全 文 ：　文章编号 :100028551 (2000) 0520315206
重金属的植物修复 ———绿色清洁
的污染治理技术
王校常　施卫明　曹志洪
(中国科学院南京土壤研究所土壤圈物质循环开放实验室　江苏 南京　210008)
摘 　要 :本文对植物修复技术进行了综合评价。植物修复技术可以应用在所有污染物
的治理上 ,特别适合土壤重金属污染、放射性废物污染的治理。与其它治理方法相
比 ,植物修复技术是广谱的原位处理技术 ,是廉价、绿色、清洁、环保的治理技术 ,应用
前景广阔。
关键词 :植物修复 ;重金属 ;污染治理
收稿日期 :1998211209
基金项目 :国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999 0118) 、国家自然科学基金 (39700083)
作者简介 :王校常 (1964～) ,男 ,浙江新昌人 ,理学博士 ,中科院南京土壤所副研究员 ,从事土壤修复方面的研究
植物修复是指利用绿色植物来清除环境中的污染物。植物修复技术 ( Phytoremediation)
是指植物在土壤整治和废水处理工程上的应用 ,是一种新的原位治理技术 ,也是继生物修复技
术概念提出后的又一新技术 ,它属于生物修复的范畴。植物修复的机理主要是植物对污染物
的吸收积累和降解转化作用。对重金属的治理主要是利用超积累植物来治理。目前已有多次
有关植物修复技术国际学术讨论会及学术专著。美国 ICB 公司近年来每年组织 1 次有关植
物修复的国际学术讨论会。1997 年在日本召开的第 13 届世界植物营养学大会上专门举办了
有关植物修复的研讨会。在美国召开的第 4 届微量元素的生物地球化学国际会议上也有植物
修复的议程[1 ] 。美国土壤环境健康协会 (AEHS)计划出版专门报道植物修复的国际学术期刊
“Internaional Journal of Phytoremediation”。在国际互联网上有许多专业网点 ,如植物修复技
术讨论组 ,EPA 的植物修复技术论坛等。所有这些都表明植物修复技术的研究是当前国际植
物营养、土壤污染修复治理研究中的一个新热点 ,而国内还没有人专门研究这一问题。由于此
研究刚起步 ,一些问题如植物修复技术所带来的废物在食物链中的传递等还需要进一步研究。
1 　什么是植物修复技术
植物修复技术就是利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染体 (如土壤和
水)中的污染物 ,以期达到清除污染、修复或治理的目的。植物修复技术在 80 年代后期提出 ,
很快便得到了广泛的认同和应用。尽管到 80 年代后期才注重研究这一技术 ,实际上可以回溯
到更早的年代 ,如 50 年代提出的污灌技术及用树木复垦矿山等废弃地。当然 ,那时的考虑重
点不是植物修复功能 ,所以很难确切地说出其起源于何时何地。
用来进行植物修复的植物几乎包括所有的高等植物 ,如野生的草、蕨等植物以及栽培的树
513　核 农 学 报　2000 ,14 (5) :315～320Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
木、草皮、作物和蔬菜等。通常根据污染物的类型、污染位点特征 (水体或土壤) 、植物的生物学
与生物化学特征及其降解固定吸收污染物的能力来选择合适的植物进行污染位点的植物修
复。在绝大多数情况下 ,能用作植物修复处理的植物应在污染和非污染的土壤或水体环境下
都能正常生长 ,并没有明显的生长抑制现象。用超积累植物来治理重金属污染的土壤 ,如果植
物生长受到明显抑制 ,则其去除污染能力便受到怀疑。
2 　植物修复的主要机理
无机污染物的植物修复机理主要包括以下几个方面 :
(1)植物提取 (phytoextraction) :即利用重金属超积累植物的高吸收、高富集特性吸收土壤
中的重金属或者放射性元素 ,并在地上部大量富集 ,用常规的农业生产技术收获植株 ,从而达
到清除污染的目的。
(2)根际过滤 ( rhizofilt ration) :指利用超积累植物的富集特性 ,在根系或体内浓缩 (富集)
污染水体 (如池溏、河流)中的金属污染物 ,达到污水处理的效果。效果与植物提取一样 ,差别
则是一个是水体 ,一个是土壤。对于用作根际过滤的植物其累积不一定要集中在茎叶 ,可以在
根系 ,而且不一定要吸收 ,能在根系沉积同样有效。
(3)植物蒸发 (phytovolatization) :即植物吸收土壤中的易挥发性金属元素如汞、硒等 ,利用
