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重金属超富集植物及植物修复技术研究进展


第 21 卷第 7 期 2001 年 7 月

生  态  学  报 A CTA ECOLO G ICA S I ICA N

V o l 21, N o. 7 . J u l , 2001 .

重金属超富集植物及植物修复技术研究进展
韦朝阳, 陈同斌
( 中国科学院地理科学与资源研究所农业生态与环

境技术试验站, 北京 100101)

摘要: 植物修复技术 ( Phyto rem ed iation ) 是近年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属污染的绿色生态技术。 重金 属超富集植物 ( hyp eraccum u lato r ) 及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域, 目前虽已有 Cd、 、 r、 、 n、 i、 Co C Cu M N 丰富的植物类型和多种 ( 处) Pb、 等超富集植物发现的报道, 但尚无一例报道来自于中国。 中国具有广袤的国土面积、 Zn 古老的矿山开采与冶炼场所, 在中国开展超富集植物的寻找、 研究与开发工作, 将会有重要突破, 并具有重要的理论与实 践意义。 本文拟就国内外在这一领域的研究进展作一简要综述。 关键词: 超富集植物; 植物修复技术; 重金属污染土壤

Hyperaccum ula tors and phytorem ed ia tion of heavy m eta l con tam ina ted so il: a rev iew of stud ies in Ch ina and abroad
W E I Chao 2Yang, CH EN Tong 2 in   ( Institu te of B
nese A cad em y of S ciences, B eij ing 100101, C h ina ) Geog rap h ica l S ciences and N a tu ra l R esou rces R esea rch , C h i2

Abstract: It ha s been esti a ted tha t m o re than 20 m illion hecta res of fa rm land have been con tam ina ted in m

Ch ina, accoun ting fo r 20% of the to ta l in the coun try. Fu rtherm o re, a reduction of m o re than 10 m illion

tam ina tion include cover w ith i p ro ted so il, app lica tion of li e and chem ica l w a sh ing. How ever, m o st of m m

tion of nu trien t elem en ts du ring in situ trea tm en t. Phyto rem ed ia tion, a techn ique u sing p lan ts to rem ove

B aker and B rook s ( 1989) a s a p lan t tha t can accum u la te cadm ium > 100 Λg g, coba lt, copp er, n ickel, lead>
基金项目: 国家自然科学基金 (49941003, 40071075) 和中国科学院知识创新工程重点方向资助项目 ( KZCX22401) 收稿日期: 2000206229; 修订日期: 2000212214


p ro sp ecting fo r copp er m inera liza tion. R. R. B rook s, a geochem ist from N ew Zea land first nam ed these sp e2 cia l accum u la to r p lan ts‘hyp eraccum u la to rs’in 1977, and in 1982 R. Chaney from the U SA first suggested . the concep t of p hyto rem ed ia ton u sing these hyp eraccum u la to rs A hyp eraccum u la to r ha s been defined by
作者简介: 韦朝阳 (1965 ) , 男, 安徽铜陵人, 副研究员。 主要从事污染土壤的植物修复与矿区生态环境整治研究工作。 ~ 来源于美国环保局网站的资料

d ia tion B itiliog rap hy p roduced by the U S 2EPA , in 1977 there w ere on ly 7 repo rts p ub lished rela ting to p hy2 to rem ed ia tion, w herea s in 1997, the to ta l litera tu re of p hyto rem ed ia tion increa sed to 214. In 1583, A. Cesa lp ino, an Ita lian bo tan ist d iscovered an unu sua l p lan t w h ich g rew on so ils over‘b lack ( stone ’u ltram afic rock s). T h is w a s p robab ly the first ever repo rt of a m eta l hyp eraccum u la to r p lan t. It w a s la ter nam ed a s A ly ssum bertolon ii in 1814 by D esvaux and the n ickel con ten t of its leaves w a s repo rted a s
E lsholtz ia ha ichow ensis Sun, a copp er accum u la to r, w ere d iscovered ea rly in Ch ina and em p loyed in

con tam ina tion from so il and w a ter, ha s becom e a top ica l resea rch field in the la st decade a s it is safe and po 2 7900 Λg g in 1848 by C. M inguzzi and O. V ergnano. Si ila r p lan ts, designa ted‘ind ica to r p lan ts’ such a s , m . ten tia lly cheap com p a red to trad itiona l rem ed ia tion techn iques B a sed on info rm a tion from the Phyto rem e2

