近20年我國重金屬超積累植物種質(zhì)資源篩選研究進展

郭松明, 余海波, 袁龍義,*

1. 長江大學(xué)植物生態(tài)與環(huán)境修復(fù)研究所,荊州 434025

2. 長江大學(xué)園藝園林學(xué)院,荊州 434025

鉆井挖礦、金屬冶煉等活動過程中,重金屬污染物的大量排放導(dǎo)致土壤污染,而重金屬污染具有隱蔽性、不可逆性和不可降解性等特點,致使生態(tài)環(huán)境面臨著巨大的挑戰(zhàn)。 目前,物理、化學(xué)和生物等對污染土壤的修復(fù)方法各有優(yōu)點,但也存在著一定的局限性。 植物修復(fù)是生物修復(fù)的一部分,具有成本較低、不破壞土壤肥力和二次污染率低等優(yōu)點[1-3]。 通常是利用自然植物或者遺傳工程培育植物的生命代謝活動對土壤中的重金屬進行吸收、降解、揮發(fā)或固定,從而降低重金屬在土壤中的有效態(tài)含量或生物毒性,進而達到污染土壤環(huán)境進化或部分恢復(fù)原初標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的目的[4-6]。 本文對我國近20年來的重金屬超積累植物的種質(zhì)資源進行了收集歸納,對農(nóng)作物同超積累植物間套作種植這一基礎(chǔ)修復(fù)應(yīng)用實例進行了分析列舉,且對超積累植物修復(fù)推廣的限制因素進行了總結(jié),并在此研究與應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上對超積累植物的界定、應(yīng)用、種質(zhì)資源的篩選和相關(guān)試驗等一系列研究工作進行了展望,以期為超積累植物修復(fù)土壤重金屬污染的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供實例參考和理論依據(jù)。

1 植物修復(fù)研究概述及超積累植物界定(Overview of phytoremediation research and the definition of hyperaccumulators)

1.1 植物修復(fù)研究概述

植物修復(fù)是近些年來在國內(nèi)外逐漸興起的一種低成本、有潛力的以太陽能為能源的綠色修復(fù)技術(shù)[7],利用植物來修復(fù)重金屬污染的土壤可以根據(jù)治理機理和過程將其大概分為5 種技術(shù),分別為植物揮發(fā)技術(shù)、植物萃取技術(shù)、植物穩(wěn)定技術(shù)、根際圈生物降解和根系過濾[8-9]。 這些技術(shù)中植物萃取是目前研究最多且認可程度越來越高,而且是具有發(fā)展前景的植物修復(fù)方式,適合于植物萃取的理想植物就成了研究的重點和熱點[10]。 超積累植物的首要特點有:其根部吸收能力較強、且根系具有向莖葉的轉(zhuǎn)移能力、同時葉片有解毒和固定能力。 超積累植物是植物修復(fù)的理想對象。 1977年,Brooks 首先提出的超積累植物的概念,1983年美國科學(xué)家Chaney等提出運用植物來吸收去除土壤中重金屬污染物的想法,1991—1992年,McGrath 和 Sidoli 首次在野外進行植物修復(fù)工作。 植物修復(fù)重金屬污染土壤開始作為一種治理新技術(shù)被逐漸研究、應(yīng)用和推廣[11]。

1.2 超積累植物界定

區(qū)分超積累植物與相關(guān)的非超積累植物較為公認的基本界定如下。(1)地上部(主要指莖和葉)重金屬含量特征:植物地上部重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100 倍,廣泛采用的富集重金屬臨界含量參考值,Au 為1 mg kg-1,Cd 為100 mg·kg-1,Sb、Cu、Ni、Pb、Co 和 As 為 1 000 mg·kg-1,Zn和 Mn 為 10 000 mg·kg-1。(2)轉(zhuǎn)移特征:植物地上部分重金屬含量大于該植物地下部(根部)重金屬含量。(3)耐性特征:植物對重金屬具有較強的耐性;在實驗條件由人為控制的情況下植物能正常生長,至少在土壤中重金屬的含量使植物地上部重金屬含量達到超積累植物應(yīng)達到的臨界含量時,地上部生物量(植物的莖、葉和籽實等地上部分干質(zhì)量之和)沒有下降。(4)富集系數(shù)特征:植物地上部富集系數(shù)＞1,至少在出現(xiàn)植物富集重金屬含量達到臨界含量與土壤中重金屬的含量相當(dāng)時,植物地上部富集系數(shù)＞1[12-14]。

