超富集植物将过量重金属“揪”出来

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多重金属是生物体的非必需元素，高浓度的重金属对大多数动物有致畸、致癌、致基因突变和损伤器官等危害。而且，重金属的蓄积性很强，在环境中相对稳定不能降解，使得重金属污染治理十分困难。中国科学院沈阳应用生态研究所周启星、魏树和等研究人员通过对杂草进行系统筛选发现，龙葵、球果蔊菜和三叶鬼针草3种植物具有重金属超富集现象和特征。其论文《球果蔊菜对重金属的超富集特征》发表在最新一期的《自然科学进展》上。

让人头痛的重金属难题

由于人们生活水平的不断提高，日常生活用品中的重金属有所增加，同时大量电子产品废弃物未经处理与生活垃圾一起堆放，造成垃圾中重金属增多。垃圾中的重金属一方面对堆放地及周边土壤造成污染，另一方面垃圾渗滤液排入河流或渗入地下水，造成地下水污染。研究表明：1吨垃圾可产生800毫升碳酸，而这些碳酸能使垃圾中的汞、镉、锌等重金属以盐的形式溶入水中。

“人为原因和自然因素都可能造成重金属污染。”魏树和对《科学时报》记者说，“一些工业废水的排放，人们在重金属采矿、选矿、冶炼时产生的废水、废渣处置不当都会使重金属通过各种途径污染农田。日常生活中有大量的镍镉电池等电子垃圾被随意扔掉，这也是环境中重金属污染的一个重要来源。此外，在一些矿区，重金属也会因为成矿作用而使得矿区周围土壤受到污染。”

20世纪60年代，日本富山县神通川流域由于铅锌冶炼而排放的饮用含镉污水污染水稻，居民长期食用含镉稻米和含镉水引起镉中毒，造成1004人中毒，206人死亡。几乎在同一时间，我国沈阳地区也发现了因长期污灌导致的土壤镉等重金属的大面积污染问题。近年来，周启星等人的研究显示，在沈阳铁西某铅锌冶炼厂废址上，土壤中重金属污染十分严重：镉平均含量70.7毫克/千克，铜2974.8毫克/千克，锌3018.1毫克/千克，铅4020.4毫克/千克。

而在徐州马河区域，土壤中的铬、铜、锌、铅污染主要是由垃圾引起的，镉污染是由农灌和垃圾引起。我国江苏省沿海地区以及上海市、辽宁省西部、浙江省温州、遂昌等地前些年也出现了镉中毒人群，其主要原因是由垃圾中镉污染引起的。

目前，常用的重金属污染治理方法有物理方法（客土法、蒸汽浸提法、玻璃化法、电动力学法等）、化学方法（化学淋洗法、溶剂浸提法、氧化法、还原法等），但这些方法工程量大，投资昂贵，修复成本极高，需要破坏土壤理化性质，只能治理小面积污染，很难大面积应用。在这种背景下，对环境扰动少、修复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，为重金属污染治理提供了新途径。

筛选超富集植物的新途径

植物修复是利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害的污染物技术的总称。国外很早就发现了重金属超富集体的存在，早期主要是利用指示植物来发现特定的矿床，这种方法在美国和俄罗斯发现铀矿中起到重要作用。1983年，Chaney首次提出利用某些能够超富集重金属的植物清除土壤重金属的思想，这一思想很快受到世界研究者的重视，尽管已发现的超富集植物有几百种，但较成熟的植物提取修复技术还很少报道。

“超富集植物有几百种之多，最受关注的是富集那些对环境危害较大的重金属的十几种，如镍、砷、镉、铅、锌、铜、汞等。”魏树和说，学术界目前对超富集植物的衡量标准还有些争议。周启星等人提出的四个标准是目前有关这一问题最准确的提法和学术见解。这四个标准包括：一是临界含量标准，如镉的临界含量是100毫克/千克，锌、锰超过1万毫克/千克，铅、铜等超过1000毫克/千克；二是植物地上部分的重金属含量要大于根部；三是和没有污染的植物相比，生物量（植株大小、茎叶生长状况等特征）不能明显减少；四是要考虑富集系数，就是植物体内的重金属含量一定要大于土壤中的含量，即富集系数大于1，至少当土壤中重金属含量高到足以使植物体内富集的含量大于超富集植物临界含量。

