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本文作者：徐笑作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

銅礦區(qū)土壤由于含銅量較高，使大部分植物無法生存，造成植被破壞、土地裸露、水土流失等嚴(yán)重生態(tài)問題，還可能污染地下水和農(nóng)作物，從而嚴(yán)重威脅人類健康。但生長(zhǎng)在多數(shù)礦區(qū)的海州香薷種群不僅耐受這種惡劣生長(zhǎng)條件，而且適當(dāng)?shù)挠行с~濃度對(duì)海州香薷生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，使其光合能力增強(qiáng)，有機(jī)物質(zhì)積累增多，地上地下部分都有一定的銅積累。作為銅礦地區(qū)的指示物以及吸附改善銅污染土壤優(yōu)勢(shì)植物之一的海州香薷，對(duì)銅、鋅、鉛復(fù)合污染土壤有較強(qiáng)的耐性，生物量較大，生長(zhǎng)速度快，能夠在嚴(yán)重重金屬污染土壤中完成包括營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)在內(nèi)的整個(gè)生命史，為彌補(bǔ)物理、化學(xué)方法處理土壤中重金屬易引起二次污染的瑕疵。利用海州香薷等植物修復(fù)土壤技術(shù)顯現(xiàn)出越來越高的研究?jī)r(jià)值。海州香薷屬唇形科，多年生草本，高30～40cm，莖直立，通常呈棕紅色，生于山野，分布于遼寧、山東、河北等地，素有“銅草”之稱，有它的地方就有銅礦。海州香薷通過植物萃取作用降低了表層土壤中銅、鋅、鉛的濃度，從而為其他植物提供了相對(duì)適宜的生存環(huán)境，但這種利用植被自然修復(fù)和演替的過程十分緩慢，需要通過人為干預(yù)來提高恢復(fù)效率。因此，提高植物含銅量是成功修復(fù)銅污染土壤的關(guān)鍵因素之一，輔助植物修復(fù)作用和有效解決處理后的植物將關(guān)系到植物修復(fù)技術(shù)能否應(yīng)用到實(shí)際中。

1影響海州香薷對(duì)重金屬吸附能力的原因

在影響海州香薷銅積累量以及土壤恢復(fù)效率的諸因素中，土壤本身的污染水平和營(yíng)養(yǎng)狀況以及植物對(duì)土壤條件的適應(yīng)能力最為關(guān)鍵。有研究表明，土壤pH值、全磷和有效磷與植物的銅、鋅積累量具有很高的相關(guān)性，這為人們有目的地改良土壤性狀，加速植被演替和恢復(fù)，提高植物修復(fù)效率等提供了有價(jià)值的參考［1］。據(jù)最近研究成果，海州香薷中地上部含cu量在水培條件下可以達(dá)到3417mg/kg(干重)，但在土培條件下地上部含銅量最高只有260mg/kg，甚至在10mg/kg以下［2］，但在Cu污染土壤上施用EDTA和EDDS培養(yǎng)10d后，其地上部Cu含量和積累量均顯著增加，甚至達(dá)數(shù)十倍［3］。此外，與單一Cu污染相比，Cu、Zn復(fù)合污染可促進(jìn)海州香薷生長(zhǎng)，增加其地上部干物重。

1.1土壤中銅的有效濃度對(duì)海州香薷修復(fù)土壤機(jī)制的影響

不同重金屬形態(tài)對(duì)植物的毒性以及被植物吸收的情況差異很大，有效態(tài)的重金屬更易被植物吸收，而對(duì)重金屬的有效性有重大影響，主要是土壤有機(jī)質(zhì)和酸堿度等條件，因而，有效金屬濃度不僅取決于金屬的總濃度，還跟土壤其他參數(shù)如磷、pH值等有關(guān)。有研究證明，土壤中的磷以及較高的pH值更有利于有效態(tài)重金屬的釋放。但對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果顯示，銅、鋅的積累量均與有效銅的相關(guān)性最低，而與土壤總銅量和土壤pH值的相關(guān)性很高［1］，盡管如此，其他研究者給出了多種猜想，Song等發(fā)現(xiàn)，提高土壤溶液的pH值，能夠增加海州香薷根部的銅濃度，即在銅濃度保持不變情況下pH值升高增加了銅離子的植物有效性，這可能跟高pH值條件下生物表面(細(xì)胞壁和生物膜)銅的結(jié)合能力提高有關(guān)［2］。又經(jīng)研究表明，銅濃度與pH值的關(guān)系呈“U”形，pH值較低時(shí)，銅濃度隨著pH值的增加而下降，而pH值較高時(shí)，則隨pH值的增加而增加［4］。通過改變土壤的酸堿性使各金屬離子呈現(xiàn)不同的價(jià)態(tài)，改變植物對(duì)它們的吸收量、耐受程度以及在體內(nèi)代謝形式，實(shí)為影響海州香薷修復(fù)土壤機(jī)制的重要因素之一。在今后的實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過采取多梯度、多個(gè)對(duì)照樣、嚴(yán)格控制單一變量、提高實(shí)驗(yàn)同步性來增加結(jié)果的真實(shí)度。