2 種質(zhì)資源(Germplasm resources)

植物修復(fù)重金屬污染土壤,有著效率高、安全經(jīng)濟且與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)等優(yōu)點,對現(xiàn)有超積累或積累植物的探索和篩選是其應(yīng)用的前提。 我國地域廣闊、地形多樣,植物類型十分豐富,為超積累植物的篩選提供了有利條件[14]。 雖然在這方面我國研究探索起步較晚,但近20年也是循序漸進,同時也取得了一系列成果。 黃會一和蔣德明[15]對某種旱柳品系可富集大量Cd 的研究報道,是對植物富集重金屬的初探。 陳同斌等[16]提出世界上存在As 超積累植物的猜想,并隨后開展調(diào)查研究,最終在中國境內(nèi)首先發(fā)現(xiàn)As 超積累植物蜈蚣草。 唐世榮[17]、束文圣等[18]在礦石堆、古冶煉渣堆中發(fā)現(xiàn)并獲得Cu 的超積累植物鴨跖草,2000年之后國內(nèi)學(xué)者逐漸拉開探索篩選超積累植物的序幕,表1 中列出了近20年中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)的超積累植物與其主要富集的重金屬,以及地上部富集的重金屬含量。

由表1 可知,現(xiàn)有超積累植物特點為富集某一種金屬的居多,富集2 種及以上的比較少,呈現(xiàn)出大部分超積累植物修復(fù)能力具有專一性這一特點;草本植物居多,喬木、灌木及藤本植物較少;菊科超積累植物最多占總表的22.4%。 張柏清發(fā)現(xiàn)的美洲商陸同薛生國等在2003年發(fā)現(xiàn)的商陸是同一種植物,均為垂序商陸(Phytolacca americanaL.),是Mn 的超積累植物[79];2007年邵樹勛發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時定名為遏藍菜的植物,于2018年更名為碎米薺,向極釬等[80]對不同產(chǎn)區(qū)碎米薺進行DNA 序列分析和親緣關(guān)系鑒定,最終確定其為堇葉碎米薺(Cardamine circaeoidesHook. f. et Thoms.)。

表1 我國近20年已發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物Table 1 Hyperaccumulation plants found in China in the past 20 years

續(xù)表1

續(xù)表1

3 重金屬超積累植物推廣限制因素(Limiting factors for the promotion of hyperaccumulators)

雖然國內(nèi)超積累植物的探索和研究取得了一定的成果,但是超積累植物推廣使用仍存在著以下的限制因素。

(1)首先重金屬超積累植物種類相對較少,而且植物修復(fù)的普遍特點就是修復(fù)周期長。 大多數(shù)的超積累植物植株矮小,生長緩慢,生物量低,個體修復(fù)率低,耗時長。 現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超積累植物以草本為主,根系不夠發(fā)達,所以深入修復(fù)的范圍有限,難修復(fù)土壤深層,且不易機械化作業(yè)。 對于時間與植物自身條件的考量就成為大面積推廣的限制因素[81-82]。

(2)目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物大多對某一種重金屬具有超積累性,還未大量發(fā)現(xiàn)具有廣譜重金屬超積累特性的植物。 超積累植物往往會對重金屬具有選擇性,但是土壤的污染大多是2 種或2 種以上重金屬共存的復(fù)合污染。 如果使用單一植物修復(fù),則達不到效果;如果使用多種植物修復(fù),則實際操作性降低。 所以對于土壤污染的特點與超積累植物資源的考量成為使用的限制因素[83-84]。

