找土壤重金属污染的“植物克星”

  　由于工矿企业的发展、污水灌溉等，中国乃至世界的土壤重金属污染越来越严重。植物修复技术是目前 重金属污染治理最有效的方法之一，而该技术成功的关键在于寻找超富集植物。日前，中国科学院华南植物园土壤生态与生态工程研究组博士研究生张杏锋在导师夏 汉平研究员的指导下，首次提出了用土壤种子库—重金属浓度梯度法来筛选重金属超富集植物，并成功找到一种镉的超富集植物——少花龙葵。

　　少花龙葵是怎么发现的？如何采用新方法寻找超富集植物？植物修复技术在实际推广应用过程中又要注意些什么？带着这些问题，笔者采访了中国科学院华南植物园研究员夏汉平。

　　——— 土壤病了 ———

　　我国受污染的耕地面积达2000万公顷

　　陕西凤翔铅污染、湖南浏阳镉中毒、山东临沂砷污染……土壤重金属污染强烈刺痛人们的神经。

　　全国究竟有多少土地已被重金属污染，或身临污染的悬崖？

　　随着矿山开采以及一些工业生产导致环境质量的不断恶化，土壤重金属污染问题已成为世界各地关注的焦点。自2009年以来，中国连续发生了30多 起重特大重金属污染事件。据报道，中国受污染的耕地面积达2000万公顷，约占耕地总面积的1/5，其中重金属污染约占污染面积的30%—40%左右。中 国每年因土壤污染而减少的粮食产量高达1000万吨，直接经济损失达100多亿元。

　　重金属一般是指比重大于5的金属，从环境污染方面所说的重金属通常是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的金属。近十多年来，珠江三角 洲地区的重金属含量呈逐年递增的趋势，造成了较为严重的污染问题。在我国，总体来看，铅、锌、镉等重金属所造成的污染较为严重。

　　当问到土壤重金属污染的主要来源时，夏汉平研究员解释说：“矿山开采、金属冶炼、电镀、化工、电池等行业是排放重金属的主要工业源，一些工厂、 企业偷排出来的‘工业三废’使得周围土壤与水体中铅、锌、镉的含量浓度严重超标；此外，城市交通运输中汽车尾气排放等也会影响土壤中重金属的含量。”

　　——— 四个疑问 ———

　　植物修复土壤好在哪儿？

　　由于土壤重金属污染存在污染范围广、持续时间长、污染隐蔽、不可逆性等特点，使得它的治理工作变得十分困难。夏汉平研究员说：“目前国内外相关 领域的科学家都在对重金属污染土壤的修复技术进行研究。在治理过程中，物理方法费时费工，化学方法又容易造成二次污染。与传统的治理方法相比，植物修复技 术具有治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性等优点，因此使其成为重金属污染治理的研究热点。”

　　“植物修复技术就是把对重金属有巨大提取潜力的植物种植于重金属污染土地上，一段时间后收获植物地上部分以达到清除土壤中重金属污染的目的。此 外，也有一些植物可使土壤重金属固化，同样可起到减轻重金属毒害的作用”。提及植物修复技术的原理，夏汉平表示：“植物修复技术按其修复的机理和过程可分 为不同的部分，其中与重金属污染土壤植物修复有关的内容主要包括植物萃取、植物固定、植物挥发以及根系过滤等。”

　　植物修复技术是否还存在一些自身的不足？夏汉平研究员笑了一下说：“当然，这个世界上完美的东西太少了。不少超富集植物个体矮小，生长缓慢，修 复重金属污染土地需时太长；此外，植物修复土壤只能局限在植物根系所能延伸的范围内；还有，超富集植物对重金属具有一定的选择性，一般只对一种重金属具有 富集能力，而土壤重金属污染多为几种重金属复合污染，且常常伴生有机污染等等。不过这些问题都有可能在接下来的进一步研究中得到解决。”

　　植物修复土壤的关键在哪儿？

　　研究人员指出，植物修复技术成功的关键在于寻找超富集植物。因此，筛选对重金属耐受能力高以及具有富集和超富集能力的植物成为目前重金属污染土壤的重要修复途径之一。

　　“超富集植物是指可以超量累积某些化学元素的植物。一般而言，这些植物的地上部组织对该化学元素的吸收量，可超过普通植物的100倍以上，且不 影响正常生命活动”。夏汉平研究员解释道，“不过，目前全世界所发现的400多种重金属超富集植物中，有相当一部分种类生物量较少或者专一性较强，还有就 是较难繁殖，因而难以真正大面积推广应用。因此，选择高生物量、适应性强、富集能力强、易栽培的超富集植物或吸收相对较大的植物种类，是目前和今后一段时 间研究的重点所在。”

　　重金属镉的“植物克星”——少花龙葵是怎么发现的？

　　少花龙葵是中国科学院华南植物园的博士研究生张杏锋在夏汉平研究员指导下发现的一种镉的超富集植物。谈及自己的爱徒，夏汉平笑说：“张杏锋自己 都说，这一研究发现实属偶然，她在华南植物园采集土壤用于一项牧草的重金属修复研究时，突发奇想，或许可以用土壤种子库来筛选对重金属具有超富集特性的植 物，然后通过重金属浓度梯度实验对其超富集特性进行验证。当时她很兴奋地跑来告诉我这一想法，我也觉得这种方法可行，于是接下来，我们就开始进行了一系列 的实验。”

