农业环境科学学报2005,24(增刊):330-335J ournal of A gro-Env iron m ent Science重金属超富集植物筛选研究进展常青山,马祥庆(福建农林大学林学院,福建 福州 350002)摘要:综述超富集植物富集重金属的机制、重金属超富集植物筛选研究现状以及螯合诱导技术和基因技术在重金属超富集植物筛选中的应用,针对重金属污染植物修复技术和重金属超富集植物筛选研究中存在的问题,提出了今后应加强的研究工作。
关键词:重金属污染;植物修复技术;超富集植物;螯合诱导技术;基因技术中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2005)增刊-0330-06Advances i n t he R esearch of Selecting Hyperaccum ulatorC HANG Q i ng-shan,MA X i ang-q i ng(Co llege of Forestry,F uji an A g ricu lt ure and F orestry U niversity,Fuzhou350002,Ch i na)Abstrac t:H eavy m eta l po lluti on has become a ser i ous prob le m wh ich is urgent to be so l ved in the w orld.Phytore m ediati on m ay offer a feasi b l e so l uti on to t h is prob l e m as it is safe and cheap co m pa red to traditi onal rem ed i ation techno logy.H ow ever, there are diffi culties i n extensi on of t h is techn i que for its disadvantage such as a lo w bio m ass producti on and so on.So it i s ur-gent t o look for t he suitable hyperaccumu l ato rs w it h h i gh b i omass i n t he field.I mprove m ent o f plants by genetic eng i neer i ng and app licati on o f che l a t o rs to so il a re also feas i ble and effecti ve approach to i ncrease e fficiency o f phy t o rem ed i ation.T he concept o f phy t o rem ed i ation and hype raccu mu l a t o r,the research advances in mechan i s m s of hyperaccu m l a tor,se l ec ti on o f hyperaccu m ula-tors,g ene techn i que and che l a te-enhanced phytore m diati on f o r hype raccumu l a t o rs selecti on are rev i ew ed.T he prob l ems and the fut ure study directi ons in the phyto remed i ation research field are put f o r w ard.In order to enhance bio m ass and accu m ulati on capacity o f hype raccu mu l a tor,it becom esm ore i m portant to i m prove the e ffect o f phy tore m ed iati on si nce so m e hyperaccu m ula-tors grow i ng slo w l y.G ene techno l ogy m ay br i ng the breakthrough for phyto re m ediation technique,som e adv ises on g ene tech-nology i n the future a re suggested i n th i s pape r.K eywords:heavy m etals po ll u ti on;phytore m ediati on;hyperaccu m ulator;che l ate-induced phyto remed i ation;g ene techno l ogy0重金属污染由于其难降解性、易于积累且滞留时间长等特点而成为环境污染治理中的一个棘手难题,而且重金属污染可通过食物链危害人类健康,日本的水俣病(H g中毒)和骨痛病(Cd中毒)即是典型例证。
