＊畢玲麗 陳瑩 米瑪 施隆敏 崔小梅

（西藏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院 西藏 850000）

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，重金屬污染成為了我國(guó)當(dāng)今面臨的重要環(huán)境問(wèn)題之一。其具有長(zhǎng)期性、累積性、難降解和生物富集等特點(diǎn)，會(huì)對(duì)土壤、水體和空氣等環(huán)境要素造成嚴(yán)重的危害，引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康問(wèn)題，因此，尋找一種有效的污染治理方法顯得尤為重要。

植物修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)有效、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其中濕地植物由于其獨(dú)特的生態(tài)適應(yīng)性和富集能力，成為了近年來(lái)備受關(guān)注的治理方法之一?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)大約721種超富集植物[1]，其中富集銅的植物包括蘆葦、菖蒲、苔草、蒿草類(lèi)等54種[2]。研究表明蘆葦、香蒲、苣荬菜、播娘蒿、垂柳等植物對(duì)銅的富集能力較好，且蘆葦是其中富集能力最好的[3]。柳葉繡線菊對(duì)土壤中銅有較強(qiáng)的富集效應(yīng)，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1[4]；其他濕地植物如香蒲和美人蕉等，也表現(xiàn)出一定的富集能力，對(duì)銅轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為2.251和0.097[5]。

目前植物對(duì)吸收機(jī)制和過(guò)程的研究還待進(jìn)一步闡明，本論文結(jié)合銅的來(lái)源、危害，對(duì)植物富集銅的機(jī)制進(jìn)行闡述，表明了選擇合適的植物對(duì)修復(fù)Cu污染的必要性，為今后探索和研究不同類(lèi)型植物的吸附提供理論支撐。

1.銅的來(lái)源與危害

（1）來(lái)源。銅的來(lái)源分為自然源和人為源。自然源即土壤母質(zhì)中含銅，人為源主要是由人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)所引起，包括礦物資源的開(kāi)采、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、養(yǎng)殖業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)。

①礦物資源的開(kāi)采。礦藏的開(kāi)采是銅污染的重要來(lái)源。銅在自然界中以化合態(tài)存在，殘?jiān)鼞B(tài)是最穩(wěn)定的，不易被植物吸收，對(duì)環(huán)境的毒害??；有機(jī)態(tài)對(duì)土壤最重要，易被植物利用[6]。在多種環(huán)境因素的作用下，銅在采礦、運(yùn)輸及冶煉的過(guò)程中，經(jīng)長(zhǎng)期的自然氧化、酸化、雨水淋溶等被釋放進(jìn)入到周邊環(huán)境，造成危害。同時(shí)，開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的金屬粉塵也是造成污染的來(lái)源之一。

②農(nóng)業(yè)活動(dòng)。農(nóng)業(yè)活動(dòng)中銅的來(lái)源與農(nóng)藥、肥料、除草劑使用以及廢水灌溉有關(guān)[7]。不合理使用農(nóng)藥導(dǎo)致銅在降雨和灌溉中隨著地表徑流或者地表水和地下水循環(huán)交換，對(duì)水資源造成污染，進(jìn)而導(dǎo)致更多的環(huán)境問(wèn)題[8]。圖1為銅在環(huán)境因子與生物圈中的相互作用。

圖1 農(nóng)業(yè)活動(dòng)中銅的遷移

③養(yǎng)殖業(yè)。養(yǎng)殖業(yè)為防病促生長(zhǎng)會(huì)向飼料中添加大量銅鋅，高銅情況下除了能導(dǎo)致豬的代謝紊亂、增強(qiáng)胃潰瘍等[9]，還會(huì)隨著牲畜的糞便排出，作為有機(jī)肥料添加到土壤中進(jìn)而造成污染。牧業(yè)消毒殺菌所使用的波爾的主要成分是硫酸銅，當(dāng)硫酸銅劑量超過(guò)125mg/kg，波爾多液將會(huì)產(chǎn)生亞慢性毒性[10]。