　　在夏汉平研究员看来，采用土壤种子库—重金属浓度梯度法来筛选重金属超富集植物与以往的常用方法相比，有一定的优越性。

　　“据了解，目前国内外用于寻找超富集植物的方法主要有两种，一是野外调查法，即在重金属污染的地方做野外调查，比如在矿山、工业污染区地带寻找 超富集植物；二是特殊植物法，即根据植物的一些特性选择一些特殊的植物来测定它们对重金属的富集特性。但这两种方法都有一个较明显的缺点，就是植物种类相 对有限。这使得人们在研究中忽视了一些有修复潜力的植物。与之相对，土壤种子库是植物繁殖体的储备库，它的植物种类非常丰富。利用它来筛选超富集植物，可 以克服以上两种方法的缺点，因为土壤种子库几乎到处都有，只需采集具有丰富种子资源的土壤进行测试即可，而且实验更简单、操作更容易。”

　　少花龙葵修复土壤还要做点儿啥？

　　目前植物修复技术不少还停留于实验室模拟研究阶段，从实验室走向实际运用，这中间还有不少的路程需要行走。

　　夏汉平说：“由于少花龙葵能耐高镉污染并能富集大量的镉，而且种源较易获得，繁殖培育也较容易，生物量相对较大，所以比较适合修复高镉污染地 区，如工矿企业园及周边地区。但目前还不宜进行大规模推广应用，因为科研成果到推广应用一般都需经过中试过程。因此，少花龙葵也还需要到野外进行中试，若 能成功，就能证明该植物可运用到解决目前备受镉污染的土壤修复中来。”

　　蜈蚣草“吃”掉土壤中的重金属砷

　　利用超富集植物修复重金属污染土壤，在我国已有成功的先例。中国科学院地理科学与资源研究所的陈同斌研究员首先发现了重金属砷的超富集植物—— 蜈蚣草，并带领重金属污染土壤植物修复团队于2001年在湖南郴州建立了世界上第一个砷污染修复基地，随后又在广西和云南建立了砷、铅等重金属污染及酸化 土壤修复的示范工程，形成了超富集植物与经济作物间作的修复模式，实现了边修复污染土壤、边开展农业生产。

　　一段时间以来，在湖南郴州、云南、广西等地开展产业化示范工作的蜈蚣草种植已经在被重金属污染、无法耕种的土地上取得了成效，因此，“蜈蚣草” 也被称为“土壤清洁工”。蜈蚣草种植，作为“砷污染土壤植物修复技术”，首先由中科院地理科学与资源研究所的陈同斌研究员率先发现并开发出来。据了解，蜈 蚣草吸收土壤中砷的能力相当于普通植物的20万倍，通过蜈蚣草的吸附、收割，三至五年内，被污染土地就可“恢复健康”。

　　■ 延伸阅读

　　寻找根治土壤重金属污染的“植物克星”之路依然漫长

　　2009年，由于大量村民被体检查出尿镉超标，湖南浏阳镇头镇一带爆出镉中毒事件。原来在靠近村子边上的一家化工厂，由于环保措施不到位，冶炼 矿渣露天堆放，工厂废水偷排，一遇上下雨天，厂区含镉废水流出，不仅污染了附近大片农田，而且流入了村民水井中，导致多人慢性中毒。“人病了还可以上医 院，农田怎么办？”依靠土地为生的当地农民忧心如焚。

　　如何大面积修复重金属污染农田，一直是个世界难题。曾今在日本“痛痛病”的发源地——富士县神通川流域，在修复被镉污染农田时，就是采取去表土 15厘米、并压实心土，结果在连续淹水的条件下，稻米中的镉含量小于0.4mg/kg。但对于污染面积总计1万多亩的湖南镉污染农田，运用去土治理显然也 将工程巨大，更大的问题是：换出来的污染土层，又将放哪安全保存，从而避免二次污染呢？　　

　　为寻找一种安全、经济的重金属污染农田修复方式，1998—1999年间，陈同斌和他的科研团队在前期大量研究的基础上，决定遵循进化论思维， 到南方去刻意寻找根治土壤重金属污染的植物克星。“南方温暖潮湿，生物多样性高，从概率上讲，在南方寻找到重金属超富积植物的可能性要大”，陈同斌形容， 这种植物既要对土壤重金壤具有超强吸收能力，同时还要易养活、生物量大，而通常植物身上，这两者特性不能兼具。据统计，针对国内土壤重金属污染治理的植物 优选品种，一度多达40多个。“真正适用的生物修复技术不多”，陈同斌透露。

　　五六年前，广东华南农业大学、中山大学、广东省土壤研究所等一批科研机构针对土壤重金属污染治理，相继展开物化、生物、微生物技术等方面研究。 2005年，刚从日本留学回国的广东省土壤研究所陈能场博士，则选择了粤北进行镉污染农田修复实验。在一块约6亩大小的田地里，陈先后尝试了硅肥和水分管 理、叶片调理剂等多种方式尝试，最终陈将一种高富集镉的水稻引种过来，通过轮作和间作(高富集水稻与玉米等经济作物)的方式，来修复镉中毒农田。“从治理 效果看，边生产边修复这种方式相对成熟”，目前仍在实验之中，陈能场表示。此外，专门针对镉污染的另一种筛选植物——东南景天，在国内已有上百亩实验基 地。