植物修复土壤重金属污染机制与应用研究

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1、植物修复土壤重金属污染机制与应用研究摘要：土壤污染是全球面临的一个亟待解决的环境问题。近年来，植物修复土壤重金属污染的技术被认为是一种绿色、生态友好的土壤修复技术。系统阐述了植物修复土壤重金属污染的机理和类型，并对植物修复土壤重金属污染技术的发展前景进行了展望。关键词：植物修复;重金属;土壤;机制;类型中图分类号：S154.4;X53文献标识码：A文章编号：0439-8114（2014）23-5617-07重金属是指比重等于或大于5.0的一类金属元素，其中包括汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、铜（

2、Cu）等40多种金属元素[1]。中国受Cd、砷（As）、Pb等重金属污染的耕地面积近2.0×105km2，约占总耕地面积的1/5;每年因重金属污染而减产粮食超过1.0×107t，被重金属污染的粮食也多达1.2×10727t，由此造成的经济损失合计至少为200亿元[2]。植物在重金属胁迫下，其根系生长受到影响，细胞膜透性增大，植物抗氧化酶系统和光合系统被破坏，对基因产生毒害等[3-5]。但不少种类植物仍能在高浓度的重金属离子环境中生长，完成其生活史，表明在长期进化过程中植物亦相应地产生了多种抵抗重金属毒害的防御机制，以适应环

3、境的变化。那么，如何有效解决土壤重金属污染给植物带来的危害，笔者结合前人对植物修复土壤重金属污染机理的研究和应用现状，结合实际，提出了当前如何利用植物修复土壤重金属污染的技术措施，并对该技术的发展前景进行了展望。1植物修复土壤重金属污染机制在大量推广运用植物修复重金属污染土壤之前，必须对其吸收、转运和积累重金属的生理和生化机制有清楚的认识。目前国内外在此方面已有大量研究，已发展到分子水平。1.1限制重金属离子跨膜吸收机制植物根部重金属离子横向运输的途径主要为质外体途径和共质体途径。重金属离子进入植物体后的分配依靠跨膜运输完

4、成，主要包括跨质膜转运和跨液泡膜转运两种方式[6]。从理论上来说，植物通过限制对重金属的吸收，能有效降低体内重金属浓度，阻止重金属离子由质膜进入胞质溶胶是最好的防御机制。Nedelkoska等[7]对天蓝遏蓝菜与烟草的根部及其细胞壁的Cd水平研究发现，在Cd处理浓度为20μg/g时，烟草根毛吸收的Cd大多数在3d内就直接进入共质体，而天蓝遏蓝菜在开始的7～1027d内则是几乎把所有吸收的Cd都贮存在细胞壁中，然后再释放到共质体中向茎叶部运输。后来研究表明，Cd吸收是一个不需要结合部位的选择性过程，即细胞壁中的负电荷使Cd2

5、+在细胞膜外富集起来，从而增加了跨膜梯度，可推动Cd2+进入细胞中[8]。细胞表面（CMS）的电负性形成细胞膜表面电势ψ0，影响细胞表面离子的浓度，并进一步影响金属阳离子的植物毒性。主要是通过细胞膜表面电势而不是离子之间的竞争起作用[9]。另外，细胞膜具有选择透过质膜的特性，它能调节和控制细胞内外物质的交换和运输，是有机体与外界环境之间的一个重要界面，因此，质膜的透性大小是决定外界重金属离子能否进入细胞和进入多少的主要因素。植物可通过限制重金属离子跨膜吸收来降低体内重金属离子的浓度。Ange’lique等[10]研究认为，

6、根细胞膜上可能存在Cd诱导的运输蛋白，该蛋白对重金属的运输具有很强的选择性。IRT作为一种质膜转运体具有Fe、Cu、Zn和Cd转运活性，在转录水平上，JRT基因的表达也响应Cd胁迫。1.2重金属与植物细胞壁结合机制27植物对重金属的排斥作用首先是使重金属在植物体内的运输受阻。通过对黄瓜、菠菜、互花米草、黑麦草、烟草、皖景天等植物的试验表明，植物吸收的重金属离子大部分位于细胞壁，且被局限于细胞壁上，而不能进入细胞质影响细胞内的代谢活动，这种作用阻止了重金属离子进入细胞原生质，而使其免受伤害，使植物对重金属表现出耐性[11-1

7、5]。类似的结果也在水稻、玉米、小麦等主要农作物的试验中出现。例如，王芳等[16]采用不同的水稻品种，研究了细胞壁组分中Cd的含量，发现不同品种根部细胞壁组分存在显著差异，且细胞壁组分中含Cd高的品种非蛋白巯基含量比含Cd低的品种高出1.6倍。袭波音[17]的研究结果表明，水稻体内Cd主要分布在细胞壁上，其次为含核糖体的可溶性成分（以液泡为主），而且根部Cd含量要高于地上部。司江英等[18]认为，细胞壁和细胞溶质部分是Cu在玉米细胞内分布的主要位点，细胞核、叶绿体及线粒体等细胞器中Cu的含量较低。张戴静[19]研究了Cu和

8、Cd在小麦幼苗细胞组织的分布，发现Cu胁迫下，小麦幼苗中Cu主要集中在根的细胞壁中，其次是根的细胞质，包括线粒体、叶绿体、细胞核等细胞器;Cd处理下，以根的细胞质中Cd含量最高，占整个幼苗的41.29%～49.49%，其次为根细胞壁部分，占总含量的17.88%～31.38%，而叶细胞器中含量最低，只占到