蒸腾作用通过叶片将其蒸发 ,从而清除土壤中的金属污染。有关硒的植物蒸发已有大量的研
究报道。
此外还有植物固定 (phytostabilization) ,由于其作用与治理效果有些差距 ,故目前很少有
研究报道。当然 ,植物修复也可应用到水体的富营养化治理上 (磷、NO -2 等) ,其机理则主要是
吸收积累作用。
尽管无机污染物的植物修复可能牵涉到上述 3 种机理 ,但其所用植物必须是耐重金属毒
害的植物。
有机污染物的植物修复机理主要包括积累作用、降解转化作用和催化作用。
(1)积累作用 (phytoextraction) :植物在体内吸收累积有机污染物。
(2)降解转化作用 (phytotransformation) :植物大量吸收利用土壤中的有机污染物 (农药、
油等) ,并在体内降解为无害物质 ,与微生物降解作用类似。
(3)催化作用 (phytostimulation) :植物分泌特定的根系分泌物 (酶、蛋白质、糖类等) ,促使土壤
中的有机物容易被土壤中的微生物降解 ,促进特定的土壤微生物生长 ,加速有机物的降解。
作为植物修复处理污染物的特定植物 ,其作用机理可以是上述 3 种的 1 种 ,也可以是 2 种
或 3 种共同存在。但有机污染物的植物修复不是本文讨论的重点。
3 　植物修复与生物修复的关系
生物修复最早提出是在 50 年代 ,当初是指用微生物来降解土壤中的有机污染物。植物也
是生物 ,所以从理论上来讲 ,生物修复应当包括植物修复。但由于历史原因 ,目前生物修复不
包括植物修复 ,而特指微生物修复。然而 ,在有机污染物的植物修复中 ,很难区分有无微生物参
与 ,尤其是催化作用 ,则更与生物修复密切相关。所以 ,广义的生物修复包括植物修复 ;狭义的生
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物修复则不包括植物修复。目前所说的生物修复实际上指狭义的生物修复 ,即微生物修复。
4 　重金属的植物提取
前面提到无机污染物 (重金属元素)的植物修复 ,主要是依靠超积累植物来完成。金属超
积累植物是指能够超量吸收并在体内累积重金属或放射性元素的植物。这一概念首先由
Brooks 在 1977 年提出 ,并用在镍的超积累植物上 ,后来由于又发现了更多的其它金属超积累
植物 ,逐渐把这一概念扩大到所有的金属累积植物[2 ] 。
目前 ,已从自然界中筛选到 360 多种重金属超积累植物 ,其中多为十字花科植物 ,以超量
累积镍的为最多 ,约有 150 种左右。作为超积累植物 ,首先是其体内目标重金属浓度要高 ,即
大于某一临界值。对于不同元素 ,由于其含量分布、毒性、土水允许浓度等指标不一 ,其临界标
准也不一样。如对镍而言 ,植株体内镍浓度大于 1000μg/ g DW 是镍超积累植物筛选的临界标
准。而对镉而言 ,则公认 100μg/ g DW 可以作为其筛选的临界标准。另外就是前面提到的累
积 ,主要是指在地上部累积。
对于田间试验的超积累植物 ,则还要求其在污染土壤中生长不受明显的抑制。对于以水
体为目标进行去污处理的超积累植物 ,则对其是否主要累积在地上部的要求不像以土壤为目
标的去污植物那样严格。
目前筛选超积累的方法主要有两种 :一是从自然界中筛选 ;二是利用突变体技术培育新的
植物品种。
411 　从自然界现有资源中筛选
对于自然界中的每一种物质 ,必定有与其相应的、有特别嗜好的或有特别抗性的植物或物
质存在 ,这已被许多事实所证实。同样 ,对于重金属元素必定存在有累积或者抗重金属的生物
存在。通常 ,先到被目标重金属污染的地域去收集有希望的野生植物 ,尤其是矿区 ,然后回实
验室进行筛选。大多数超积累的植物如庭荠属、蓝菜属等属野生型的植物都是通过此方法获
得。所获得的超积累植物虽累积能力高 ,但也存在致命的通病 ,即生长缓慢且生物量小 ,要到
实用阶段还需大量工作。
此外 ,可从已知的栽培品种和植物中筛选 ,油菜、向日葵、白杨等就是这样被发现的 ,这类
植物往往生长快、生物量大、实际应用价值大。目前进行田间试验的植物多是这类植物 ,其主
要特点是累积能力不及野生类。
对于野生类超积累植物 ,为使其实用化 ,目前可采用的方法有 :通过改良育种手段培育新
的植物品种 ,使其既有超积累特性 ,又能生长迅速 ,且生物量大。采用的育种改良方法可以是
杂交、远缘杂交、突变等常规育种技术。这方面工作需要育种学家的参与。由于目前在克隆其
基因上还存在着困难 ,所以改良生物技术还暂时应用不上。
412 　利用突变体技术培育拟南芥超积累植物
由于寻找野生超积累植物的局限性 ,人们开始考虑用突变体育种技术培育超积累植物。
