng)中的吸收和循環(huán)提供了可能。

超富集植物將大顯身手

無論是制造手機(jī)和計(jì)算機(jī)等日常電子設(shè)備，還是生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)和電動汽車這類大型機(jī)械，都離不開一系列特種金屬。生產(chǎn)手機(jī)和電動汽車的鋰電池需要鎳這種金屬。同時，鎳也是鑄造不銹鋼必不可少的元素。專家預(yù)測，在未來十年內(nèi)電動汽車將會更加普及，工業(yè)發(fā)展對鎳的需求量也會不斷上升。到2025年，電動汽車產(chǎn)業(yè)對鎳的需求量將達(dá)到2.56萬噸，也就是在2019年需求量的基礎(chǔ)上再翻一番。

鎳和其他許多金屬一樣，是通過露天采礦獲取的。露天采礦需要移除采集區(qū)域內(nèi)的植被，并用炸藥炸開地面。位于南太平洋的新喀里多尼亞島（法屬）擁有地球上最大的鎳礦床，但連年的開采作業(yè)已經(jīng)對土地造成嚴(yán)重破壞：地面上的樹木越來越少，導(dǎo)致水土流失;礦場排出的污水直接流人大海，導(dǎo)致魚類和珊瑚大量死亡;采掘的礦石通常用于冶煉，這又會產(chǎn)生堆積如山的垃圾和各種有毒煙氣。利用超富集植物收集并冶煉鎳對環(huán)境的影響就小得多。因此，不論是在開采礦物還是治理環(huán)境方面，超富集植物都將受到越來越多的關(guān)注。

然而，盲目種植超富集植物也會破壞生態(tài)。地球上很多富含重金屬的土地都屬于保護(hù)地區(qū)，具有顯著的生物多樣性。如果在這些地區(qū)單一種植某種超富集植物，土壤中某種金屬被超富集植物大量吸收，則會打破土壤成分的平衡，給生物多樣性造成災(zāi)難性的破壞。因此，超富集植物雖好，也應(yīng)“量地而種”。

科學(xué)家目前還在繼續(xù)尋找超富集植物。最近，科學(xué)家發(fā)明了一種更方便高效的技術(shù)來識別超富集植物——通過手持X射線熒光光譜儀掃描干燥的植物標(biāo)本，就能立即識別出標(biāo)本中是否含有某些金屬元素?？茖W(xué)家利用這種方法已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種新的超富集植物。如果它們都能被培育成功，不僅可以緩解工業(yè)上對多種金屬元素的需求，還能使生態(tài)環(huán)境得到很好的改善。