④工業(yè)生產(chǎn)。作為一種豐富的自然資源，Cu具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等，被廣泛應(yīng)用于電、能源石化、輕工、新興工業(yè)等領(lǐng)域。在應(yīng)用過(guò)程中，產(chǎn)生“三廢”，“三廢”通過(guò)大氣沉降、廢液滲透、固廢接觸等途徑污染環(huán)境。

總之，不同來(lái)源產(chǎn)生的銅經(jīng)母巖變質(zhì)、大氣沉降、污水灌溉、固廢填埋等途徑進(jìn)入大氣、水、土壤，發(fā)生遷移變化。

（2）危害。銅是生物體必需的微量元素，能合成生物體生長(zhǎng)發(fā)育所需的各種酶。人體中的銅主要作銅蛋白的原料，超過(guò)攝入量的銅會(huì)導(dǎo)致血紅蛋白變性，破壞細(xì)胞膜，抑制酶活性，影響正常的生理活動(dòng)。早在19世紀(jì)末，就有研究表明銅有抗生育影響[11-12]，其原理分為兩部分：一是Cu2+抑制精子中的SH酶；二是Cu2+在宮腔內(nèi)溶蝕，增加宮頸粘液和宮內(nèi)膜Cu2+濃度，對(duì)受精造成抑制作用。銅(Ⅱ）還會(huì)增加患上阿爾茨海默病的風(fēng)險(xiǎn)[13]。

銅還參與植物的新陳代謝，如光合作用的電子傳遞系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和細(xì)胞壁的合成[14]。不同含量的Cu會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)不同表現(xiàn)，高濃度銅會(huì)破壞DNA并使蛋白質(zhì)變性；含量低又無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定葉綠體中葉綠素及其他色素的作用，從而使光合作用減弱。

銅對(duì)微生物的毒害作用是通過(guò)抑制細(xì)胞呼吸來(lái)影響其指示、自?xún)糇饔?。胡蘭蘭的研究表明銅含量超過(guò)0.015mg/L時(shí)會(huì)抑制水體的微生物作用而導(dǎo)致水體的自?xún)糇饔孟陆礫15]。此外，1mg/L和2mg/L的Cu2+會(huì)抑制SOUR和ttc-脫氫酶活性而降低污泥活性[16]。

2.修復(fù)機(jī)制

濕地植物達(dá)到修復(fù)銅污染的目的是通過(guò)植物的根部作用將土壤中的銅富集于地下部分并轉(zhuǎn)移到地上部分累積，通過(guò)收割植物地上部分，達(dá)到修復(fù)目的，如圖2所示。植物對(duì)銅污染的修復(fù)效應(yīng)是通過(guò)多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，主要包括以下三方面：

圖2 植物修復(fù)銅污染技術(shù)原理圖

（1）植物穩(wěn)定技術(shù)。植物穩(wěn)定技術(shù)是一種原位降低金屬活動(dòng)性、生物有效性的技術(shù)，通過(guò)植物的吸收或者根系分泌的特殊物質(zhì)，使銅鈍化，固定在根系周?chē)?，防止其向水中土壤深層、地下水?dāng)U散。然而該技術(shù)處理的銅不會(huì)被植物所利用，隨著土壤條件的改變，仍有可能被復(fù)原[17]，重新危害環(huán)境。因此，植物穩(wěn)定技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

（2）植物提取技術(shù)。植物提取則是利用超富集植物的超量積累機(jī)制[18]。超富集植物對(duì)銅的積累量是在1000mg/kg以上，通過(guò)根部作用將銅轉(zhuǎn)移、貯存到植物地上部分，然后收割植物地上部分并集中處理。目前植物提取分為兩種，連續(xù)植物提取和螯合劑輔助的植物提取。連續(xù)植物提取主要依靠植物本身的吸收積累量，降低土壤中的銅含量；螯合劑輔助提取是通過(guò)螯合劑增加環(huán)境中銅濃度，促進(jìn)銅在植物體內(nèi)的運(yùn)輸，增強(qiáng)植物地上部分的富集能力。但是需考慮螯合劑是否會(huì)帶來(lái)新的環(huán)境污染問(wèn)題。