1000 Λg g, m anganese and zinc> 10000 Λg g in their shoo t d ry m a tter. Fu rtherm o re, an op era tiona l defin i2

ton s of food supp lies resu lts from th is so il con tam ina tion. T echn iques cu rren tly em p loyed con tro l so il con 2 these a re exp en sive, labou r2in ten sive and can resu lt in fu rther con tam ina tion p rob lem s o r leach ing depo si2

? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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韦朝阳等: 重金属超富集植物及植物修复技术研究进展

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tion w a s p ropo sed by B aker ( 1981) tha t in accum u la to r p lan ts the m eta l con ten ts in shoo ts a re inva riab ly g rea ter than tha t in rooo ts, show ing a sp ecia l ab ility of the p lan ts to ab so rb and tran spo rt m eta ls and sto re been repo rted in the litera tu re. Am ong them , 315 a re n ickel hyp eraccum u la to rs, 24 a re copp er hyp eraccu2 T he hyp eraccum u la to rs a re m o stly d iscovered in the heavy m eta l con tam ina ted a rea such a s m in ing . and sm eliting loca lities T he au tho r of th is p ap er suggests tha t there m ay ex it som e“po ten tia l hyp eraccu2 deg ree of accum u la tion, by cu ltu ring the p lan ts and add ing som e k ind s of reagen ts in their g row ing m ed ia, they m ay revea l cha racter of hyp eraccum u la tion. (d ry m a tter ba sis ) resp ectively, fo r copp er con ten ts in the so il a round their roo ts rang ing from 5000 to g la sshou se stud ies, w e have now iden tified a hyp eraccum u la to r of a rsen ic2P teris v itta ta L. (Ch inese b rake fern). T h is is the first hyp eraccum u la to r d iscovered in Ch ina. U n like o ther repo rted hyp eraccum u la to rs, shoo ts can be a s h igh a s 5000 Λg g (d ry m a tter) , and the ra tio of a rsen ic in leaves, leafsta lk and roo ts is 5: th is p lan t can reach 2 m in heigh t, w ith a fresh shoo t b iom a ss of up to 36t km 2. T he a rsen ic con ten t in 2: 1, w h ich revea ls a un ique a rsen ic accum u la tion cap acity. . i po rtan t ro le in to lerance and accum u la tion of heavy m eta ls in p lan ts How ever, som e recen t stud ies have m accum u la tion rela tes to a h igh ly efficien t up take and tran spo rt system. It is i po rtan t to cla rify the p a ttern s of to lerance and accum u la tion in d ifferen t hyp eraccum u la to rs fo r m d ifferen t m eta ls under d ifferen t environm en ta l cond ition s, in o rder to m ake p hyto rem ed ia tion p ractica l and la to r, Ch inese b rake fern, ha s a un iquely h igh cap acity to sto re a rsen ic in p lan t cells, tha t ha s no t yet been ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. no t found any clea r rela tion sh ip betw een them. W ha t can be concluded now is tha t to lerance and accum u la2 tion m ay be indep enden t cha racters; to lerance lead s to com p a rtm en ta tion of m eta ls in p lan t cells w herea s co st 2effective in field. N u trition and po t tria ls have been cionducted, and the resu lts show tha t hyp eraccu2 la te h igh con ten ts of m eta ls in their shoo ts in very sho rt ti e p eriod s, even from very low er backg round m to rs, such a s pH , nu tritiona l sta tu s and m eta l sp ecia tion, m ay g rea tly influence the p a ttern s of m eta l accu 2 tha t determ ines the cap acity of hyp eraccum u la tion. How erver, resu lts a lso show tha t severa l ex terna l fac2 20000 Λg g. W e in itia ted p ioneering resea rch on hyp eraccum u la to rs and p hyto rem ed ia tion in Ch ina ea rly in 1998. Severa l su rveys w ere conducted in sou th Ch ina, and th rough system a tic field investiga tion and A system a tic su rvey of p lan t and so il chem istry in the copp er m in ing a rea s a long the low er 2 idd le m T he m echan ism s of m eta l hyp eraccum u la tion have no t been fu ll elucida ted, a lthough m any stud ies . them in their above 2g round p a rts To da te, m o re than 400 sp ecies of m eta l hyp eraccum u la to r p lan ts have

