全 文 ：第 4 7 卷 第 3期 2 2 0 0年 2 月 科 考 五 叙
砷超富集植物娱蛤草及其对砷的富集特征
陈 同斌 韦朝 阳 黄泽春 黄启飞 鲁全国 范稚莲
(中国科学院地理科学与资源研究听环境修复室 , 北京 lo l ol . E 一 m ial : ch en ht @ ig sn 二 ac . c n )
摘要 通过野外调查和栽培实验 在中国境 内发现砷超富集植物— 缓蛇草 ( tP o ir : “ rat ot )L . 野 外调查表明 . 缓外草对砷具有很强 的富集作用 , 其砷的分布规律与普通植物也明显不 同 , 娱绘草不 同部位的
含砷量为 : 羽 片> 叶柄 > 根系 ; 娱蛇草地上部的生物富集系数随着土壤含砷量的增加而呈幂 函数下降 .
在含砷 9 m g瓜g 的正常土壤 中, 娱蛤草地下部和地上部对砷的生物富集系数分别高达 71 和 80 . 从矿区
采集砷污染土壤进行室内栽培实验发现 , 室内栽培时娱绘草羽片的含砷量比野外生长条件下 ( 同一种土
壤 )增加 1 倍多 , 其羽片含砷量可高达 507 o m叭 ;g 随着矜植时间的延长 , 娱蛤草羽片含砷量不断增加 .
娱蛤草不仅对砷有很强的忍耐能力和富集能力 , 而且生长快 、 生物量大 、 地理分布广 、 适应性强 , 因此
在砷污染环境的修复方面具有良好的应用前景 , 对于研究植物中砷的吸收 、 运转和解毒机理等生理生
化特性也具有重要学术价值 .
关键词 超富集植物 娱蛤草 砷 生物富集系数
土壤重金属污染是国内外普遍关注的环境 问题 .
目前 , 治理土壤重金属污染的方法主要有沉淀法 、 淋
洗法 、 拮抗法 、 电化法和磁化法等 [ ’ ] . 1 9 8 3 年 , 美国
科学家提出利 用一超富集植物 ( h y p e r a e e u m u l a t o r )” 清
除土壤污染 的设想 , 即利 用超 富集 植物从土壤 中
大量富集重金属 , 通过收割植物后从土壤中带走重
金属 , 以 达到清除土壤污染 的 目的 . 与传统方法相
比 , 这种技术具有投人成本低 、 工程量小 、 没有二次
污染 , 能减少土壤侵蚀 、 美化景观 、 提高土壤有机质
和培肥地力等优点 , 因此 被称为廉价的 “绿 色修复
技术 ` , 12] .
超富集植物是植物修复的基础 . 国际上 已报道
40 0 多种超富集植物 , 但绝大部分都是关于镍的超富
集植物 (3 18 种 ) . 如香葬菜属 (A ly s 、 “ m )植物的叶片含
镍量可 以高达 3% 3l[ . 关于其他重金属超富集植物的
报道较少 , 且没有一种是在我国首先发现的 .4[ 5〕. 19 97
年 , 陈同斌 1 )提 出世界上存在砷超富集植物的可能性 ,
并开始进行砷超富集植物的筛选研究 . 19 9 9 年 , 陈同
斌等人 “ ’在中国境内找到砷的超富集植物 , 并于 2 0 0
年 10 月的 “ 土壤修复 国际会议 ’ `上介绍这一发现 .
20 01 年 3 月 , M a 等人 6[] 也报道发现了砷超富集植物 .
本文报道在我国境内发现娱蛤草 ( tP o irs 谕 t o at )L 大
量富集砷的研究结果 .
1 材料与方法
( i ) 野外调查和采样 . 调查区域为湖南省石门
县石门雄黄矿矿区 , 位于石门县西北 42 k m , 与慈利
县交界 . 该矿以蕴含丰富的雄黄 (A 5 4 5 4 )资源而闻名
世界 , 为亚洲最大的雄黄矿 , 已有 1 50 0 多年开采历
史 , 但 19 5 8 年以后才开始大规模开采和冶炼 . 雄黄
矿开采冶炼排放的废气 、 废渣对当地大气 、 水体 、 土
壤 、 牲畜 、 蔬菜和农作物等造成了长期 、 严重的污染 .