(3)超積累植物多為野生型植物,對環(huán)境因素與生物因素的要求相對比較嚴(yán)格,區(qū)域性分布較強,影響引種成功率。 新區(qū)域的各種不可控因素可能使得植物無法正常運行超積累機制。 如果重金屬污染的濃度過高,超積累植物無明顯的修復(fù)效果。 對于不同環(huán)境的不穩(wěn)定性考量成為推廣的限制因素[85-86]。

(4)超積累植物存在一定的隱患,有部分超積累植物可以食用,可能會導(dǎo)致食物鏈污染。 植物完成超積累后,在其生命周期里如果不及時收割處理,葉片掉落也會產(chǎn)生二次污染[87]。

(5)針對其“生長緩慢、生物量低”所采用的基因克隆技術(shù)發(fā)展較為緩慢,人工培育理想新品種需要更多的時間。 雖已開發(fā)多種誘導(dǎo)劑提高植物對污染土壤修復(fù)的有效性,但在生態(tài)環(huán)境安全方面未得到保證。 其次植物回收后,處理方式單一,重新提純的技術(shù)成本比較高,技術(shù)不夠成熟[88]。

4 農(nóng)作物同超積累植物間套作應(yīng)用現(xiàn)狀(Application status of inter-cropping crops with hyperaccumulators)

我國重金屬污染較為嚴(yán)重,土壤污染導(dǎo)致糧食減產(chǎn)或出現(xiàn)糧食安全問題。 但直接利用超積累植物來修復(fù)污染土壤耗時較長,土壤修復(fù)期間農(nóng)民不能繼續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中斷,農(nóng)田資源被浪費,不符合我國的基本國情,隨著我國對超積累植物的研究取得一定成果,我國研究者則嘗試?yán)贸e累植物與農(nóng)作物間套作或混作以提高其修復(fù)效率[89-90]。 例如,采用糧食作物玉米、水稻,經(jīng)濟作物向日葵、煙草等與超積累植物間套作來實現(xiàn)對重金屬-有機物復(fù)合污染的土壤修復(fù)。 間套作是運用了群落的空間結(jié)構(gòu)原理,充分利用水能、光能等自然資源,同時充分利用植物生長的空間和時間,從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。 間套作體系應(yīng)用于土壤修復(fù)且獲取符合國家標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)產(chǎn)品的方法,是一條符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略同時立足于我國人多地少、只能邊生產(chǎn)邊修復(fù)國情的新途徑。

4.1 超積累植物同農(nóng)作物間套作在農(nóng)田中的應(yīng)用

4.1.1 單一重金屬污染應(yīng)用參考性實例

陳同斌研究團隊[91-92]先后將蜈蚣草(Pteris vittata)與桑樹、甘蔗和柑橘進行間作,研究結(jié)果表明,間作后經(jīng)濟作物產(chǎn)量與沒有污染區(qū)域產(chǎn)量基本持平,而產(chǎn)出桑葉、蠶絲和蔗汁的重金屬含量均達標(biāo),達標(biāo)率均超過95%,柑橘果實重金屬含量未超過國家食品重金屬含量標(biāo)準(zhǔn),同時促進了蜈蚣草對土壤中As的吸收。 2012年鄧華[57]研究發(fā)現(xiàn),玉米與超積累植物短毛蓼(Polygonum pubescensBlume)間種,首先,在一定程度上提高短毛蓼的生物量,其次,還能夠促進短毛蓼對土壤中重金屬Mn 的吸收,體內(nèi)Mn 累積量增2 倍多。 王秀娟[93]利用玉米和伴礦景天(Sedum plumbizincicola)進行間作,研究表明,玉米籽粒Cd 含量低于國家食品鎘含量標(biāo)準(zhǔn),而且伴礦景天對土壤中Cd 的去除率達到35.20%,對農(nóng)田的Cd 修復(fù)效果顯著。 李素霞等[94]通過利用莧菜(Amaranthus mangostanus)與小白菜混作,不僅能夠降低小白菜體內(nèi)的重金屬含量,同時一定程度上提高質(zhì)量和產(chǎn)量,對土壤中 Cd 的吸收也非常顯著。 魏樹和等[95]通過將龍葵(Solanum nigrum)與大蔥進行間作,既能修復(fù)Cd 污染土壤,同時產(chǎn)出符合我國農(nóng)產(chǎn)品安全無公害質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的大蔥。 王吉秀等[96]利用超積累植物小花南芥(Arabis paniculata)與玉米間作體系,不僅促進超積累植物小花南芥富集Pb,同時減少農(nóng)作物玉米植株體內(nèi)Pb 含量,提升玉米的產(chǎn)量,是一種可行的修復(fù)模式。