“low ”heavy m eta l con ten t a rea s T he p lan ts m ay no t have very h igh to lerance bu t m ay have som e ex ten t .

m u la to rs bu t the num bers of o ther m eta l hyp eraccum u la to rs fo r o ther m eta ls a re low and they a re restrict2 ed in their d istribu tion in som e sp ecific loca lities in the w o rld. m u la to rs ”on the ea rth. M o re a tten tion shou ld be p a id to som e p lan ts tha t g row ing in som e rela tively
m elina com m un is L. and R um ex acetosa L. ; the m ax i um leaf copp er con ten ts a re 600, 160 and 100 Λg g m

cifer, T h lasp i caeru lescens. Ea rly repo rts suggested tha t som e low m o lecu la r w eigh t o rgan ic acid s p lay an

m u la to rs such a s T h lasp i caeru lescens can to lera te abno rm a lly h igh zinc and cadm inum levels, and accum u 2 m eta l concen tra tion s in their g row th m ed ia. T he hyp eraccum u la to r p lan ts them selves a re the m a jo r facto r m ercia liza tion of th is techn ique in the fu tu re. A rsen ic is very tox ic bu t an ana log of p ho sp ho ru s, it m ay d is2 . tu rb the m etabo lism of p lan ts and cau se clo su re of p ho sp ha te up take channels T he a rsen ic hyp eraccum u2 d ia tion u sing hyp eraccum u la to rs have a lso been p erfo rm ed and shed ligh t on the w ider app lica tion and com 2

. m u la tion, w h ich h igh ligh ts their i po rtance in p hyto rem ed ia tion app lica tion s F ield tria ls of p hyto rem e2 m

have been conducted, esp ecia lly on the m echan ism s of hyp eraccum u la tion of zinc and cadm ium by the cru 2

reaches of Yang tze R iver ha s revea led a few copp er accum u la to rs such a s E lsholtz ia ha ichow ensis Sun, C om 2

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elucida ted. M o re resea rch and developm en t w o rk w ith th is p lan t shou ld therefo re be conducted in o rder to p roduce cheap and effective techn iques fo r rem ed ia tion of a rsen ic con tam ina ted so ils. Key words: hyp eraccum u la to rs; p hyto rem ed ia tion; heavy m eta l con tam ina ted so il
文章编号: 100020933 (2001) 0721196208 中图分类号: Q 948 文献标识码: A

  据估测, 目前中国受污染的耕地面积近 2 000 万 hm 2 , 约占耕地总面积的 1 5 [1 ] , 其中工业 “三废” 污染
1 000 万 hm 2
[2 ]

, 农田污灌面积已达 130 多万 hm 2[3 ]。每年因土壤污染而减少的粮食产量高达 1 000 万 t, 直

接经济损失达 100 多亿元 [4 ]。 土壤重金属污染源包括 “三废” 的排放, 矿山的开采和冶炼, 化肥和农药的施 用, 城市生活垃圾的排放, 污水灌溉和污泥农用等。 导致土壤污染的重金属主要包括 A s、 、 、 r、 、 Cd Co C Cu 重金属污染土地的治理大致有客土法、 石灰改良法、 化学淋洗法等 [6 ]。 这些方法在污染土壤的改良和

H g、 n、 i、 、 等, 一般为几种重金属的复合污染 [5 ]。 M N Pb Zn

治理方面虽然具有一定的理论意义, 但在实际应用上往往都存在某些局限。如加入土壤改良剂的沉淀法虽 然在一定时期内可以降低土壤溶液中重金属离子的溶解度, 但同时却会导致某些土壤营养元素的沉淀; 淋 洗法会同时造成营养元素的淋失; 客土法虽效果较好, 但费用昂贵, 难以大面积工程推广。近年来发展起来 的植物修复技术以其安全、 廉价的特点正成为研究和开发的热点, 以美国环保局公布的 Phyto rem ed ia tion 复公司, 如美国的 Eden sp ace 公司, 专门从事土壤、 水体重金属和放射性元素的植物修复商业化工作, 而国 内尚未系统开展这方面的工作。
1 植物修复技术的产生与发展

英国都设立了植物修 b ib iliog rap hy 为例①, 1977 年有关文献仅 7 篇, 到 1997 年已增长到每年 214 篇。美国、

1583 年意大利植物学家 Cesa lp ino 首次发现在意大利托斯卡纳 “黑色的岩石” 上生长的特殊植物, 这是

Chaney 提出了利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想 [13 ]。随后有关耐重金属植物与超富集植物的研

