植物修复技术治理土壤重金属污染的机制研究进展及其应用前景

黑 亮

(水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611)

重金属元素广泛分布于岩石、土壤、动植物组织中，通常情况下它们在正常活体组织中的浓度很低，并且能维持在一定的浓度范围内。随着世界工矿业的迅速发展，由于含重金属废水用来灌溉农田、全球城市化进程发展以及急剧增加的交通工具的释放等因素，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr等重金属进入周围的土壤环境［1－3］。当土壤中重金属一旦积累到一定程度，引起污染时，将直接影响土壤中生物体的重金属离子含量而间接影响土壤生态系统的平衡，进而通过食物链的传递危害人体健康。

目前，通过大量的生物毒性试验，推测重金属使生物中毒的分子机制可能是由重金属与生物大分子相互作用而造成的。金属离子可替换生物大分子活性点位上原有的金属，也可结合在该分子的其他位置［4］。重金属可以通过生物体内氧化还原反应，产生自由基而导致细胞的氧化损伤;另外，重金属还可以与活性蛋白的巯基或酶的活性中心结合，致使酶活性丧失，干扰细胞正常生理和代谢［5］。

重金属污染土壤的生物修复技术利用生物体本身形成的适应环境机制。植物修复技术是以植物体内可超量累积某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一门近年兴起的高效、廉价绿色技术。目前，这种应用技术在国内外取得长足的进步［6－7］。然而，由于该项技术的起步时间不长，还需在基础理论和修复机理等方面进行大量研究，才能更好地推动植物修复技术的发展，因此研究植物修复重金属污染机制显得更加重要。

1 利用植物修复技术治理重金属污染土壤的机制

可修复重金属污染土壤的植物根系可以活化土壤重金属，并对重金属有很强的吸收能力。其次，植物吸收的重金属易于向地上部转运。另外，重金属可以在地上部分积累［8－9］。Baker［10］认为，植物对重金属抗性的获得可通过避性和耐性2种途径。这2种途径并不排斥，往往能统一作用于一种植物上;耐性又具备2条基本途径，即金属排斥性和金属积累。耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制，体内虽具有较高浓度的重金属，却能生存于高含量的重金属环境中而不受伤害。因此，可通过研究植物的耐性机理来揭示植物修复的本质。目前，重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物稳定(Phytostabilization)、植物挥发(Phytovolatilization)、植物提取(Phytoextraction)3 种类型［11］。

1.1 植物稳定 植物稳定是利用耐重金属植物降低土壤中有毒金属的移动性，减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性［12－13］。研究表明，印度芥菜(B.juncea)的根能使有毒的生物有效的Cr6+还原为低毒的、无生物有效性的Cr3+［12］;一些植物可以降低土壤中Pb的生物有效性，缓解Pb对环境中生物的毒害作用［14－15］。植物还可通过根部分泌质子酸化土壤来溶解金属，低pH可以使与土壤结合的金属离子进入土壤溶液，改变污染物的化学形态。在此过程中，根际微生物也可能发挥作用，以微生物为媒介的腐殖化作用可能会提高金属的植物可利用性［16］。

1.2 植物挥发 植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发而减少土壤中一些挥发性污染物，将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质，释放到大气中［17］。汞(Hg)在环境中以多种状态存在，其中以甲基汞对环境危害最大，且易被植物吸收。一些耐Hg毒的细菌体内含有一种Hg还原酶，催化甲基汞和离子态Hg转化为毒性小得多、可挥发的单质Hg。有研究已成功地将细菌的Hg还原酶基因转导入拟南芥(Arabidopsis thaliana)中，获得的转基因植物的耐Hg毒能力大大提高，而且能将从土壤中吸收的Hg还原为挥发性的单质Hg［18］。

1.3 植物提取 植物提取(Phytoextraction)是指利用重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金属，并且将其转移、贮存到地上部分，随后收割地上部分，并且集中处理，连续种植这种植物，即可使得土壤中重金属含量降低到可接受水平［19－20］。属于这类研究最多的是超积累植物。超积累植物是指对重金属元素的吸收量超过一般植物100倍以上的植物。超积累植物积累的 Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量一般在0.1%以上，积累的Mn、Zn含量一般在1%以上［21］。超积累植物修复机理研究主要是因为重金属与植物体内部物质的络合作用。小分子有机物质、金属螯合蛋白都能螯合重金属，其中金属螯合蛋白对重金属的螯合能力远大于GSH和柠檬酸盐［22］。近几年，对金属螯合蛋白的研究有很大发展。1.3.1 金属硫蛋白(MTs)。在动物、高等植物、真核微生物和一些原核生物中发现的重金属结合肽(如 Metallothioneins，MTs)，是一类低分子质量富含半胱氨酸(Cys)、但不含芳香族氨基酸和组氨酸的蛋白质［23］。重金属结合肽的巯基对重金属的亲和力大，对 Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Ag 阳离子等多种重金属都有螯合作用。在低pH下MTs可脱掉金属，使得50%的金属离子发生解离的pH分别为Zn－MT，pH 3．5～4．5;Cd－MT，pH 2．5～3．5;Cu－MT 的pH 低于1。金属硫蛋白分子中有很强的抗热性和抵抗蛋白酶消化的能力［21］，其三级结构有α、β 2个结构域，α结构域优先结合Cd2+和Hg2+，β 结构域优先结合 Cu2+［25］。有研究表明，将小鼠 αα突变体的基因转入烟草中，αα基因可在烟草中表达，提高烟草对Cd2+的耐性［26］。在动物体内，已经分离出MTs的2个α、β 结构域［27－28］。