1 9 9 年 6 月 , 在石门县雄黄矿高砷区采集土壤
和植物样品 . 调查区域的面积约 4 k m 2 . 调查时选取
不同砷污染程度的调查点 (含砷矿渣 、 砷污染土壤和
正常土壤 ) , 分别采取娱蛤草的不同部位 (羽片 、 叶柄 、
根 )和相应的土壤或矿渣样品 . 土壤和矿渣样品经过
风干 、 粉碎 、 过 10 0 目筛后进行化学分析 . 先用大量
自来水洗净附着在样 品植物表面的尘土 , 然后再用
无离子水清洗 . 通过室内的初步分析发现 , 娱蛤草羽
片的含砷量超过 10 0 m g瓜 9 . 19 9 9 年 1 月 , 再次进行
实地考察 , 并采集娱蛤草活体植物进行室内栽培实
验 , 以便在室内条件下进一步确认上述发现 .
( il ) 温室栽培实验 . 为了研究在室内生长条件
下娱蛤草对砷的吸收和富集特点 , 分别采用砷污染
土壤 和没有受 到砷污染的正常土壤进行栽培实验 .
门 ) 砷污染土壤的栽培实验 . 从石门雄黄矿高砷区采
l) 陈同斌 . 植物耐砷毒能力基因型差异的生态机理 `国家 自然科学基金项 目申请书 ) 19 9 ,
2 ) C h e n T B
.
W e i C 丫 A r s e n l e h y Pe r a e e u m u l a t l o n i n s o m e P l a n z s P e e 一e s I n s o u t h C h i n a In
R e m e d l a t l o n
.
H a n g z h o u
,
20 0 0
.
19 4 一 19 5
WWW
.
S C IC h i n a
.
C 0 m
P r o e e e d l n g s o f I n l e rn a t 10 n a ] C o n fe r e n e e o f 5 0 11
2 0 7
科 考 连 叙 第 4 7 卷 第 3期 20 0 2年 2 月 简 报
集娱蛤草活体植物和当地的砷污染土壤 , 带 回实验
室后将植物种植在原来的砷污染土壤中 . 为了尽量
保持土壤原有的特性 , 室内栽培实验所用的土壤从
野外采回以后没有进行风干 、 粉碎 、 施肥等任何物理
或化学处理 . 该土壤的含砷量为 6 60 m g瓜 g , p H 7 . 38 .
栽培植物的容器为 42 c m x 60 。 m x 30 。 m 的大塑料
筐 . 当移栽的植物成活后剪去地上部 , 待长出新叶后
分别于 2 0 0 年 2 月 、 3 月和 4 月采集植物样品进行
分析 . 栽培时间共 6 个月 , 每天光照时间约为 10 h,
栽培期间定期浇无离子水 . (2 ) 正常土壤的栽培实验 .
为了研究娱蛤草在没有受到砷污染的正常土壤 中对
砷的富集作用 , 用取 自北京昌平的褐土 (含砷 9 m g fk g,
p H 7
.
82 )进行盆栽实验 , 盆栽实验设置 2 个处理 : 不
加砷的对照和加 4 0 m g瓜g 砷处理 (N a H Z A s q , 施砷
后平衡 2周 ) , 用新苗移栽 , 每盆移栽 2株娱蛤草苗 . 种
植 2 个月后收获地上部和地下部 , 洗净 , 测定其含砷量 .
各处理重复 3次 .
( in ) 分析方法 . 土壤或矿渣样品经风干 、 研磨 、
过 10 0 目筛后供分析用 . 植物样品先用 自来水冲洗附
着在叶或根表面的土壤 , 然后用无离子水洗净 , 将
根 、 叶柄 、 羽片分开 , 杀青 、 烘干 、 粉碎后备用 . 土
壤和植物样品采用干灰化法消解 7I] 、 原子荧光光谱仪
(海光 A F S 一 2 202 )测定待测液中砷的浓度 . 分析中所
用试剂均为优级纯 , 而且采用国家标准参比物质 (土
壤 : G BW- O7 4 O I , 植物 : BW- 0 7 6 0 3 )进行土壤和植物
分析的质量控制 , 分析误差均控制在允许的误差范围 .