有关超富集植物 (H yp eraccum u la to r) ① 的最早报道。1814 年 D esvaux 将其命名为 A ly ssum bertolon ii ( 庭荠 属) , 1848 年 M inguzzi 和 V ergnano 首次测定该植物叶片中 ( 干重) 富含 N i 达 7900Λg g ( 0179% ) [7 ]。 以后 的研究证明这些植物是一些地方性的物种, 其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关性 [8, 9 ]。 这 些植物作为指示植物在矿藏勘探中发挥了一定的作用[10 ]。 在中国, 利用指示植物找矿的工作也开展较早, 时某些能够富集重金属的植物也相继被发现。 1977 年, B rook s 提出了超富集植物的概念[12 ]; 1983 年 植物修复技术商业化的巨大前景。
2 超富集植物的特点及其地理分布

如在长江中下游安徽、 湖北的一些铜矿区域分布的 E lsholtz ia ha rchow ensis Sun ( 海州香薷, 俗称铜草) 在铜 矿勘探中发挥了重要作用 [11 ]。 重金属污染土壤上大量地方性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究, 同

究逐渐增多, 植物修复作为一种治理污染土壤的技术被提出, 工程性的试验研究以及实地应用效果显示了

超富集植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物。通常, 超富集植物的界定可考虑以下两

个主要因素: ①植物地上部富集的重金属应达到一定的量; ②植物地上部的重金属含量应高于根部。 由于

各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异, 因此, 对不同重金属, 其超富集植 物富集浓度界限也有所不同。 目前采用较多的是 B aker 和 B rook s 1983 [14 ] 年提出的参考值, 即把植物叶片 或地上部 ( 干重) 中含 Cd 达到 100Λg g, 含 Co , Cu, N i, Pb 达到 1 000Λg g,M n, Zn 达到 10000Λg g 以上 的植物称为超富集植物。 同时这些植物还应满足 S R > 1 的条件 (S 和 R 分别指植物地上部和根部重金属 的含量) 。   目前, 世界上共发现有 400 多种超富集植物。 其中 N i 的超富集植物 277 种 [15 ]。 他们分布在世界少数几
① H yp eraccum u lato r, 国内有 “超积累植物” “超富集植物” 和 两种译法。 作者认为译为超富集植物为妥。 超富集植物的重

要特征在于: 相对于普通植物, 它能够从土壤或水体中吸收富集高含量的重金属, 并具有将重金属元素从根部转运 到地上部的特殊能力, 表现出很高的生物富集系数。 因此, 超富集植物的特征突出在 “富集” 上。

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个地区 ( 表 1 3) 。 ~   唐世荣 [16 ] 对中国长江中下游安徽和湖北境内的 铜矿区富铜植物 E lsholtz ia ha ichow ensis Sun ( 海州香 薷 ) 、 om m elina com m un is L inn ( 鸭 跖 草 ) 和 R um ex C
acetosa L inn ( 酸模) 进行了系统的调查研究, 发现酸
表 1 目前已发现的超富集植物
Table 1 The d iscovered hyperaccum ula tors up to da te

金属 M etals 砷A s 镉 Cd 钴 Co 铜 Cu 铅 Pb 锰M n 镍N i 锌 Zn

种数

科数

N um ber of sp ecies N um ber of fam ilies 1 1 26 24 5 8 277 18 1 1 12 11 3 5 36 5

模、海 州 香 薷 和 鸭 跖 草 样 本 叶 片 含 铜 ( 干 重 ) 平 均
596、 和 102Λg g。 野外这些植物生长的土壤上铜 157

A eollan thus bif orm if olius

D e W ild

H aum an iastrum robertti . A rm eria m a rtitim a va r B a lleri C a rd am inossis ba lleri D ichap eta lum g elon ioid es M inua ritia verna P oly ca rp aea sy nand ra T h lasp i brachyp eta lum T. caeru lescens T. och roleucum

T. rotund if olim sub sp. C ep aeif olium T. caeru lescens

T. rotund if olim (L. ) Gaudin sub sp. C ep aeif olium V iola ca lam ina ria A ly ssum bertolon ii B ornm uellera tym p hacea D icom a n iccolif era W ild S u tera f od ina W ild P teris v itta ta L.