4.1.2 復(fù)合重金屬污染應(yīng)用參考性實例

武帥等[97]利用伴礦景天(Sedum plumbizincicola)與雷竹間作來修復(fù)Zn-Cd 復(fù)合污染的土壤,將Zn-Cd 復(fù)合污染的土壤修復(fù)至國家土壤質(zhì)量環(huán)境二級標(biāo)準(zhǔn)所需要的時間大大縮短,同時這種“邊修復(fù)、邊生產(chǎn)”的模式不僅能穩(wěn)步降低土壤中的重金屬污染,而且增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量。 宓彥彥[98]將超積累植物伴礦景天與茄子進行間作試驗發(fā)現(xiàn),伴礦景天地上部Zn、Cd 吸收量顯著增加,分別上升54.7%和16.9%,且植物修復(fù)效率較高,Zn 為3.17%,Cd 為28.4%。 同時,在該處理下,茄子果實 Cd 濃度為0.08 mg·kg-1。 秦麗等[99]利用超積累植物土荊芥(Dysphania ambrosioides)和農(nóng)作物玉米、蠶豆進行間作,結(jié)果顯示,土荊芥體內(nèi)Cd 含量上升了21% ~134%,Pb 的含量增加10% ~85%,3 種植物的生物量都有所提高。 此間作方法既抑制了農(nóng)作物吸收重金屬,同時提高了超積累植物的重金屬吸收量。 楊崎峰等[100]利用重金屬超積累草本植物與木本花卉間作修復(fù)污染土壤,刺槐和柔毛堇菜(Viola fargesii)經(jīng)過間作修復(fù)后,農(nóng)田中 Cd、As、Pb、Cu、Zn 等的降解率分別為 96.37%、72.56%、75.45%、46.28%、50.59%,同理臘腸樹與野菊(Chrysanthemum indicum)間作對農(nóng)田中重金屬元素的降解率顯著提高,此修復(fù)方式既降低了土壤中的金屬含量,同時也具有一定的經(jīng)濟效益。 姚春霞等[101]將玉米秸稈加進Pb-Cd 復(fù)合污染土壤中得到基質(zhì),再在此基礎(chǔ)上間作蓖麻與伴礦景天,結(jié)果顯示,蓖麻地上部的重金屬含量未超出食品中污染限量,且可達到3 686.7 kg每公頃一季,伴礦景天對土壤中的重金屬去除率也比較顯著。

4.2 超積累植物同農(nóng)作物間套作在城市中的應(yīng)用(城市湖泊、河道等的污泥處理)

Wu 和Jiang[102]采用遏藍菜(Thlaspi caeulescens)與玉米修復(fù)城市中Cd 或Zn 超標(biāo)的污泥,經(jīng)過半年的處理,污泥體積變小為原來的1/4,通過EDTA 浸取測定,Zn 含量明顯降低,而且產(chǎn)出的玉米經(jīng)過多次試驗檢測,符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 劉頌頌[103]通過玉米與東南景天套種的處理方式,使污泥中的Zn 含量明顯降低。 黑亮等[104]通過超積累植物東南景天和玉米套種對污泥進行修復(fù)試驗,結(jié)果表明,套種顯著提高了超積累植物東南景天提取Zn 和Cd 的效率,其中,東南景天中Zn 含量達9 910 mg·kg-1,是單種的1.5 倍,而且玉米的籽粒重金屬含量符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 丘錦榮[105]采用香芋和東南景天套種方式修復(fù)城市污泥,發(fā)現(xiàn)城市污泥中的全Zn 和全Cd 的含量有顯著降低(Zn 下降了16.32%,Cd 下降了8.54%),且收獲的香芋總產(chǎn)量是18.1 t·hm-2,此方法可以將城市污泥中的Zn、Cd 和K 富集在不同植物體內(nèi)從而回收利用。