2 结果
2
.
1 野外条件下娱蛤草对砷的富集
娱蛤草属凤尾威科凤尾蔽属 , 生长在石灰岩 、 钙
质土 、 石缝或墙壁上 , 分布在海拔 20 0 m 以下 , 为钙
土及石灰岩的指示植物 . 从植物形态来看 , 主要分为
羽片 、 叶柄和根系等部分 . 野外调查结果表明 , 娱蛤
草羽片 、 叶柄和根的含砷量分别为 1 20 ~ 15 40 , 70 -
9 0 0 和 5 0 一 9 0 0 m g瓜 g (干物量 , 下同 ) . 其中 SM o4 ,
s M 01
,
s M 06 和 s M 09 调查点的娱蛤草羽片含砷量超
过 10 0 m g fk g (表 1) . 从羽片对砷的生物富集系数来
看 , 除含砷量非常高的 S M O I , S MO6 , S M Og 和 SM 13
四个调查点 (主要是砷矿渣 )外 , 其余地点的生物富集
系数均大于 1 . 因此 , 在一般的污染土壤中 , 娱蛤草
对砷 的生物富集系数均大于 1 , 砷容易在该植物 中
富集 .
在普通植物中 , 砷的分布规律为根系最高 , 茎叶
较少 8[] . 然而 , 从娱蛤草不同部位的含砷量来看 , 砷
的分布情况完全相反 , 在各植物样 品中砷 的含量均
为 : 羽片 > 叶柄 > 根系 . 这说明 , 砷在该植物体中
容易向上运输和富集 , 显示出娱蛤草对砷 有极强 的
耐性和独特的富集能力 . 从植物体中的含砷量 、 生物
富集系数和地上 /地下部含砷量的比值来看 , 娱蛤草
符合目前国际上公认的 “ 超富集植物 ’ ,定义 14] . M a 等
人 6[] 与我们同时得到类似的发现 . 他们的研究指 出 ,
欧洲族对砷具有很强的超富集能力 , 种植在受木材
防护剂 (C c A )污染的土壤 (含砷 97 m叭g) 中 , 其叶片
最大含砷量达 14 2 一 7 5 2 6 m叭 g , 生物富集系数可
达 14 . 9 一 7 7 . 6 [6 ] .
在野外 自然生长条件下 , 娱松草一般生长在含
砷 5 0 ~ 4 0 30 m眺 g 的土壤中 , 但在含砷量高达 2 3 4 0
m g瓜g 的含砷矿渣中也能正常生长 (表 l) , 显示其对
砷毒具有极强的耐性 . 随着土壤或矿渣 中含砷量的
表 1 野外条件下土壤和娱蛤草的含砷量
野外编号 采样地点 娱蛤草生长介质含砷量 /m g · k g - 羽片对砷 的生物富集系数
a 〕
S M 17
S M 0 8
S M 2 4
SM 2 6
SM 2 0
S入10 3
S入10 7
S M O4
SM 0 3
SM 0 1
SM 1 3
S M 0 9
S M 0 6
石 门县白云乡鹤山村 9 组
石 门县雄黄矿水泥厂后山
慈利县 国太桥乡星明村 1 组
慈利县国太桥乡星明村 3 组
石门县雄黄矿水泥厂公路旁
石门县白云 乡鹤山村茶泥埂
石门县雄黄矿区公路旁
石门县雄黄矿招待所附近
石门县雄黄矿招待所河床边
石 门县雄黄矿尾矿坝
石 门县雄黄矿磷肥厂东
石门县雄黄选矿厂附近公路旁
石门县雄黄矿区公路旁
类型
土壤
土壤
土壤
土壤
土壤
土壤
土壤
土壤
土壤
矿渣
土壤
矿渣
矿 渣
植物含砷量 lm g · k g一 ,
羽片 叶柄 根
5 0
9 0
1o
13 0
16 0
26 0
56 0
6 10
6 6 0
3 4口X】
4 0 3 0
8 5 (刃
2 3 4创〕
17 0
8 0
12 0
2
.叨
7
一
4 2
4386925107124-010
102704639780
八石40气264no内,é1盆16气J工xl1201
畜.