1.3.2 植物螯合肽(PCs)。植物体内另一种重要的金属结合蛋白是1985年Grill等分离、纯化得到镉结合肽PCs，正式命名为植物螯合肽(Phytochelatin，即PC)，广泛存在于许多单子叶植物、双子叶植物、裸子植物，在藻类植物中也发现有PCs的存在［29－30］。Grill等［29］研究表明，PC 由 Glu、Cys、Gly 3种氨基酸组成，一般化学式为(γ－Glu－Cys)n－Gly(n=2～11)。同源PC［27］是指某些植物与重金属接触，可产生一系列与PC结构相似又不同的化合物。PC种类依物种和诱导的重金属种类的不同而不同。研究表明，PCs在体外可通过巯基与大量金属离子结合后分离出Cd、Cu、Ag的金属络合物。PC与Cd络合物分子大小不同，有低分子量(LMW)和高分子量(HMW)复合物2类，在植物体行使不同的功能。LMW复合物在HMT1(Heavy metal tolerance 1)作用下从细胞质向液泡中转运，是Cd2+转运形式;HMW复合物在液泡中比较稳定，比LMW复合物对Cd2+的结合能力大，是Cd2+在液泡中积累的主要形式。Kneer等［31］运用109Cd示踪技术研究发现，一系列对金属敏感的酶如硝酸还原酶、脲酶、过氧化物酶等对PC－Cd的耐性是自由Cd2+离子的10～1 000倍。因此，植物体内PC与Cd2+的络合保护了酶的活性，从而保证细胞正常代谢的顺利进行。植物螯合肽络合金属离子时将过量的金属离子贮存于液泡中，并且将金属离子转运至新的合成酶［32］。

2 与重金属抗性相关的基因

2.1 金属硫蛋白(MTs)基因

2.1.1 生物合成。MTs是直接由基因编码合成的。选取基因组最简单的植物拟南芥，可按照MT基因序列相似性和与其他植物中MT基因的相关性分为4个种类。几种MT都包括2 种基因类型(MT3 除外)，即 MT1a、MT1c、MT2a、MT2b、MT3、MT4a、MT4b［33］。玉米中具有 MT1 和 MT4 的编码基因。重金属处理MT基因时即可表达，先转录成RNA，然后由RNA翻译成特定的蛋白质执行一定的解毒功能。研究表明，当用Cu2+处理拟南芥幼苗时，MT2aRNA增加，这种诱导机制已由其他MT基因证明。对一些突变体的研究也间接表明MT基因可编码MTs蛋白。

2.1.2 环境调控。在一定的环境条件下，金属离子可诱导MT基因的表达。在逆境条件下，如热激、缺铁、铝胁迫、病毒侵染和机械伤害等，都可诱导RNA表达。激素(包括糖皮脂激素、脂高血糖素和肾上腺素等)可诱导金属硫蛋白的合成［34］。还有一些MTRNAs表达在胚胎发育期，果实成熟期或叶片衰老期有所增加。

2.2 植物螯合肽(PCs)基因

2.2.1 生物合成。大量的生理、生化和基因试验证明，PCs可能是以GSH为底物生物合成的产物。当向细胞培养液中加入金属离子，PC的合成与GSH的减少相一致;向完整植株或细胞培养液中加入GSH合成抑制剂BSO(Buthioninesulfoximine)，它对Cd的敏感性增加和PC生物合成受抑制相吻合。对加入BSO的细胞培养液再添加GSH，可以增加PCs的合成和细胞耐Cd性。这表明PCs由GSH合成［33］。

2.2.2 离子调控。由于酶的活性可被金属离子诱导，PCs的生物合成能被金属离子激活。当在植物组织培养液中加入微量重金属元素时，可以诱导产生少量PCs，其中Cd2+对PCs的影响最大。有研究人员用细胞培养试验来研究金属对PC 合成的诱导能力，发现 Cd2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Sn2+、Sb3+、Te4+、W6+、Au+、Hg2+、Pb2+、Bi3+和 Se 阴离子均可诱导PCs合成。当激活剂金属离子浓度下降如金属离子被生成的PCs或外加的金属螯合剂(如EDTA)螯合时，PCs合成就会停止。这可能为PCs生物合成提供自我调控机制。

3 结语

目前，我国对超积累植物的研究尚处于起步阶段，亟需对全国超积累植物资源进行调查、收集和筛选，了解超积累植物在我国的分布，建立超积累植物的资源数据库。在建立植物资源库的基础上，对重金属污染土壤实施综合生物治理措施，以此为目标进行多学科的交叉综合，引入先进的分析仪器和技术手段深入开展超积累植物吸收重金属的机制研究。

从长远来看，植物修复的机理研究可为推动修复技术走向实用化奠定一定的理论基础。利用新的更好的抵抗重金属或降解有机毒物的基因鉴定和克隆植物品种，并且通过转基因技术创造一批新的植物品种来带动植物修复技术的巨大进步。例如，可利用转基因技术，大量、迅速培育富集重金属的高生物量的净化环境的植物以及生产可排拒重金属吸收的粮食、蔬菜和水果等作物。将植物耐重金属的机理研究用于筛选重金属超积累植物，具有重要意义。

植物修复技术是土壤重金属治理的一种经济有效、去污净化的绿色方案。通过植物修复技术，一方面可以回收金属而保存具有潜在的经济价值，另一方面可以使土壤保持结构和微生物的活性。这是一种高效经济、环保廉价、颇具吸引力的原位修复技术。我国作为发展中的农业大国，土壤重金属污染现状不容乐观［35］。这种通过绿色植物富集环境中的有害物质并经生物转化而解毒的技术毋庸置疑将成为我国生态环境、植物生物学等相关学科的新的研究前沿。

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