据 B aker and B rook s (1989)

含量为 5 000 20 000Λg g, 因此调查结果未能显示 ~ 这些植物特殊的超富集能力。 应进一步开展这些植物 植物作为超富集植物应用于植物修复的可行性。 自
1999 年开始对中国中南部一些炼砷区的植被和土地

在人工驯化干预下条件下的富集试验, 深入揭示这些

污染状况进行了考察、 采样和室内盆栽试验和化学分

  据 Baker (1996) [15 ] 修改 R evised after Baker (1996) [15 ]

析, 首次发现了一种 A s 的超富集蕨类植物, 其叶片含 A s 高达 5 000Λg g ( 干重, 未发表的数据) 。 同时, 调查 的耐砷毒能力, 在砷污染区处于竞争优势。 目前正在进一步开展深入的研究工作。
表 2 一些典型的超富集植物及其植物体中最大金属含量 ( Λ g) g 产地
L ocalities Cu Pb Zn Cd Ni Table 2 Som e popular hyperaccum ula tors and the max i um con ten ts of heavy m eta ls in the ir shoots or leaves m

还发现在砷污染严重区域生物种群极其单一, 这种超富集蕨类植物生长非常繁盛, 呈族群分布, 调查样方 内几乎没有其他植物生长, 每平方米收割的植物地上部鲜种可达 316kg, 显示其具有很大的植物修复潜力。 而离开污染区, 这种植物则很少能成群分布, 个体也小的多。 这些表明所发现的超富集蕨类植物具有特殊

Sp ecies Co Cr As

非洲砂坝哈 Sabah, A frica 非洲砂坝哈 Sabah, A frica 德国 Germ any 德国 Germ any 非洲砂坝哈 Sabah, A frica 南斯拉夫 Yugo slavia 澳大利亚A u stralia 法国 F rance 欧洲中西部

3 920 2 070

2 820

10 200

1 600

13 600 30 000 6 960 15 300

11 400 1 050

W est cen tral Eu rop e

2 740 43 710 1 210 4 130

2 130

希腊 Greece

奥地利 意大利A u stria Italy 英国U K

8 200 17 300 864 23 036

258

中欧 Cen tral Eu rop e

8 200

比利时 德国B elgium Germ any 意大利 Italy 希腊 Greece 津巴布韦 Zi babw e m 津巴布韦 Zi babw e m 中国 Ch ina
[45 ]

10 000

13 400 31 200

1 500 2 400

5 000

[26 ]

, R eevs et a l (1995)

修改 R evised after B aker and B rook s (1989)

[26 ]

, R eevs et a l (1995)

[45 ]

.

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3 超富集植物吸收富集重金属的机理

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有关超富集植物吸收富集重金属的机理仍不清楚。在重金属胁迫下, 植物根系分泌的低分子量有机酸 如柠檬酸、 苹果酸可与重金属结合, 降低重金属对植物的毒性, 促进植物对重金属的吸收。Shen [17 ] 发现超 富集植物 T h lasp i caeru lesences ( 遏蓝菜属) 和非超富集植物 T h lasp i och roleucum 地上部柠檬酸和苹果酸含 量相近, 不同浓度的 Zn 处理对两种植物的苹果酸和柠檬酸含量影响也不显著, 因此并不能认为柠檬酸和 苹果酸在超富集植物中扮演特殊的作用。K ram er [18 ] 发现超富集植物 T . caeru lesences 与组氨酸具有特殊的 关系, 营养液培养显示当植物吸收富集重金属较高时, 其木质素中的组氨酸含量也高; 而在营养液中加入 组氨酸也能显著促进植物对重金属的吸收富集。有关超富集植物的耐性与富集机理则研究较多, 结论普遍 认为超富集植物的耐性与超富集由植物本身不同的生理机制所控制。 超富集植物超量吸收富集重金属与 其根部细胞具有与重金属较多的结合位点有关, 而耐性则是由于重金属在植物细胞中分布的区域化相关, 即重金属存在与细胞壁和液泡中, 从而降低其毒性 [19 ]。
表 3 N i 的主要超富集植物的种属与分布
Table 3 N i hyperaccum ula tors and the ir d istr ibution in the world