8 5 0
1 5 4 U
7 4 0
14 (洲〕
1 53 0
a) 植物羽片含砷量与土壤含砷量之比
w w w
一
S C IC h i n a
.
C 0 m
简 手及 第 4 7 卷 第 3 期 2 0 0 2 年 2 月 科 考 五 粗
增加 , 尽管娱蛤草羽片的含砷量也不断增加 , 但其生
物富集系数呈幂函数下降 (图 1) . 这说明 . “ 生物富集
系数 ” 虽然是评价超富集植物的一项重要指标 , 但 由
于受 土壤或矿渣中全砷含量及植物形态差异等因素
的影响 , 在实际使用中往往存在一定的局限 .
6 0 0 0
口 羽比 口 汁柄
4 0 0 0毖·灿三/酬思概
= 1 19 8 Y 川
( R Z = O
_
8 3 1)
2 0 0 0
图 2
2
.
3
O匕 1 一」山` 注一止一土一一L `二-J J 一 J we we 上二二L 一` 一L一 J 二` 止一习
19 9 年 11月 2 0 0 0 年 2月 2 0 0 0年 3 乓 2 0 0 0压 4 月
取样时 月
人工栽培过程中娱蛤草地上部含砷量的动态变化
影碳瓣伽异洲
正常土壤中娱蛤草对砷的富集
图 3 列出正常土壤 (北京褐土 , 含砷 9 m g瓜g) 中
o占 1 6 0 00 24 0 00
土壤含研量 m g · k g一 ,
图 1
2
.
2
土壤含砷量与娱蛤草对砷的生物富集系数的关系
矿区砷污染土壤中娱蛤草对砷的富集动态
为了研究娱蛤草对砷 的富集动态 , 从石 门雄黄
娱蛤草从土壤中富集砷的实验结果 . 在该土壤 中 , 不
施砷时娱蛤草地上部和地下部的含砷量分别 为 6 9
和 7 85 m gl k g , 其相应的生物富集系数分别为 71 和
80
. 而从施 4 0 m g瓜g 砷的处理来看 , 其地上部和地
下部含砷量分别高达 4 3 8 4 和 4 0 2 2 m g瓜 g , 相应的富
集系数为 10 .7 和 .9 8 同样 , 在人工栽培条件下 , 娱
蛤草地上部的最高含砷量 (4 3 84 m g瓜 g , 施砷处理 )也
明显高于野外污染条件下娱蛤草地上部的最高含砷
量 ( 154 0 m眯 g , 表 1) . 从生物量来看 , 施 4 0 m g瓜g 砷
的处理中 , 地上部和地下部生物量分别为 5 . 04 和 2 . 21
m g/ 盆 . 与对照处理的地上部 (5 01 m g/ 盆 )和地下部生
物量 (2 . 34 m g/ 盆 )没有显著差异 . 由此可见 , 土壤含砷
量增加到 4 0 m叭g 时 . 砷对娱蛤草没有造成毒害 .
口地上部
口 地下部
40 0 m g
·
k g
一 !子
0
0
勃-产工/阳霞找
矿区采集砷污染土壤 (含砷 6 60 m g瓜 g) 进行室内人工
栽培实验 . 实验表明 : 种植前 (即 1 9 9 年 1 月野外采集
的样品 ) , 娱蛤草羽片的含砷量为 18 50 m g瓜 ;g 种植 6 个
月后 . 其羽片的含砷量升高到 5 0 7 0 m g瓜g( 图 2) . 随着
种植时间的延长 . 娱蛤草羽片的含砷量不断增长 . 经
过统计分析表明 , 羽片的含砷量与叶柄含砷量之间
存在显著正相关 (澎 = 0 . 86 7 . 。 = 14) .
对人工栽培与野外 自然条件下的对 比研究表明
(图 2) : 虽然人工栽培时所采用的土壤与野外调查时
的土壤均来 自同一地点 . 但是在室内栽培时娱蛤草
羽 片的含砷量高达 4 3 8 4 m g瓜 9 . 而野外自然生长条
件下羽片的含砷量仅为 1 8 50 m g瓜 9 . 即室内栽培时
比野外生长时的含砷量提高 1倍多 、 在 6个月的人工
栽培过程中 , 娱蛤草羽片的含砷量随种植时间的延
长而呈线性增长 (厂 = 住 9 9 尸 < .0 01 ) . 这表明 . 人工
栽培会使羽片的含砷量增加 且 随着种植时间的延
长而增加 . 这些特点有利于利用娱蛤草进行砷污染
土壤的修复 . 图 3 正常土壤`含砷 9 m g瓜 g )中娱蚁草对砷的吸收
WW W
.
