植物对重金属（Cd，Cu，Pb，Zn）富集的研究进展
摘要：我国矿产资源丰富，矿区重金属污染十分严重，Pb、Zn、Cu、Cd 四种重金属的污染在我国极其严重。利用超富集植物修复矿区重金属污染土壤，较传统方法而言是一种可靠经济安全的技术。综述了Pb、Zn、Cu、Cd 四种重金属超富集植物，分析了可用于的我国重金属富集植物的分布情况和生活环境，为土壤重金属污染的生态恢复提供参考。 关键词：矿区； 重金属污染； 超富集植物
Abstract：Heavy metal pollution especially Pb， Zn， Cu and Cd is very serious in mine area. Technical use ofhyperaccumulators to restore the contaminated mine soil is feasible and reliable compared with traditional methods. Four kindsof heavy metal hyperaccumulators were reviewed，with analysis of their distributions and habitat，which will offer referencefor remediation of heavy metal polluted soil.
Key words：mine area；heavy metal pollution；hyperaccumulators
1 重金属超富集植物涵义
土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，并通过接触、食物链等途径直接或间接危害人类健康。据估算，中国每年因重金属污染的粮食达1200 万吨，造成的直接经济损失超过200 亿元。据环保总局不完全调查，目前中国受污染的耕地约1×107hm2，污水灌溉污染耕地216.7×104hm2，固体废弃物堆存占地和毁田13.3×104hm2，合计约占耕地总面积的1/10 以上。常规的，污染土壤修复方法，如淋洗法、热处理、固化、动电修复法等，不仅成本高、效率低，需要特殊仪器和经过培训的专业人员，而且还会破坏土壤结构及微生物区系，还可能导致“二次污染”等，难以大面积应用，而客土换土法并不能从根本上解决重金属污染问题。利用超富集植物修复重金属污染土壤具有投资少、不破坏土壤结构、不引起二次污染等优点，已成为一种可靠而相对安全的环境友好的修复技术，因而引起人们关注。Pb、Zn、Cu、Cd 等几种重金属的污染在我国极其严重，本文旨在通过对这四种重金属的超富集植物的分析，为土壤重金属污染的生态恢复提供参考。 1.1超富集植物
1977 年，Brooks 提出了超富集植物的概念，认为植物组织干重中含Ni 超过1000mg/kg，则该种植物就是Ni 的超富集植物。1983 年，Chaney 提出了利用超富集植物修复重金属污染土壤的思想，指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理（如灰化回收）后可将重金属移出土体，达到治理污染与恢复生态的目的。1989 年Bkaer重新定义了超积累植物：植物能富集>l000mg/kg 的Cu、Co、Ni、Pb，或是>l0000mg/kg 的Mn 或Zn，且地上部分重金属含量大于底下部分的本地植物就称为超积累植物（hyperaccmulator）。从上述的超富集植物的定义可知，对超富集植
物的定义主要考虑了两个因素，即植物体内的生物富集系数和转运系数。我国学者聂发辉2005 年在提出了新的评价系数———生物富集量系数，即给定生长期内单位面积地上部分植物吸收的重金属总量与土壤含量之比。此系数的提出扩大了传统超富集植物的定义，使得富集质量分数未达某一水平，但生物量很大的植物也能作为超富集植物。到目前为止世界上已发现的超富集植物有500多种，而最重要的超积累植物主要集中在十字花科，世界上研究最多的植物主要在芸苔属（Brassica）、庭芥属（Alyssums）及遏蓝菜属（Thlaspi），这些超积累植物大多是在气候温和的欧洲、美国、新西兰及澳大利亚的污染地区发现的
2 超富集植物的概述
2.1 超富集植物的定义及特性
由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集质量分数界限也有所不同。目前采用较多的是Baker和Brooks提出的参考值，即把植物叶片或地上部中Cd达到100 μg/g，含Co，Cu，Pb，Ni，达到1000 μg/g，Mn，Zn达到10000 μg/g以上的植物称为超富集植物[1]。