属名  Genu s  庭荠属 A ly ssum 遏蓝菜属 T h lasp i 柞木属 X y losm a 叶下珠属 P hy llan thus 苞复花属 Geissois 天料木属 H om a lium 鲍缪勒氏属
B ornm uellera

种数
N um ber of sp ecies 48 33 11 10 7 7 6 5 38

主要分布地区 
M ain ly d istribu tion area  

安纳托利亚 ( 土耳其) 、 塞普路斯、 意大利 A nato lia ( T u rkey ) , Cyp ru s, Italy 中欧、 希腊、 美国
Cen tral Eu rop e, Greece, U SA

新喀里多利亚 ( 大洋洲) N ew Caledon ia (O cean ia ) 新喀里多利亚
N ew Caledon ia

新喀里多利亚
N ew Caledon ia

新喀里多利亚
N ew Caledon ia

希腊、 安纳托利亚、 阿尔巴尼亚
Greece, A nato lia, A lban ia

鼠鞭草属 H y ban thus 其他 31 个属

澳大利亚、 新喀里多利亚
A u stralia, N ew Caledon ia

新喀里多利亚、 中欧、 美国
N ew Caledon ia, Cen tral Eu rop e, U SA

据 Baker (1989) [26 ] 整理。A fter Baker (1989) [26 ].

4 超富集植物吸收富集重金属的特征

目前发现的超富集植物均为在野外矿山开采或冶炼区发现的的品种, 一般土壤介质中的重金属含量 较高, 尽管植物地上部含量可以达到一定高的含量, 但其生物富集系数 ( 植物地上部重金属含量与土壤重 金属含量的比值) 并不大, 大多数文献报道也都忽略了对生物富集系数的探讨。实际上, 通过一些野生植物 品种的人工驯化栽培, 配合添加土壤改良剂, 可显著提高植物对重金属的吸收富集能力, 这些人工驯化成 功的植物也可以称为超富集植物。因此, 应特别注意对野外发现的一些重金属耐性强、 生长快、 生物量大并 有一定的重金属富集能力植物的筛选、 引种培育和综合试验工作, 而不能仅仅把范围缩小在少数富集能力 特别高, 但往往生物量都很小的一些植物上。 目前的植物修复试验基本上还处于试验摸索阶段, 大规模的工程应用较少。试验研究主要分为营养液 培养试验和盆栽试验。 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

植物重金属含量范围 ( Λg g ) R ange of heavy m etal con ten t in p lan t shoo ts o r leaves

1 280 ~ 29 400 2 000 ~ 31 000 1 000 ~ 3 750

1 180 ~ 38 100 1 000 ~ 34 000 1 157 ~ 14 500

12 000 ~ 31 200 3 000 ~ 25 500 1 000 ~ 47 500

7期

韦朝阳等: 重金属超富集植物及植物修复技术研究进展

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B row n 等 [20 ] 以 7 组系列 Zn Cd 浓度处理 T . ca reu lesences (Zn 超富集植物) 、 ilene v u lg a ris ( 蝇子草, Zn S

 指 示 植 物 ) 和 L y cop ersicon ly cop ersicum L.

[23 ] v u lg a ris 和 L . ly cop ersicum L. 有更强的将重金属吸收运移到植物地上部的能力 。

pH 变化显著影响耐重金属植物对重金属的吸收, 在不同 pH 处理的受 Zn、 污染的花园和山地土壤盆栽 Cd

Zn> Cd Ε Pb。 植物将重金属从根部运移到地上部的能力对不同重金属也不相同。 T . ca ruelesences 的 S R

Λ o l L Zn+ 0. 063Λ o l L  Cd 处理时生长就受到严重影响, S . v u lg a ris 在 1000Λ o l L Zn+ 20Λ o l L Cd m m m m 要富 Zn 的土壤环境, 其生长的土壤溶液 Zn 2+ 浓度是非超富集植物的 10 000 倍[21 ]。 对重金属具有特殊的吸收富集能力。 其他情况下污染土壤上 T . ca ruelesences 吸收的 Zn、 均远高于轻污染的花园土壤和对照农田清洁土壤, Cd 最高分别达 18 455 Zn 和 1 000Λg g Cd ( 叶片干重) , 植物对重金属的浓缩指数也显示 T . ca ruelesences 比 S . 示 T . ca ruelesences 对 Co、 n、 i、 具有较强的吸收富集能力。 M N Zn
5 影响超富集植物吸收富集重金属因素 5. 1 物理化学因素