S C IC h i n a
.
C O m 2 0
9
科 考 连 叙 第 4 7卷 第 s 期 2 0 0 2 年 2 月 简 手及
2 .4研究结果的意义
超富集植物对污染土壤的修复效果主要取决于
植物地上部生物量 、 植物生长速度 、 植物地上部对污
染元素的生物富集系数及植物对土壤中污染元素的
耐性等 因素 .尽管 目前发现的多数超富集植物对重
金属的富集能力很强 , 但其地上部生物量小 、 生长
慢 、 繁殖困难 , 因此 目前还难以大规模工程化应用 .l0
娱蛤草地上部不仅能够富集大量的砷 , 且生长速度
快 、 生物量大 , 株高可达 2 m . 野外调查表明 , 地上
部鲜重可达 36 曲a . 而娱蛤草在含砷量 < r0 0 p g/ g
的土壤上的生物富集系数可达 7 一 80 , 尤其是在人工
栽培环境中砷更容易富集到地上部 . 即使在含砷量
很低的正常土壤中 , 娱蛤草也能大量富集砷 , 因此它
也可以用于修复轻度砷污染的土壤 .
娱蛤草在我国热带 、 亚热带地区分布很广 , 在欧
美大陆等均有分布 , 因此对气候的适应性较广 . 《 中
国植物志尸 01指出 : 娱蛤草是钙质土及石灰岩的指示
植物 , 从不生长在酸性土壤上 . 但是 , 我们的盆栽实
验发现 : 它在 p H .4 5 一 .8 5 的土壤范围内均能正常生
长 ; 无论是在南方的红壤中 , 还是北方的褐土中 , 生
长状态都非常好 (详细数据略 ) . 因此 , 娱蛤草对土壤
的适应范围较广 . 这些都表明娱蛤草在植物修复方
面有巨大的应用潜力 .
砷污染是一个非常普遍和非常严重的环境问题 .
我国湖南郴州地区等许多矿区和内蒙古 、 贵州等西部
高砷地 区存在大面积的砷污染和砷 中毒问题 . 娱蛤
草超富集功能的发现 , 无疑为解决我 国砷污染的修
复问题提供了一条良好的技术途径 .
据国际上 的报道 , 在正常土壤中普通植物的含
砷量一般不超过 3 m叭沙’ J . 我国谷类作物的含砷背
景值为 0 . 0 7 一 0 . 8 3 m glk g , 豆类为 0
.
0 2 一 0
.
5 6 m g瓜g ,
蔬菜类为 .0 0 01 一 .0 0 39 m g崛 , 木本植物 < 0 . 7 8
m g瓜51 2]
. 因此 娱蛤草的最大含砷量约相当于普通
植物体中大量元素磷的含量 , 比普通植物的含砷量
高数万倍 、 甚至数十万倍 . 从生物学角度考虑 , 砷并
非植物生长 的必需元素 , 而且砷过量时对植物的毒
性极强 , 但娱蛤草却能够吸收并忍耐如此高浓度的
砷 . 娱蛤草 的这一特性 , 对于研究植物 中砷 的吸
收 、 运转 、 耐性和解毒机理等生理 、 生化特点均有重
要的学术价值 .
3 结论
本研究发现并证明娱蛤草是一种砷 的超富集植
物 . 娱蛤草对砷的耐性和富集能力极强 (尤其是人工
栽培时其富集能力更强 ) , 而且所吸收的砷很容易转
移到地上部 , 同时它还具有生长快 、 生物量大 、 地理
分布广和适应性强等特点 , 因此在砷污染土壤的修
复和植物学研究中具有重要价值 .