“我们一直坚持考虑富集系数这一标准。”魏树和说，“一般来讲，植物体内重金属含量随土壤中含量的增加而提高。比如，铅的超富集标准是1000毫克/千克，如果当土壤中铅含量小于1000毫克/千克时，植物地上部（主要是茎或叶）铅含量大于1000毫克/千克，那没有问题。如果土壤中是1万毫克/千克，植物才富集1000毫克/千克，富集系数就很低了，其作用就值得怀疑了。”

在长期研究中，周启星的研究团队发现，杂草是介于野生植物和作物之间，既有野生植物性状又有某些栽培性状的植物。农田杂草在生长过程中要和作物争光、争水、争肥，其生长迅速、抗逆境能力和吸收能力很强，这种较强的吸收特性可能利于杂草对重金属的富集。同时农田杂草也具有某些栽培性状，便于修复管理。因此农田杂草对植物修复来说是一类理想的植物资源。

目前筛选超富集植物主要有两种方法，一是到受某些重金属染污的地方，或某些重金属含量较高的地区去广泛采集植物，然后测定植株及相应土壤中重金属含量。“但这样会存在一个问题，采集地土壤中的重金属含量可能非常高，也可能非常低。可能遇到下面两种情况：植物富集系数虽大于1，但其临界含量却达不到超富集植物标准；或者其临界含量虽达到标准，但富集系数却很低。此外，某一植物虽是超富集植物，但还有可能因为没有分布在污染区而难以被发现。”魏树和介绍，他们利用室外盆栽、小区模拟实验和污染区采样相结合的方法缩小栽培目标，从22科65种田间杂草中筛选具有超富集特征的植物。利用这种办法，他们发现，在土壤中镉含量为25毫克/千克和50毫克/千克时，球果蔊菜茎、叶中镉含量均大于100毫克/千克，地上部分镉含量大于根部，且植物生长未受抑制，地上部分富集系数大于1，全符合重金属超富集植物的特征。

修复污染土壤急需基准研究

“因为重金属不能降解，其污染会通过食物链或其他途径进入人体。”魏树和说，“牛、羊等食草动物可能将重金属转移，很多杂草本身就是一些害虫的宿主，其虫卵寄生在杂草上，并以之为食。有了超富集植物不等于就有了植物修复技术，也不是所有超富集植物都可以用于重金属污染的修复。目前，对植物富集后的生物量的处理还没有比较妥善的解决办法。有人提出将富集重金属的生物量燃烧发电，也有人主张将其中的金属提取出来。但目前的技术手段还很难实现，而且这两种处理方法的造价都太高。一种现实的处理办法是暂时存放，可以将超富集植物烧成灰后，当做特殊垃圾深挖、填埋，或是运到铅、锌等重金属矿区的尾矿库中与尾矿渣一起贮存，等将来技术手段进步了再进行提炼。”

据介绍，目前这种利用植物富集手段来解决重金属污染的研究还处在基础研究阶段。周启星说：“植物修复是应用基础研究，也是应用研究，目前的研究成果储备已经达到大面积推广应用的程度，但问题是难以解决应用的资金投入，并缺乏政策上的支持，特别是缺乏对污染土壤修复基准和标准的研究，这方面几乎是空白。我此前也作为学术指导参与或先后主持过国家‘973’课题、‘863’项目和国家自然科学基金项目，前期的探索为现有的研究打下了很好的基础。”

周启星认为，目前急需从国家层面上开展污染土壤的修复基准研究和标准制定，尽快填补我国这些学术界和管理界的空白，才能从根本上发展植物修复的产业。