1.2土壤中有效磷濃度對(duì)海州香薷修復(fù)土壤機(jī)制的影響

除了土壤pH值的影響至關(guān)重要之外，土壤中有效磷的作用也不可小覷。研究證實(shí)，隨著有效磷濃度的增加，海州香薷對(duì)銅、鋅的積累量也明顯提高。因?yàn)殂~等重金屬易引起植物體磷等營(yíng)養(yǎng)元素低于正常水平，所以，土壤中充足磷的供應(yīng)將會(huì)改善海州香薷的營(yíng)養(yǎng)條件，從而增加其根部對(duì)銅、鋅的吸收活性［1］。礦區(qū)的海州香薷種群在過量銅的環(huán)境下對(duì)磷饑餓時(shí)具有自我拯救機(jī)制，即通過增強(qiáng)植物酸性磷酸酶活性以及向根際土壤的分泌作用，而使植物在脅迫條件下維持正常的磷生理代謝。重金屬脅迫下，植物內(nèi)生細(xì)菌分泌大量酸性磷酸酶是一種脫毒機(jī)制。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，銅脅迫下海州香薷根系體內(nèi)的酸性磷酸酶活性顯著提高，這促使金屬離開細(xì)胞的敏感位點(diǎn)，同時(shí)磷被認(rèn)為與一些金屬元素有拮抗作用，能減少這些元素的吸收。如土壤中磷的增加會(huì)減少Cd和Zn的生物積累，磷的增加也能減少植物對(duì)Cu的積累。銅的吸收積累是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，許多機(jī)制共同參與，其中有關(guān)酸性磷酸酶的作用仍需更多的實(shí)驗(yàn)，其分子機(jī)制也需進(jìn)一步探索，我們可以結(jié)合新興的代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等手段做更深入細(xì)致的研究。

1.3EDTA和EDDS與植物銅積累量的關(guān)系

螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)理念是向土壤中施加螯合劑來增加土壤重金屬的可溶性，提高植株地上部的干物重以促進(jìn)植物的重金屬積累。有研究表明，施加5mmol/kgEDTA(乙二胺四乙酸)和EDDS(乙二胺二琥珀酸)可增加海州香薷地上部的Cu、Pb、Zn和Cd的含量和積累量。其中，EDDS比EDTA具有更強(qiáng)的溶解土壤Cu、Zn和增加植物吸收積累Cu、Zn的能力，但對(duì)土壤Pb、Cd的溶解及Pb、Cd在植物地上部積累的促進(jìn)作用，EDTA大于EDDS［3］。這種方法雖增加了重金屬在土壤中的可溶性，但同時(shí)也增加了重金屬向下和四周遷移的可能性，易對(duì)地下水和周邊環(huán)境造成二次污染，且高劑量人工合成螯合劑會(huì)破壞自然生存體系，對(duì)植物、微生物產(chǎn)生毒害作用。盡管有資料顯示，EDDS對(duì)土壤真菌和其他微生物群落毒性影響較小，易降解，但施用EDDS的時(shí)間長(zhǎng)短、施用前后當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件等多種實(shí)際問題必須要進(jìn)行進(jìn)一步探討。提高金屬的移動(dòng)力儼然是促進(jìn)植物重金屬吸收的可行之路，但是否是螯合劑發(fā)揮了作用仍需要做進(jìn)一步研究。

1.4植物對(duì)Cu、Zn、Pb等元素復(fù)合污染土壤的修復(fù)作用

在自然條件下，銅礦污染區(qū)多富集鋅、鉛等重金屬，因而考察海州香薷與環(huán)境的相互作用時(shí)不能忽略非銅重金屬的影響。我們常用吸收富集系數(shù)來表征土壤———植物體中重金屬元素遷移的難易程度。有文獻(xiàn)報(bào)道，土壤受重金屬?gòu)?fù)合污染時(shí)，Cu、Zn、Pb共存能夠提高植物對(duì)幾種重金屬元素的吸收系數(shù)，促進(jìn)這些重金屬元素在植物體內(nèi)的遷移。因?yàn)閺?fù)合污染時(shí)，銅、鋅、鉛等元素共存能夠提高植物對(duì)這幾種重金屬的吸收系數(shù)，并促進(jìn)這些重金屬元素在植物體內(nèi)的遷移。鋅會(huì)抑制銅向香薷屬植物地上部分的運(yùn)輸，限制植物地上部銅含量的提高，筆者實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)對(duì)于復(fù)合污染的土壤來說，海州香薷屬植物對(duì)鋅吸收效果更為顯著，這似乎暗示了對(duì)于修復(fù)復(fù)合污染地區(qū)，可首先解決鋅污染，再著重處理銅污染。