处理时出现枯萎, 而 T . ca reu lesences 则分别在 10 000Λ o l L Zn 和 200Λ o l L Cd 时也未曾出现生长停止 m m 植物 T . och roleucum 在 500Λ o l L 时即出现明显损伤。研究还发现, 超富集植物 T . ca reu lesences 的生长需 m
M o rrsion 等 [22 ] 发现 A ly ssum ( 庭荠属) 中的 11 种植物对 N i 的吸收富集与泥炭培养基中 N i 浓度相关

的现象, 表明 T . ca reu lesences 对 Zn 有较强的耐性。Shen 等 [17 ] 发现溶液培养的 T . ca reu lesences 地上部最大 可吸收 28 000Λg g Zn ( 干重) , 溶液 Zn 处理浓度达 1 000Λ o l L 时未出现明显的受害症状, 而对照的同属 m 植物对 N i 的主动吸收特征。 Shen [17 ] 的研究结果也表明, 即使是在 1Λ o l L 处理时, T . ca ruelesences 地上部 m 要因素之一, 而其含量大小受重金属在土壤中的吸附- 解吸, 沉淀- 溶解和氧化- 还原平衡的控制。 土壤 试验中, T . ca reu lesences 吸收的 Zn、 量的大小随土壤 pH 下降而增加 [23 ]。 Cd
5. 2 营养元素的影响

性不大, 在 30 10 000Λg g N i 处理条件下, 6 周后有 9 种植物叶片中 N i 都达到了 10 000Λg g ( 干重) , 显示 ~ 富集的 Zn 比一般植物仍高达 10 倍, 而一般植物在这种浓度下已出现明显的缺 Zn 症状, 表明超富集植物
T . ca ruelesences 的盆栽试验结果表明在几个不同 pH 处理条件下, 除 pH 5106 处理的农田土壤之外,

超富集植物对不同重金属的吸收富集能力不同。R eeves 和 B aker [24 ] 研究了由蛇纹岩 ( 富 Zn ) 和石灰岩 发育的土壤 ( 不富 Zn ) 上生长的植物 T . ca ruelesences, 不同土壤上 T . ca ruelesences 富集重金属的能力均为

值对于 Co、 n、 i、 Ε 1, 对于 A g、 、 o 为 012 015, 对于 A l、 r、 、 、 则为 01009 0108 [25 ] , 显 ~ ~ M N Zn Cd M C Cu Fe Pb 有耐重金属、 耐贫瘠、 耐干旱等多种特征。 作者发现的超富集蕨类植物对 A s 有异常强的吸收富集能力, 这 具有重要意义。 s 和 P 具有相似的化学特性, 研究表明 A s 干扰植物对 P 的代谢途径, A s 胁迫可导致植物 A 植物蛋白质结合形成特殊的 Cd 蛋白, 据此提出了基于肽重金属结合相的植物吸收运移与富集重金属的假 适性也有待于检验。
5. 3 重金属形态的影响

不同土壤类型上的超富集植物吸收 N i 能力不同, 以发育于砂岩、 花岗岩土壤上的植物低, 而以发育于

超基性岩土壤上的植物高 [26 ]。 通常, 植物根系周围土壤溶液中的重金属含量是影响重金属生物有效性的重

一般植物受重金属胁迫可导致对 Ca、 吸收的抑制[24 ] , 野外发现的重金属耐性植物或超富集植物具 P

是传统植物营养与植物生理学所无法解释的现象, 因此从理论上开展这种植物对砷的吸收富集机理研究

对 P 吸收通道的关闭 [27~ 30 ]。 杨居荣发现耐 Cd 的甜菜与胡萝卜在对营养元素的吸收上呈现两种不同的特 征, 即耐 Cd 的甜菜往往对 Ca、 g、 、 元素的吸收量大, 而胡萝卜则相反[31 ]。 研究发现重金属 Cd 能与 M Zn Fe

说 [32 ] , 但这种假说还有待于实验的验证; 同时, 迄今为止尚未发现其他重金属元素蛋白, 因此这种假说的普

重金属的吸附2解吸、 溶解2沉淀和氧化2还原平衡决定着土壤溶液中重金属的含量变化。 在一定条件

下, 呈吸附态和沉淀态的重金属可以在土壤水溶液之间相互交换, 一般降低 pH , 可使呈吸附态的重金属解

吸释放进入土壤溶液中, 从而增加植物对重金属的吸收 [11 ]。 但 H a rter [33 ] 指出, Pb、 i、 在土壤中常以专 N Cu ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