致谢 中国科 学院植物研究所张宪春研究员和湖南师范
大学杨一光教授协助植物鉴定工作 , 在此表示感谢 . 本工
作为国家 自然科学基金 (批准号 : 49 941 0 3 , 40 71 07 5) 、 中国
科学院知识创新工程重要方向(专题号 : K Z C XZ 一40 1一0 2) 和 国
家重点基础研究发展规划 (批准号 : G 19 9 01 1808 )资助项目 ,
参 考 文 献
I 吴启堂 , 陈同斌 . 陆地生态系统中重金属的迁移转化及其模拟
软件 . 北京 : 中国农业科学技术出版社 , 19 97 . 189
2 韦朝阳 , 陈同斌 . 重金属超富集植物及植物修复技术研究进展 .
生态学报 , 2 0() l , 2 1 ( 7 ) : 1 ] 9 6 一 1 2 03
3 rK
a m e r U
,
C o t e r
一
H o w e l l s J D
,
C h a r n o e k J M
,
e t a l
.
F r e e h i s t id in e
a s a m e t a l e h e l a t o r i n P lan t s t h a t ac e u m u l a t e n i c k e l
.
N a ut r e
,
19 9 6
,
3 7 9 ( 6 5 66 ) : 6 3 5 一 6 3 8
4 T a n g S R
,
iW lk
e B M
,
H u an g C 丫 T h e u P tak e o f e o P P e r b y P l an t s
d o nu
n an t ly g r o w i n g o n e o P Pe r n
n i n g s P o i l s a l o n g ht e aY
n g tz e
R i v e r
,
ht e P e o P l e
一
5 R e Pu b l i c o f C h i n a
.
Pl an t a n d 5 0 11
,
19 9
,
2 09 :
2 2 5 ~ 2 3 2
5 B ak
e r A J M
,
R e e v e s R D
,
H aj ar A S
.
H e a v y m e t a l a e e u m u l a it o n
an d t o l e r an e e i n B ir t i sh P o P u liat
o n s o f ht e m e tal l
o Ph yte hT l
a sP i
ca e ru l e s e en s J & C
.
R℃ 5 1 ( B
~ caI ea
e)
.
N e w 外 )勿 1、 19 94 , 12 7 :
6 1 ~ 6 8
6 M a L Q
,
K e n n e t h M K
,
T u C
,
e t al
.
A fe rn ht at h yP
e r a c e u m u l a t e s
ar s e n i e
.
N a tu re
,
2 0() l
,
40 9 ( 6 8 2 0 )
: 57 9
7 P a g e A L
,
iM l l
e r R H
,
K e e n e y D R
.
M e ht o d s o f S o i l A n al y s i s
.
Part
2— C h e而e al an d M i e r o b i o l o g i e ia rP o P e rt i e s . Z n d e d . A S A -
S S S A P u b
,
19 8 2
.
3 8 5 一 4 0 2
8 L i eb i g G F F
.r
iA
s e n i e
.
In : C h aP m an H D
,
e d
.
D i a gn
o s it e C ir t e ir a
fo
r P l an t s an d 5 0 115
.
eT
x a s : Q u a l i ty irP
n it n g C o m Pan y I
n c
,
19 7 3
.
13 ~ 2 3
9 B ak
e r A J M
,
B r o o k s R R
.
eT r
e s itr a l hi g h e r P lan t s w 址 e h
h yP
e r a e c u m u l a te m e ta l五e e l e m e n t s— a re v i e w o f ht e i r d i s itr bu -
t i o n
,
e e o l o g y an d Ph yt o e h e 而s tr y . B i o r e c o v e r y , 19 8 9 , l : 8 1 一 1 26
10 中国科学院中国植物志编辑委员会 中国植物志 〔第三卷第一
分册 ) . 北京 : 科学出版社 , 19 90 . 37
1 1 K a b at a
一P e n d i a s A
,
P e n d i a s H
.
T r ac e E l e m e n t s in 5 0 115 a n d P l an t s
.
B o c a R a to n : C R C P r e s s
,
19 9 1
.
2 0 3 一 2 0 9
12 廖自基 . 环境 中微量重金属元素的污染与危害 . 北京 : 科学出
版社 , 19 8 9 . 10 1 一 13 8
( 2 0 1
一 1 2
一
0 5 收稿 , 2 0 0一 12 一 28 收修改稿 )
WWW
.
S O IC h i n a
.
C O m