5 展望(Prospects)

5.1 超積累植物的界定

超積累植物一直在比較公認的界定范圍內(nèi)進行篩選,但還沒有精確的界定。 有研究表明,Cd 超積累植物相對比較少,Cd 超積累植物的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)降為50 mg·kg-1[26];魏樹和等[106]認為超積累植物的界定還應(yīng)當(dāng)加上:(1)植物體內(nèi)富集的重金屬含量一定要大于土壤中的重金屬含量,即富集系數(shù)(enrichment coefficient, EC)要＞1;(2)超積累植物必須具有較強的耐性特征。 2005年聶發(fā)輝[107]發(fā)表對超積累植物新的理解,認為傳統(tǒng)超積累植物定義只考慮植物體內(nèi)的重金屬含量和轉(zhuǎn)運系數(shù)這2 點存在缺陷,隨后提出2 項新的評價指標(biāo)——生物的富集系數(shù)(吸收系數(shù))和轉(zhuǎn)運量系數(shù),新指標(biāo)將傳統(tǒng)超積累植物的定義擴大了,即某植物富集質(zhì)量分數(shù)雖未達某一水平,但生物量達到要求也可定義為超積累植物。 綜上,應(yīng)該對超積累植物的界定進行多層次深入研究,進行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一劃分,最終篩選出更具實際應(yīng)用價值的超積累植物。

5.2 超積累植物的修復(fù)對象

超積累植物的研究絕大多數(shù)是對土壤的重金屬污染進行修復(fù),但是國內(nèi)水體的重金屬污染也非常嚴(yán)重,水是動植物和人類不可或缺的資源,水體的污染更容易進入食物鏈造成污染,直接威脅人體健康。在超積累植物篩選中,水生植物或濕生植物作為試驗對象的研究相對較少,表1 中的超積累植物篩選中有水蓼、野古草和鐵皇冠可作為水體修復(fù)的植物。其中,野古草[59]在修復(fù)Cr 污染水體中表現(xiàn)出比修復(fù)土壤更強的富集能力。 綜上,應(yīng)該關(guān)注水體重金屬污染情況,對水生植物超積累植物進行充分的探尋篩選以及合理利用,為水體的重金屬污染修復(fù)提供新的思路和方法,從而適當(dāng)避免傳統(tǒng)修復(fù)方式的弊端。

5.3 土壤修復(fù)與土地利用的矛盾

中國地少人多的情況顯著,本文中列舉的超積累植物同農(nóng)作物、經(jīng)濟作物套間作不僅達到修復(fù)目的,同時收獲了安全的作物,這樣的治理方法既能滿足人民的需求帶來實際效益,又在一定程度上緩解了土壤修復(fù)與土地利用的矛盾。 在城市中的土壤修復(fù)與土地利用矛盾更為突出,我國學(xué)者針對此類情況進行了探索研究,如周睿人等[108]利用四季春(Ligustrum malongenseB. S. Sun)來修復(fù)重金屬污染的土壤,四季春是一種觀賞植物,能夠修復(fù)Cd、Pb 和As 單一污染或復(fù)合污染的土壤,同時達到一定的景觀效應(yīng),具有廣泛的應(yīng)用前景。 魏朝丹等[109]利用觀賞植物白雪姬(Tradescantia sillamontana)來修復(fù)重金屬Pb 污染的土壤,對Pb 的污染表現(xiàn)出極強的耐性和良好的富集作用,同時產(chǎn)生一定的景觀效益。 綜上,推廣此類重金屬污染土壤修復(fù)方式,對緩解土壤修復(fù)與土地利用的矛盾具有指導(dǎo)意義。