1.5根際土中細(xì)菌、植物內(nèi)生菌對(duì)海州香薷及其生長(zhǎng)環(huán)境的影響

筆者所在的實(shí)驗(yàn)室曾發(fā)現(xiàn)，一些植物根際細(xì)菌通過產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)脫氨酶、鐵載體、吲哚乙酸以及溶解難溶性的磷酸鹽能夠直接或間接地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增大海州香薷的生物量［5］。此外，還發(fā)現(xiàn)經(jīng)無色菌處理提高了海州香薷的生物量和地上部Cu濃度，進(jìn)一步挖掘出海州香薷對(duì)污染土壤中Cu的去除潛力［6］。土壤微生物透過分泌物提高土壤酶活性，進(jìn)而改變土壤中重金屬的生物有效性且對(duì)環(huán)境友好。這為生物修復(fù)開辟了一條新途徑，即通過利用抗性促生細(xì)菌的方法來提高植物的修復(fù)效率，堪稱是一種比用化學(xué)試劑、肥料等方法改變土壤理化性質(zhì)更有效、更具有可持續(xù)性的措施。

1.6其他因素

油松針葉重金屬含量動(dòng)態(tài)變化研究表明，重金屬在植物體內(nèi)變化是復(fù)雜的，油松針葉的Cu、Zn含量在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而Pb的含量在夏季時(shí)最高。另有學(xué)者認(rèn)為，因?yàn)镹O3－促進(jìn)陽離子吸收且在木質(zhì)部運(yùn)輸中是陽離子合適的陪伴陰離子，而NH4+在根系中已被同化為氨基酸，不能成為陰離子的陪伴陽離子，所以硝銨態(tài)氮能促進(jìn)海州香薷對(duì)銅的吸收以及向地上部分的運(yùn)輸并提高銅的積累量。

2實(shí)際應(yīng)用展望

通過近幾年實(shí)驗(yàn)，可以肯定耐性植物在植物穩(wěn)定修復(fù)中的作用。在重金屬污染土壤上種植金屬耐受性植物可降低金屬的移動(dòng)性并減少其進(jìn)入食物鏈的含量，有毒金屬將會(huì)被固定在生態(tài)系統(tǒng)中，可減少有毒金屬因淋溶而進(jìn)入地下水所引起的污染。在提高海州香薷修復(fù)土壤重金屬污染效率的問題上，現(xiàn)代學(xué)者多側(cè)重于外加誘導(dǎo)措施增加土壤中重金屬的植物有效性，以提高超富集植物的生物量，或者找到一種重金屬富集量更高的超富集植物。重金屬在植物體內(nèi)的含量變化很復(fù)雜，適當(dāng)延長(zhǎng)植物生長(zhǎng)時(shí)間并選擇合適的收獲期有助于提高植物累積金屬效果，對(duì)紫花香薷和海州香薷而言，其葉片開始脫落前收獲為佳，此時(shí)植物積累的生物量最大，一般要培養(yǎng)195d。實(shí)際應(yīng)用中植物生長(zhǎng)時(shí)間設(shè)計(jì)十分重要，而收獲已積累大量重金屬元素的海州香薷植物體的去向也不可忽視。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以海州香薷為堆肥原料，接種以纖維素分解菌為主的混合菌，在室溫、含水率為75%條件下，堆肥的品質(zhì)最佳，其C/N值為13．7，ηC/N為60．8%，可達(dá)到有機(jī)肥料一級(jí)腐熟標(biāo)準(zhǔn)，能快速高效地降解海州香薷殘?bào)w，而且作為肥料，植物體中的黃酮類物質(zhì)對(duì)植物病原真菌有抑制效果，使其變廢為寶［7］。這一研究對(duì)于降低污染土壤修復(fù)成本、礦山地區(qū)農(nóng)民增收以及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有著重要作用，為開發(fā)新型抗菌劑產(chǎn)品提供了一定的技術(shù)支持。研究重金屬在土壤－植物體系向植物的遷移、傳輸和分布隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程，將提供植物在重金屬脅迫條件下對(duì)重金屬吸收代謝的信息，對(duì)認(rèn)識(shí)重金屬在植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和植物修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

3結(jié)束語

利用植物修復(fù)土壤的優(yōu)勢(shì)地位日益凸顯。海州香薷因長(zhǎng)期生長(zhǎng)在銅礦區(qū)附近(含重金屬土壤)，已對(duì)高金屬污染、土壤保水力差的環(huán)境脅迫產(chǎn)生了抗性進(jìn)化，不僅成為礦藏的指示植物，還對(duì)尾礦、重金屬污染的土壤起到一定的修復(fù)作用。