植物修復技術是于20世紀80年代初期在環(huán)境污染治理的實踐中逐漸發(fā)展起來的，它是作為一種新興的綠色生物技術，同時也是土壤污染治理的環(huán)境友好型技術。植物修復技術是指利用重金屬富集植物來清除土壤重金屬污染，其設想由美國科學家Chaney于1983年首次提出。它通過利用能夠富集重金屬的超富集植物、用基因工程培育新的富集植物品種，以及植物根際微生物群落，來移去、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤中存在的重金屬污染物，也可以通過降低重金屬的毒性來清除污染，以達到修復或治理土壤污染的目的。
自從富集植物的概念被提出以來，歐美等發(fā)達國家對富集植物的富集能力進行了較為深入的研究，而國內(nèi)發(fā)展則相對滯后。截止到目前為止，國內(nèi)外共發(fā)現(xiàn)超富集植物約450余種，其中鎳Ni超富集植物最多，約320種；銅Cu超富集植物34種、鈷Co超富集植物34種、鋅Zn超富集植物18種、硒Se超富集植物20種、鉛Pb超富集植物14種、錳Mn超富集植物9種、砷As超富集植物5種。
雖然富集植物的種類和數(shù)量不少，但目前對富集植物在園林中的應用還缺乏系統(tǒng)性的總結(jié)。園林景觀行業(yè)以改善人居環(huán)境為己任，有必要對時下國內(nèi)所面臨的各種生態(tài)環(huán)境問題承擔相應職責，而植物是園林中不可缺失的重要組成要素，因此迫切需要對植物修復土壤重金屬污染機理作深入細致的研究，系統(tǒng)地總結(jié)出適合園林應用的富集植物，以期更好地利用植物修復技術來創(chuàng)造更加美好的人居環(huán)境。
植物修復土壤重金屬污染的機制研究
回避機制
一些植物可通過某種外部機制保護自己，使其不吸收環(huán)境中高含量的重金屬從而免受毒害，稱為避性。植物主要通過兩種機制來保護自己，一種是限制重金屬離子的跨膜吸收，細胞質(zhì)膜是選擇透過性膜、控制離子進入原生質(zhì)體的真正關卡；一種是與體外分泌物結(jié)合，降低重金屬的毒性。
排除機制
所謂金屬排斥性即重金屬被植物吸收后又被排出體外，或重金屬在植物體內(nèi)的運輸受到阻礙。在高等植物中，通過對不同抗性的基因型進行的重金屬離子吸收與代謝能量關系的研究已證實原生質(zhì)膜溢泌有主動排除金屬離子的作用。這己在微生物和動物的試驗中得到證實，植物體內(nèi)的重金屬離子也能被排出體外。還有些植物對重金屬的排除可以通過根際化學性狀的改變實現(xiàn)，如根際分泌螯合劑、形成跨根際氧化還原梯度、形成跨膜根際pH梯度等。
細胞壁作用機制
植物細胞壁是抵御重金屬離子進入的第一道屏障，它的金屬沉淀作用可能是一些植物耐重金屬的原因，這種作用能阻止重金屬離子進入細胞原生質(zhì)，而使其免受傷害。楊居榮等研究了Cd和Pb在黃瓜和菠菜細胞各組分中的分布，發(fā)現(xiàn)77%-89%的Pb沉積于細胞壁上，而45%-69%的Cd存在于細胞質(zhì)中。因此根部細胞壁可視為金屬離子的重要貯存場所。
重金屬進入細胞質(zhì)機制
植物細胞質(zhì)膜將有毒離子外排至細胞外或轉(zhuǎn)運至液泡內(nèi)，是植物降低有毒離子在細胞內(nèi)含量的兩個重要途徑。液泡含有的各種蛋白質(zhì)、糖、有機酸等物質(zhì)都能與重金屬結(jié)合而解毒，因此液泡常被認為是貯存重金屬元素的結(jié)構。Brooks等（1981）用離心的方法對庭芥屬植物（Aubrieta）的植物組織進行分離，然后測定各部分的Ni含量，結(jié)果顯示，有72%的Ni分布在液泡中。Wang等（1991）曾對煙草液泡中鎘的化學狀態(tài)進行模擬，發(fā)現(xiàn)液泡內(nèi)鎘與無機磷酸根能形成磷酸鹽沉淀，降低了鎘的毒性。這些結(jié)果都顯示，液泡可能成為重金屬貯存的主要場所。
重金屬與各種有機酸的絡合機制
在環(huán)境脅迫條件下，有機酸的生物合成、積累、運輸和根系分泌會顯著增加。有機酸是一類重要的重金屬配位體，參與重金屬的吸收、運輸、貯存和解毒等生理代謝過程，與重金屬形成穩(wěn)定的螯合物，降低重金屬的毒性。但有機酸的種類因植物種類、金屬類型和濃度等因素而異。20世紀90年代已有很多關于這方面的研究，Tolra等觀察到Zn超積累植物遏藍菜（Thlaspicaerulescens）地上部可溶性Zn濃度與蘋果酸和草酸濃度呈顯著正相關。Homer等（1991）研究表明，新喀里多尼亞鎳超積累植物中分離出來的絡合物，其鎳配位體主要為檸檬酸鹽和蘋果酸鹽以及兩者的混合物。由此可見，各種有機酸對減輕植物重金屬的毒害起了關鍵作用。