5.4 高富集植物的處理處置

從許多植物修復(fù)的應(yīng)用文獻中發(fā)現(xiàn),非超積累植物具有重金屬超積累的能力,甚至富集量超過了超積累植物。 例如,榮偉英等[110]發(fā)現(xiàn)千屈菜(Lythrum salicaria)是類似Cr 超積累植物,能降低水體中Cr 的濃度來達到凈化水體的效果。 寧平等[111]發(fā)現(xiàn)密蒙花(Buddleja officinalisMaxim)對Pb 具有超積累特性以及較強的耐性,對輕度或重度Pb 污染土壤的治理修復(fù)具有良好的應(yīng)用前景。 綜上,對重金屬土壤修復(fù)效果顯著的植物我們應(yīng)該注重應(yīng)用試驗,而不是判定試驗。

5.5 多金屬復(fù)合污染土壤修復(fù)中的植物品種選擇

在目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物中,對某一種重金屬具有超積累性的植物占大多數(shù),但是土壤的重金屬污染大多是2 種或2 種以上產(chǎn)生的復(fù)合污染[83]。 已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)有些植物對復(fù)合重金屬污染的土壤具有良好修復(fù)作用。 張少卿[112]發(fā)現(xiàn)野茼蒿(Crassocephalum crepidioides(Benth.) S. Moore)具有超積累能力,對Pb 和Zn 具有一定的耐性和富集能力,對此類復(fù)合重金屬污染土壤具有一定的修復(fù)作用。 祝鵬飛等[113]通過對鉆形紫苑(Aster subulatus)地上部分重金屬的富集系數(shù)和體內(nèi)重金屬含量研究發(fā)現(xiàn),在復(fù)合污染的土壤中鉆形紫苑具備As-Pb-Cd 超積累植物的基本特征。 綜上,對于多金屬復(fù)合污染的土壤,可以合理選擇具有良好修復(fù)作用的植物品種進行修復(fù),從而達到一定的治理效果。

5.6 修復(fù)效率和修復(fù)周期問題

植物修復(fù)的普遍特點就是效果慢并且修復(fù)周期長[81]。 姚春霞等[101]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈加進 Pb-Cd 復(fù)合污染土壤中制成基質(zhì),通過玉米秸稈的協(xié)同修復(fù)作用,能夠在一定程度上提高伴礦景天對土壤中重金屬的修復(fù)效率。 鐵皇冠在20 mg·L-1Cd 濃度下暴露僅3 d,植物體內(nèi)Cd 富集量就趨于最大值,對水體Cd 的凈化能力達到40% ~60%,具有凈化能力強、修復(fù)周期短等顯著優(yōu)點[51]。 綜上,充分利用植物的協(xié)同修復(fù)或利用植物在修復(fù)中顯著優(yōu)勢來達到提高修復(fù)效率、縮短修復(fù)周期的目的。

5.7 超積累植物的資源探索

自然環(huán)境中的稀土元素由土壤和水進入食物鏈從而進入人體。 兒童在生長發(fā)育階段,生理屏障還未完全成熟,身體里的解毒、代謝功能還未完善,對有毒物質(zhì)的吸收率高,敏感性也比其他年齡段強,攝入稀土元素將導(dǎo)致兒童發(fā)育障礙、兒童智力和記憶力下降等,如果長期攝入稀土元素或者低劑量暴露,可能會造成兒童神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等多方面的損害,尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng),即使低劑量的稀土暴露也會導(dǎo)致中樞神經(jīng)或周圍神經(jīng)系統(tǒng)的損傷[114]。 目前可以利用的修復(fù)稀土元素污染土壤的植物資源較少,且可利用植物也表現(xiàn)出生物量小、生長緩慢和修復(fù)范圍窄等問題。 張世熔等[115]利用巨桉(Eucalyptus grandis)修復(fù)稀土元素La 污染土壤,巨桉表現(xiàn)出很強的耐性,在土壤中La 濃度為350 mg·kg-1時,巨桉對La 的富集量最大為10 883 mg·kg-1,富集效果顯著。 綜上,可以發(fā)掘稀土元素的富集植物或超積累植物資源,從而降低稀土元素對人類健康的危害。