楊 倩，王方園，申艷冰

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華321000)

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，人為活動干預(yù)的加強(qiáng)導(dǎo)致湖泊、河流、土壤和地下水中有毒有害污染物日益增多，在諸多污染元素中砷、汞的危害尤為嚴(yán)重，不僅劇毒還難降解，易移動，毒性持久，而且比其他重金屬更容易在植物中積累[1]，當(dāng)在植物中積累到一定程度，就可以通過干擾細(xì)胞正常的代謝途徑及物質(zhì)在細(xì)胞中的運(yùn)輸過程，致使植物生理功能紊亂，營養(yǎng)失調(diào)，抑制其生長發(fā)育，并通過食物鏈威脅人類健康。目前，已有很多有關(guān)植物受砷、汞危害和對砷、汞富集的研究，主要包括對植物的光合作用、抗氧化酶活性、細(xì)胞膜透性以及篩選砷汞超富集植物等方面研究。本文綜述了砷、汞對植物的生長發(fā)育毒性影響及植物在生態(tài)修復(fù)中的運(yùn)用研究進(jìn)展，不僅為科學(xué)評估砷汞脅迫下植物生長狀況提供理論依據(jù)，而且對整治修復(fù)砷、汞污染的土壤及水體有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 砷、汞污染的來源及現(xiàn)狀

1.1 砷和汞的污染來源

環(huán)境中的砷汞污染主要是由人類活動引起的。工業(yè)生產(chǎn)及汽車排放的大量含砷、汞有害氣體、粉塵等通過自然沉降和雨水沉降的途徑進(jìn)入土壤或水體；含砷汞的農(nóng)藥、化肥、殺蟲劑、除草劑等被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中；污灌也會導(dǎo)致農(nóng)田中砷、汞等有害物質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，且有逐年加重的趨勢；以采礦、選礦、冶煉為主的工礦企業(yè)所產(chǎn)生的大量酸性廢水(AMD)及尾礦被水沖刷淋濾、風(fēng)化而流失的大量砷、汞會造成礦區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境污染尤為突出[2]；未經(jīng)處理的生活垃圾被運(yùn)到郊區(qū)農(nóng)業(yè)用地堆放或填埋，垃圾滲漏液中砷、汞對環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)比達(dá)到37%[3]。

1.2 砷和汞的污染現(xiàn)狀

有報(bào)道顯示，全球每年因人類活動排入水環(huán)境中的砷量約為 1.2×109kg，向土壤中輸入的砷總量達(dá)0.94×108kg[4-5]。地方性砷中毒現(xiàn)象已成為了全球亟待解決的棘手問題，在孟加拉三角洲地區(qū)，大量的飲用水及土壤受到了砷污染，成人和兒童每天從稻谷和蔬菜中攝取的無機(jī)砷(IAS)均超標(biāo)[6]。中國也是受砷中毒最為嚴(yán)重的國家之一，包括內(nèi)蒙、新疆、陜西、湖南、云南、貴州等省份受到砷污染的影響均比較嚴(yán)重。我國湖泊水質(zhì)為Ⅳ類及劣于Ⅳ類的比例為5.5%，水庫比例為1.6%，污染已較為嚴(yán)峻。雖然經(jīng)過多年治理，一些湖泊砷污染得到了有效控制，但砷不易被微生物降解或分解，進(jìn)入水體后基本都沉積在底泥中[7]。朱曉龍等[8]發(fā)現(xiàn)根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)，稻田土壤砷超標(biāo)率為80%，菜園土壤超標(biāo)率為94%。

汞污染現(xiàn)象在我國的貴州、吉林、陜西、湖北，遼寧和重慶等地尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的汞排放約占世界汞排放量的25%。臺灣的大部分河流、灌溉渠、水庫和濕地地表水和表層沉積物中汞和甲基汞含量均超標(biāo)[9]。萬山汞礦區(qū)重污染區(qū)地表水總汞含量可達(dá)4 462 ng/L，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)厮w汞含量背景值為15.3～33.0 ng/L，此外礦區(qū)周邊土壤總汞含量高達(dá)222 mg/kg，遠(yuǎn)超國家土壤二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5 mg/kg[10-11]。畢華等[12]研究發(fā)現(xiàn)廣州市農(nóng)村菜地均存在不同程度的重金屬污染，其中汞達(dá)到重度污染程度。

2 砷、汞對植物的毒性影響

一般而言，砷、汞是植物生長發(fā)育的非必需元素，植物對砷汞毒害的反應(yīng)因品種、生長條件和砷汞暴露時間的不同而不同。砷、汞脅迫對植物的生長作用通常表現(xiàn)為“低促高抑”，當(dāng)砷和汞濃度累積到一定值時，會直接影響植物的細(xì)胞膜透性，抑制植物對水分和養(yǎng)分的吸收運(yùn)輸，降低蒸騰作用和光合呼吸作用，干擾植物體內(nèi)的酶促反應(yīng)，使植物體內(nèi)的代謝過程發(fā)生紊亂，導(dǎo)致植物的植株矮小、葉片壞死和枯萎、葉面積明顯減少、生物量降低甚至死亡。