超富集植物一般具备6个特性:（l)超富集植物在重金属含量高的土壤以及在重金属含量低的非污染或弱污染土壤上，都具有很强的吸收富集能力；（2)能将所吸收的重金属元素大量迁移至地上部；（3)可收割的地上部能忍耐和积累高含量的污染物；（4)植物在野外条件下生长速度快，生长周期短，生物产量高；（5)植物对农艺调控反应积极，如施N，P，K肥能使植物生长量增长好几倍，可以反复种植，多次收割；（6)具有发达的根系组织，抗虫抗病能力强。 2.2 超富集植物的分布
超富集植物是一些古老的物种，是在长期环境胁迫下诱导，驯化的一种适应性突变体，多为野生型稀有植物。这些植物是一些地方性的物种，其区域分布与土壤中某些重金属含量呈明显的相关性，这些植物作为指示植物在矿藏勘探中发挥了一定的作用。
根据野外采集样本分析，全世界现已发现Cd，Co，Cu，Pb，Ni，Se，Mn和Zn超富集植物400余种，这些植物涵盖了20多个科，其中十字花科植物较多。世界上研究得最多的超富集植物主要在芸苔属渭招，庭芥属及遏蓝菜属。这些超富集植物大多是在气候温和的欧洲，美国，新西兰及澳大利亚的污染地区发现的。
超富集植物在自然状态下的分布是很有限的，并且还表现出受污染的特殊性，目前还没有发现哪一种植物具有广谱的重金属超富集特性；同时，对不同重金属有超富集作用的植物种的分布也是很不均匀。已发现的超富集植物中，73%为Ni超富集植物，达227种；Cu和Co的超富集植物有约50种，Cu的约24种，Co的约26种，其中有9种对Cu和Co都有超富集能力。Ni的超富集植物主要分布于津巴布韦，新喀里多尼亚，古巴，西澳大利亚，南欧，美国西部，亚洲的马来群岛；Cu和Co的超富集植物多产于非洲扎伊尔沙坝铜矿带。
我国有广襄的国土，丰富的植物资源，复杂多样的地理地质构造，有可能蕴藏着大量超富集植物，为我国开展研究提供了良好的条件。但从总体来看，我国对超富集植物种类研究少，有关重金属超富集体的报道也很少，目前我国仅报导了12种金属和重金属的超富集植物。
3 影响重金属离子富集的因素
3.1 pH值对重金属富集的影响
酸碱度对植物的生长及其对重金属元素的吸附均有很大的影响。一般情况下， pH值降低，土壤溶液电导值增大，离子强度增强，植物从土壤中吸收重金属的能力就会增强。此特性同样适用于水体中。水体中pH值降低，导致碳酸盐和强氧化物的溶解，H+离子的竞争作用增加了重金属离子的解吸量。在一般情况下，沉积物中重金属的释放量随着反应体系pH值的升高而降低。其原因既有H+离子的竞争吸附作用，也有金属在低pH值条件下致使金属难溶盐类以及配合物的
溶解等。因此，在受纳酸性废水排放的水体中，水中金属的浓度往往很高。李英敏[2]等在2002年的一篇文章中提到，将一定量的Pb2+溶液分别加入到pH值不同的藻液中，在不杀死藻细胞的pH值(5～10)范围内进行培养吸附，结果显示Pb2+的去除率也受到pH值的影响，只是不是很大。在正常的土壤Eh和pH值范围内，汞能以零价状态存在[3]，易于植物对汞的富集。可见，在研究植物对重金属的富集能力时， pH值是不容忽视的一个重要影响因素。 3.2 温度对重金属富集的影响
温度是主要的生态因子，它直接影响植物对重金属的富集能力。根据有关研究[4]，几种常见的富集等温线表明，植物对重金属的富集量总是随着温度的升高而呈上升趋势，直到达到一定的温度后其不随温度的变化而变化。温度升高，增大了分子的移动速率以及植物自身酶的活性，加快了体系中分子离子的扩散。同时,适宜的光照和温度也会影响藻细胞的活性，增加植物对重金属的富集量。李秋华等[5]在2007年的研究中得到，温度和光照是藻类生物富集过程中可调节的两个因素。温度在25~38℃之间时，富集量会随着温度的升高而有所增加，但在38℃以上富集量又有所减少。李志勇等[6]于1999年的研究报告中提到，温度升高可较显著地提高Cr3+的富集量，从而证明该生物富集过程为吸热过程。 3.3 氮磷对重金属富集的影响
施肥是提高植物对重金属污染土壤修复效率的强化措施之一。刘秀春[7]等提到,含有不同形态的N、P、K有机物对土壤理化性质和根际环境具有明显的影响。土壤中含氮有机物量升高，首先改变了土壤的pH值，一般情况下pH值降低，土壤溶液电导值增大，离子强度增强,植物从土壤中吸收重金属的能力就会增强。因此,如果含氮有机物使土壤变酸，就会增大土壤中重金属的溶解度，减少土壤吸附重金属的量,提高超富集植物对重金属的富集量。从根际环境看,当植物吸收NH和NO,根系分泌不同的离子,吸收NH-N时引起H+的分泌，造成根际周围酸化；而吸收NO2-植物分泌-OH,造成根际碱化。一般情况下,增加含氮有机物的量能增加土壤中重金属的植物活性，有利于超富集植物对土壤中重金属的吸收。含磷有机物在这一方面既促进植