目前基于机械物理或物理化学原理的传统重金属污染治理方法如土壤冲洗、热处理及电动修复等因成本高、效率低,而且会破坏土壤结构、导致 二次污染 等原因,难以大面积应用。
收稿日期:2005-02-04基金项目:福建省科技厅重大科学基金资助项目(2003I004)作者简介:常青山(1979 ),男,河南林州人,硕士,主要从事重金属污染修复方面的研究。
联系人:马庆祥,E-m a il:m xq@pub li c.fz. f.j cn在这种背景下,对环境扰动少、成本低且能大面积推广应用的重金属污染植物修复技术应运而生。
目前国内外众多学者对重金属污染植物修复技术进行了大量研究,特别是对重金属的超富集植物筛选及其富集机理进行了较深入研究。
本文分别从植物修复技术的概念、重金属超富集植物的特征及其富集机制、螯合诱导技术和基因技术在重金属超富集植物筛选中的应用等方面综述了国内外的研究进展,并在此基础上归纳了当前研究中存在的问题,展望了今后发展趋势。
1重金属污染植物修复技术的概念广义的植物修复技术包括利用植物修复土壤、空气和水体中的有机和无机污染,如土壤中的重金属污染、水体中有机化合物污染、空气中的烟雾污染等。
狭义的植物修复主要指利用植物修复土壤中的有机和无机污染。
通常所指的重金属污染植物修复技术是利用超富集植物(H yperaccum ulators)的提取作用去除土壤中的重金属,即通过重复种植和收获超富集植物将污染土壤中的重金属浓度降到可接受的水平[1]。
根据修复的过程和机理,植物修复技术可以划分为4种类型:植物提取技术(Phytoextrati o n)、植物挥发技术(Phy tovo l a tilization)、植物固化技术(Phytostab iliza-ti o n)和根系过滤技术(Rhizofiltrati o n)。
2重金属超富集植物的特征超富集植物的定义目前采用较多的是B aker和B r ooks1983年提出的参考值,即把植物叶片或地上部分中含Cd达到100m g kg-1,含Co、Cu、N i、Pb达到1000m g kg-1,含M n、Zn达到10000m g kg-1以上的植物称为重金属超富集植物,也称超富集体或超积累植物[2]。
一般情况下重金属超富集植物的认定要考虑3个条件:(1)植物地上部富集重金属的量要达到一定临界标准,在较低污染水平下也有较高的吸收速率;(2)S/R>1(S和R相应代表植物地上部分与地下部分的重金属含量),即植物应有较强的转运能力,一般植物的S/R 0.1;(3)与一般植物相比超富集植物能够忍耐较高浓度的重金属的毒害,一般植物则会发生毒害甚至死亡。
现已发现的Cd、Co、Cu、Pb、N i、Se、M n、Zn超富集植物有400余种,其中73%为N i超富集植物[3]。
常见重金属在土壤和普通植物中的含量以及超富集植物的临界标准见表1[4]。
3重金属超富集植物修复重金属污染的作用机制表1重金属在土壤和植物中的平均浓度以及超富集植物的临界标准(m g kg-1DW)T able1The m ean contents o f heavy me tals in so ils and t heo rd i na ry plants and t he cr iti ca l standard for hype raccumu l a t o rs重金属种类土壤平均浓度植物平均浓度超富集植物临界标准Cd100Cr601000Cu20101000Zn5010010000M n8508010000N i4021000Pb10510003.1络合作用机制通过与植物中对重金属具有高亲和力的大分子(如苹果酸、柠檬酸等)结合形成络合物,可使土壤中自由重金属的浓度降低,从而降低重金属的毒性[5]。
目前研究比较多是植物螯合素(PC s)和金属硫蛋白(MT)。
PCs在植物解Cd毒中起到重要作用,PC s-Cd复合物是Cd从细胞质进入液泡的主要形式[6]。
金属硫蛋白与植物对Cu2+、Zn2+的抗性机制有关,将重金属耐性植物紫羊茅草(F estuca rebra)中克隆得到的m c MT l转入到酵母MT基因缺失突变株中,可增加酵母细胞对Cu、Cd和Pb的抗性[5]。
N i超富集植物A lyss um lesbiacum叶片富集的N i是与苹果酸和柠檬酸形成的络合物,其木质部溢出液中组氨酸与N i 形成的络合物约占溢出液总N i量的40%[7]。
3.2区域化作用机制超富集植物将吸收的重金属离子富集在液泡、细胞壁及叶片表皮细胞的表皮毛等部位[8]。
在水培条件下,超富集植物A.ha lleri中的Zn和Cd在根部主要以Zn/Cd磷酸盐形式累积在表皮细胞的细胞壁中,而在叶部主要贮存在叶肉细胞的液泡内[9]。
超富集植物T.caerulescens叶片中富集的Zn有80%是水溶性的,其中60%的Zn贮存在叶片表皮细胞的液泡中[10]。
N i超富集植物T.goesi n gense叶片中大多数N i 贮存在细胞壁中,其余部分主要以N i-有机酸复合物形式贮存在液泡内,小部分以N i-组氨酸复合物形式存在于细胞质中[11]。
3.3较强的富集吸收能力机制超富集植物与一般植物相比对重金属有着较强的吸收和富集能力。