2.1 砷和汞對植物的生長發(fā)育影響

由于根是與土壤或水體直接接觸，且對砷、汞毒害最為敏感的部位，所以砷、汞對植物根部生長的抑制作用強(qiáng)于對芽、莖生長的抑制作用，根部高濃度的砷汞會影響主根的長度及直徑、側(cè)根的發(fā)生時間及數(shù)目等，根系特征的改變影響根系吸收水和養(yǎng)分的效率，致使地上部同樣出現(xiàn)葉黃和植株矮小等重金屬中毒癥狀[13]。西瓜和哈密瓜[14]、桔梗[15]等種子萌發(fā)生長的研究均表明低濃度砷、汞脅迫下的種子萌發(fā)效率較好，但隨著砷、汞濃度的加大，種子萌發(fā)效率不同程度地受到抑制，直至完全阻止萌芽。任偉等[16]認(rèn)為砷、汞脅迫不僅會對植物生長有毒害作用，還可以加快植物個體的生育進(jìn)程，減短了營養(yǎng)生長和生殖生長時期，從而加快了植物的成熟。Aurélie等[17]研究發(fā)現(xiàn)亞砷酸鈉作為殺真菌劑用于治療葡萄干病時，會使植物整體生長下降，如綠芽的數(shù)量變少，長度和直徑降低，特別是在漿果成熟時，顯著影響植物的生長。

2.2 砷、汞對植物光合作用的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要細(xì)胞器，砷汞會損傷其超微結(jié)構(gòu)，郝玉波等[18]研究發(fā)現(xiàn)高濃度砷會破壞葉肉細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)，細(xì)胞內(nèi)脂類小滴增多增大，葉綠體膜系統(tǒng)被破壞。許響等[19]研究發(fā)現(xiàn)汞使葉肉細(xì)胞中細(xì)胞核核仁分散，核膜破損，葉綠體膨脹至解體，線粒體變形，嵴突膨脹、減少。目前，砷汞對植物光合色素的影響大多涉及到對葉綠素的影響，而對類胡蘿卜素的影響報(bào)道較少。砷、汞能取代葉綠素分子中的鎂離子并干擾有關(guān)葉綠素合成酶的活性，使葉綠素合成受阻，同時增加了葉綠素分解酶的活性，使葉綠素分解[20]。有研究表明[21-22]，隨著砷汞濃度的增加，植物的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)呈持續(xù)下降，蒸騰速率下降可能是砷和汞脅迫阻礙了根部系統(tǒng)對水分的吸收和運(yùn)輸，導(dǎo)致植物缺水出現(xiàn)發(fā)蔫癥狀。

2.3 砷、汞對植物的抗氧化損傷

2.4 緩解砷、汞污染對植物毒害的措施

為了改善砷、汞對植物生長和生化指標(biāo)的毒害影響，我們可以使用新一代植物激素(如蕓苔素內(nèi)酯)來作為防治砷汞中毒的農(nóng)藝措施[25]。適當(dāng)施用絡(luò)合型含鐵材料、氮、鋅、硒等物質(zhì)，均可降低植物對砷汞的吸收和毒性，而且還可以增加植物中鐵，鋅和硒等營養(yǎng)元素的含量[26-27]。此外，還可以在土壤中添加幾種無機(jī)(石灰和硅)和有機(jī)(堆肥和生物炭)改良劑[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，接種棘孢木霉菌可以有效緩解砷對小油菜生長的脅迫[29]。添加適宜濃度的褪黑素可提高植物抗氧化系統(tǒng)酶活性，降低膜脂過氧化，提高植物抵抗砷脅迫的能力[30]。超富集植物與農(nóng)作物套作模式改變植物根系形態(tài)，促進(jìn)植物根系有機(jī)酸的分泌，并顯著降低了植物根際土壤中砷汞的生物有效性，緩解了砷汞脅迫帶來的活性氧損傷[31]。富氫水(HRW)能緩解汞對植物的氧化脅迫、根部生長的抑制以及汞的積累[32]。不過要想得出最佳的解決方法，還需要進(jìn)行長期的實(shí)地試驗(yàn)，包括各種管理策略的風(fēng)險和效益分析。

3 砷汞污染植物修復(fù)進(jìn)展

3.1 植物對砷、汞的富集遷移與分布規(guī)律

由于受到植物基因型、生長特性、生長環(huán)境的影響，不同植物或同種植物的不同品種對砷、汞的富集能力存在很大差異。各種蔬菜的重金屬富集能力為：葉菜類>根莖類>球莖類>果菜類[33]。李富榮等[34]研究發(fā)現(xiàn)番茄對砷的富集能力明顯強(qiáng)于辣椒和茄子。不同品種雙孢蘑菇對重金屬砷、汞的富集特性及抵抗性有顯著差異[35]。張騫等[36]研究發(fā)現(xiàn)各品種生菜砷吸收能力的大小排列順序?yàn)槟统檗飞拴兙G蘿﹥美國大速生﹥羅沙綠﹥紫羅馬。大量研究表明，大部分植物中吸收的汞砷含量與其所生長土壤中的含量呈線性正相關(guān)[37]。沉水植物的富集能力要優(yōu)于浮水植物和挺水植物，根系發(fā)達(dá)植物的富集能力優(yōu)于根系不發(fā)達(dá)的植物。何海成等[38]研究發(fā)現(xiàn)不同水生植物對生活污水中砷的富集能力：菖蒲>千屈菜>水生黃鳶尾>美人蕉。