酶適應機制
在重金屬的脅迫下，植物保護酶系統(tǒng)也會發(fā)生適應性變化，使耐性種或植株在重金屬干擾時能維持正常的代謝過程。西德WcrneMothys在1978年研究了Cu、Zn、Cd、Ni、Co、Mg對腆肥麥瓶草耐Cu、耐Cd又耐Zn、耐Cd和無耐性的種群的硝酸還原酶、葡萄糖6-磷酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶及蘋果酸脫氫酶，發(fā)現(xiàn)耐性種加入Zn后硝酸還原酶、異檸檬酸酶被激活，特別是硝酸還原酶；而抗件差的種群，此酶完全被抑制，他們認為抗性種的生態(tài)型有保護酶的機制（殷捷和周竹渝2003）。楊居榮等（1995）發(fā)現(xiàn)Cd脅迫可引起SOD、POD、CAT活性的改變。一些蔬菜幼苗在汞的脅迫下，會誘導產(chǎn)生新POD的同功酶與外界不良的環(huán)境條件相適應。
植物螯合態(tài)的解毒作用
植物螯合態(tài)PC（Phytochelatin）是一種由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸組成的含巰基螯合多肽，分子量一般為1-4kD，結(jié)構多為（(γ-Glu-Cys)n-Gly,n=2-11）。由于其巰基含量高，對重金屬的親和力大，能夠螯合多種重金屬離子，使重金屬離子失去活性，從而減輕重金屬對植物的毒害作用。PC的發(fā)現(xiàn)，使人們對植物重金屬耐性機理產(chǎn)生了新的認識，認為PC的形成才是植物解毒的重要生理機制。
結(jié)果與分析
通過對富集植物進行全面收集，我們篩選出其中能用于園林綠化的富集植物（包括有富集潛力的植物）。
▲國內(nèi)園林中常用富集植物統(tǒng)計結(jié)果
由上表可知，目前園林中應用的富集植物種類并不豐富，整體所占比例較小。目前已發(fā)現(xiàn)的多數(shù)重金屬超富集植物主要集中在草本植物，如禾本科、十字花科、菊科等，木本植物較少。這種結(jié)果的出現(xiàn)一方面可能是因為喬木生物量較大、生長周期長導致實驗研究難度較大，而草本則不存在這樣的問題；另一方面可能是草本植物由于自身在結(jié)構和組成上的差異（根系、葉片等）導致其富集能力要強于木本植物。
結(jié)論
土壤污染的修復一般有物理、化學和生物修復等方法。植物修復是以植物忍耐和超量積累某種或某些重金屬元素的理論為基礎，通過植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一種環(huán)境生物治理技術。與傳統(tǒng)的物理修復和化學修復相比，植物修復所具有的高效、無二次污染與操作簡便等特點，使其成為最具生命力的污染土壤修復技術之一。該技術利用綠色植物及其共存微生物體系轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對環(huán)境無害，主要包括以下五種類型：植物吸取、植物降解、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)、根際過濾。從本質(zhì)上講，植物修復是通過植物光合作用將散存于土壤和水介質(zhì)中的污染物抽吸出來，轉(zhuǎn)移到植物地上部分或可收割部位，通過刈割并作無害化處理來達到治理環(huán)境的目的。
目前，發(fā)現(xiàn)的土壤重金屬富集和超富集植物有很多種類，但大部分還處于野生狀態(tài)，且具有生長速率慢、生物量少等弊端。因此需要我們對其進行馴化和改良，從而培育出比自然條件下生物產(chǎn)量高、富集效率高的超富集植物，將其市場化、規(guī)?；糜诟纳票晃廴镜耐寥?。同時，配合適宜微生物的使用以增強植物富集能力，加強對植物修復土壤重金屬污染的機理研究，以便更好地解決國內(nèi)土壤重金屬污染的問題。
來源:文科園林
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