（3）植物根際微生物修復(fù)技術(shù)。微生物—植物—土壤形成的根際圈，能夠幫助增強(qiáng)植物的富集能力。翟海波[19]闡述了菌根真菌強(qiáng)化修復(fù)能力的機(jī)理：一是其菌絲的強(qiáng)吸附力能將銅固定在根內(nèi)或根外菌絲的細(xì)胞壁和原生質(zhì)層中，減輕危害；二是它的分泌物會(huì)改變土壤的pH、Eh、微生物的群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變銅的植物有效性，促進(jìn)根對(duì)銅的吸收。例如，球囊霉屬菌根真菌能促進(jìn)銀白楊的螯合蛋白和網(wǎng)格蛋白基因上調(diào)表達(dá)增強(qiáng)對(duì)銅的抗性[20]。

3.植物的選擇

在應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)時(shí)，關(guān)鍵在于選擇合適的植物。銅是植物所必需的微量元素，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有“低促高抑”的效果。因此需考慮多種因素，如對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力、富集系數(shù)、生長(zhǎng)周期及耐受力[21]；季節(jié)也是重要因素之一[22]。另有研究表明根系表面積和葉片生物量決定了蒸騰作用和總生物量，從而影響植物的修復(fù)效率[23]。此外，還要從美學(xué)上考慮是否具有觀賞性。植物修復(fù)銅污染具有經(jīng)濟(jì)、生態(tài)友好的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)物理、化學(xué)修復(fù)方法而言效率較低，李春林[24]對(duì)礦山開(kāi)采附近的土地進(jìn)行了植物修復(fù)，雖然銅等元素的平均濃度下降了20%以上，但植物修復(fù)周期長(zhǎng)達(dá)八個(gè)月?？傊?，在選擇植物用于銅污染修復(fù)時(shí)，需要綜合考慮，以達(dá)到最佳效果。

4.結(jié)語(yǔ)

植物修復(fù)重金屬污染是一種綠色經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的治理方法，與物理化學(xué)方法相比，在處理重金屬污染方面具有許多競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，僅依靠單一的植物修復(fù)，存在很多缺點(diǎn)。在未來(lái)的研究上，應(yīng)在其他技術(shù)和植物聯(lián)合修復(fù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展，深入研究聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)植物修復(fù)的研究工作：

（1）選擇理想的植物。理想的修復(fù)植物包括兩類(lèi)：一類(lèi)選擇具有生物量大、品質(zhì)好、根系旺盛、目標(biāo)污染物積累多、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)的植物；另一類(lèi)篩選更高效的Cu超積累植物。在未來(lái)研究方向上，可以將重點(diǎn)放在細(xì)胞及分子水平上，通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段培育高效富集植物。

（2）植物聯(lián)合修復(fù)方法。單一的植物修復(fù)方法受生長(zhǎng)周期、富集系數(shù)、地理?xiàng)l件等的限制，采用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)能夠避免單一修復(fù)的局限性，提高修復(fù)效率。在今后的研究上，可以探索多種方法的共同修復(fù)，展開(kāi)對(duì)化學(xué)藥劑—微生物—植物—電動(dòng)[25]—材料聯(lián)合的創(chuàng)新研究。

（3）植物處理。為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與發(fā)展經(jīng)濟(jì)有機(jī)統(tǒng)一[26]，要將植物處理與生物能源生產(chǎn)相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)植物修復(fù)Cu污染這一過(guò)程的可持續(xù)發(fā)展，以及該方法在經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)發(fā)展。