( 番 茄, 非 耐 Zn 植 物 ) , 结 果 L . ly cop ersicum L 1 在 3. 16

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生 态 学 报

21 卷

性吸附态形式存在, 而 Zn 则较多以非专性吸附态存在, 因此, 降低 pH 并不能有效地增加植物对 Pb、 i、 N Cu 的吸收。增加土壤有机质含量也可使部分呈沉淀状态的重金属与柠檬酸和苹果酸络合, 转化为有机吸附态 被植物吸收利用。 类金属 A s 的情况则完全相反, A s 在土壤中以阴离子形式存在, 增加 pH 将使土壤颗粒表 面的负电荷增多, 从而减弱 A s 在土壤颗粒上的吸附作用, 增大土壤溶液中的 A s 含量, 植物对 A s 的吸收 增加 [34, 35 ]。 对于不同重金属, 植物吸收与土壤重金属总量及可交换态含量有不同的相关关系。 较高和较低浓度 下, T . ca reu lesences 吸收 Zn 与土壤总量及交换态 Zn 量均不相关; 吸收 Pb 的量与总 Pb 量呈正相关, 与交 换态 Pb 量不相关; 而吸收 Cd 的量与总量及可交换态均呈正相关 [21 ]。 植物对 Cd 的敏感性可能是由于 Cd 在土壤中主要以可交换态及有机质结合态形式存在, 其结合力较弱, 因而 Cd 容易释放到土壤溶液中, 从而 增加了土壤中的生物有效态 Cd 的含量 [36 ]。
6 植物修复技术的应用

广义上的植物修复是指利用植物 ( 包括草、 乔) 去除污染土壤和废水中重金属的技术, 有时候又称 灌、 生物修复或绿色修复。植物修复包括植物萃取[37 ]、 根际过滤 [38 ]、 植物挥发 [39 ] 和植物固定 [32 ]。其中最有前景 的是植物萃取, 亦即通常所指的植物修复。 和非超富集植物对土壤 Zn 的吸收清除效果。 结果表明, 超富集植物 T . caeu lescens 富集 Zn 是非超富集植物 盟 [40 ] 允许年输入量的 2 倍, 而非超富集植物萝卜则仅能清除其 1% 的量。
B aker [15 ] 等在英国洛桑试验站首次以田间试验研究了在 Zn 污染土壤 ( 440Λg g ) 栽种不同超富集植物

其每年从土壤中吸收的 Zn 量为 30kg hm 2 , 是欧 R ap hnus sa tinus ( 萝卜) 的 150 倍, 富集 Cd 相应则是 10 倍。

~ B aker 同时也发现, 尽管 T . caeu lescens 吸收重金属能力很强, 但由于其生物量小, 需 13 14a 的连续栽 种才能将试验地的重金属含量修复到欧共体规定的临界标准 ( 300Λg g ) 。 而 B rassica juncea ( 印度芥菜) 对 重金属的富集能力虽不如 T . caeu lescens, 但其生物量至少是它的 20 倍, 因而显示 B . juncea 在植物修复上 污染土地的潜力, 通过施肥, T h lasp i caeru lescens 的生物量增加了两倍, 而其地上部 Zn、 含量没有下降, Cd 是植物修复技术走向工程应用的首要任务。 究 [44 ]。 但尚未涉及到超富集植物应用与污染土地植物修复技术的系统性研究。 参考文献
[ [ [ [ 1 2 3 4

具有更大的潜力。 Rob in son 等 [41 ] 在法国南部利用盆栽和田间试验结合进一步研究了 T . caeru lescens 修复

但修复< 500Λg g Zn 污染土地仍需 8113a, 因此, 继续寻找开发生物量大、 富集重金属能力强的超富集植物 在中国, 已开展了利用耐重金属植物进行矿山尾矿地植被恢复的实验研究, 确定了一些矿山尾矿地影 响植物定居的主要因素, 并建立了植被重建技术 [42, 43 ]。 对污染农田的生物治理方法也进行了深入的研 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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7期

韦朝阳等: 重金属超富集植物及植物修复技术研究进展

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