由于外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有異，吸收重金屬元素的生理生化機(jī)制不同，植物的不同部位對砷汞的累積量差異顯著。玉米植株對汞的富集大于砷，砷、汞在玉米植株中分布規(guī)律為根>秸稈>玉米棒>玉米粒[39]。茭白和菱角對水體中砷和汞的富集系數(shù)遠(yuǎn)大于對土壤的富集系數(shù)，且對汞的富集能力都大于砷；茭白莖的富集能力大于葉；菱角根的富集能力大于葉(桿)[40]。黑麥草不同部位砷分配規(guī)律為根系>老葉>莖>功能葉>幼葉，且多年生黑麥草對砷的吸收能力優(yōu)于一年生黑麥草[41]。汞在完熟期的水稻植株中分布狀況為：根>籽粒>莖>葉>穗殼；甲基汞的分布為：籽粒>根>莖>葉>穗殼，且甲基汞比汞更容易在水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)移[42]。大量研究已表明，植物不同部位砷汞含量大小大體為：根>莖>葉>子粒、果實(shí)，即呈現(xiàn)自下而上的遞減規(guī)律。

3.2 植物在砷汞污染修復(fù)中的運(yùn)用

植物對砷、汞有很強(qiáng)的富集作用，能有效地修復(fù)砷、汞污染的環(huán)境。田間大規(guī)模水培蕨類植物蜈蚣草可以修復(fù)砷污染地下水。施沁璇等[43]認(rèn)為黑藻可作為養(yǎng)殖期間池塘砷汞復(fù)合污染底泥生態(tài)修復(fù)的先鋒植物，而菹草適宜于秋冬空閑期間砷汞污染底泥的修復(fù)。還有類似研究發(fā)現(xiàn)，剛毛藻可以在極端的砷條件下生存，對含砷廢水具有良好的修復(fù)作用[44]。挺水植物香蒲、菖蒲、黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜可作為砷、汞復(fù)合污染水體潛力凈水植物[45]。蜈蚣草、苣荬菜和野艾蒿可視為汞污染土壤植物修復(fù)的先鋒植物[46]。黃菖蒲、花葉蘆竹和千屈菜可作為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖條件下生態(tài)浮床的潛力凈水植物[47]。在砷污染土壤復(fù)合施加亞氨基二琥珀酸和草酸(IDS-MA)或三聚磷酸鈉和檸檬酸(ST-CA)等綠色螯合劑，可以提高植物萃取砷的效率[48-49]，使其植物修復(fù)效果達(dá)到更佳。添加了EDTA、DTPA、Na2S2O3和(NH4)2S2O3四種外加化學(xué)促進(jìn)劑有利于植物對汞的吸收，其中Na2S2O3是最有利于植物修復(fù)的[50]。

4 結(jié)語與展望

水體和土壤中砷和汞等污染物超標(biāo)，會對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或生態(tài)環(huán)境存在很大風(fēng)險，這引起了國家和地方的高度重視，已制定發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)以加強(qiáng)水體和土壤環(huán)境監(jiān)測及農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測。植物修復(fù)技術(shù)作為重金屬污染治理方面的新興綠色技術(shù)，成本較傳統(tǒng)工程修復(fù)技術(shù)低，并且可以在原位將重金屬降解和消除，具有巨大的應(yīng)用空間和市場潛力，值得大力推廣和應(yīng)用。

近年來，在了解植物對砷、汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)制方面取得了重要的科學(xué)進(jìn)展，但對砷、汞超積累植物的分子基礎(chǔ)知之甚少。因此，未來的研究應(yīng)該集中在以下幾點(diǎn)：(1)通過鑒定植物超富集特性所必需的基因，對植物耐污染和累積的分子機(jī)制進(jìn)行更多的研究，盡可能增強(qiáng)植物對砷、汞的抗性和吸收。(2)植物修復(fù)技術(shù)的研究大多在實(shí)驗(yàn)室和溫室進(jìn)行，而現(xiàn)實(shí)條件往往比實(shí)驗(yàn)室更復(fù)雜，因此，如何將植物修復(fù)技術(shù)推廣到實(shí)際工程中還需要進(jìn)一步的研究。(3)在一定程度上，富集植物的安全有效處置限制了植物修復(fù)技術(shù)在工程上與商業(yè)上的應(yīng)用，目前關(guān)于其處理技術(shù)研究較少，后續(xù)應(yīng)更加系統(tǒng)、深入地開發(fā)富集植物的處理處置技術(shù)，做到資源化、安全化、合理化使用。