诱变育种已是常规的育种技术之一 ,它可以应用在任何植物上。但从目前来看 ,用诱变技术培
育超积累突变体主要集中在拟南芥突变体的培育上。
选中拟南芥突变体主要理由是 :
首先拟南芥的生长、发育以及对环境胁迫和病虫害的反应等生物学或生理学特性与绝大
713　5 期 重金属的植物修复———绿色、清洁的污染治理技术
多数农作物相似 ,对其研究也比较深入 ;其次是拟南芥个体小、生长周期短 ,容易在实验室或温
室培养 ,并可收获大量种子 ,筛选工作量相对较小。因为突变体选育往往需要大量的种子供筛
选 ,获得目标突变体的几率约在 10 万分之一左右。所以必须考虑到筛选成本和周期等问题 ;
再次是其基因组较小 ,只有 104kb 左右 ,而且其序列已基本清楚。一旦获得目标突变体 ,便能
较容易地把其特性基因分离克隆出来 ,从而用分子生物学手段来培养实用的转基因植株。其
它植物基本上做不到这一点 ,如金属超积累植物 ,尽管其有很强的累积能力 ,但目前仍无法在
实际处理中应用。
目前已从拟南芥中分离出一些重金属超积累或者敏感型突变体 ,其中有铜敏感型、镉敏感
型、锰超积累型等几种突变体[3～5 ] 。中国科学院南京土壤所开放实验室也正在开展这方面的
工作。
筛选超积累突变体的工作程序与常规诱变育种技术一致 ,关键在于找到一种快速的早期的
鉴定办法。Delhaize[6 ]和 Murphy[7 ]分别提出了超积累和敏感型突变体筛选的比较有效的办法。
5 　植物修复的田间试验研究
开展植物修复研究及应用最早、规模最大的国家当数美国。最早成立的从事植物修复的
公司 ( Pnyto. Tech. Inc. )也在美国。到目前为止 ,已有许多植物修复田间试验的例子。在美国
从事植物修复研究并进行了田间试验的主要机构列于表 1。
表 1 　目前用于植物修复的植物及目标污染物 3
植物 污染物 使用地点 研究者 (美国)
印度芥菜 铯 Chernobyl Dr. Ilya Raskin
向日葵 锶 Ukraine Rutgers University
杨树
向日葵
秀去津
铅 Iowa
Dr. Jerald Schnoor
University of Iowa
印度芥菜 铅 Trenton. NJ Dr. Bart Enshey
Phyt . Tech. Inc.
西洋樱草 镍 California Dr. Ilya Raskin
Rutgers University
向日葵 铯锶 Idaho Idaho 国家工程实验室
紫花苜蓿
大豆 铀
Ashtabula.
OH 美国能源部
印度芥菜 硒 California Norman Terry
印度芥菜
油菜
甘蓝
三叶草
镉
锌
铯
锶
Butte. MT Leon Kochian
　　　　　　3 表中数据来自国际互联网
6 　生物技术在植物修复中的应用
现有的野生型超积累植物生物量小 ,这限制了它的实际应用 ,如果能用现代的生物技术克
隆分离出其相关基因 ,然后导入年生物产量很高的植物或作物中 ,培育出新的超积累植物 ,将
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会极大地提高植物修复的能力。
大量的研究结果表明 ,植物对重金属抗性与其体内的植物螯合肽 ( Phytochelatin , PCs) 的
浓度有关[8 ] 。植物体内的植物螯合肽与动物中的金属巯基蛋白 (Metallothionein ,M T) 一样能
与进入体内的重金属离子络合 ,从而使其失活。二者都是重金属胁迫所产生的专一性诱导产
物。植物细胞内螯合肽浓度高 ,其对重金属的急性毒性水平就高 ,并与重金属离子在植物体内
的向上运输有关。导入 M T 或 PCs 基因的烟草或其它植物的试验都表明 ,这些植物对重金属
的抗性明显提高了。
许多超积累植物其对重金属的富集与其体内的组氨酸含量有关[9 ] 。目前已分离克隆出
Cad1 和 Cad2 基因 (镉敏感性基因) 、铁吸收基因、高亲和性锌和铜跨膜转运体基因等 ,所有这
些都为生物工程技术的应用提供了极好的机会。所以生物技术将会在植物修复技术的发展中
占有重要的一席 ,应用前景非常光明。
表 2 　不同修复技术的比较
性质
所用技术
填埋法 化学洗脱 微生物 植物修复
废物转运量 ● △ ○ △
对土壤的扰动度 ● ● ○ ○
对植物分布的影响 ● ● ○ △
污染物淋失潜力 ● △ ○ ○
对毗邻土壤的潜在损害 △ ● ○ ○
对位点条件的敏感性 ○ △ ● ○
对污染物的敏感性 ○ ○ ● △
技术复杂程度 △ ● ● ○
　　　3 　●:高　△:中等　○:低
　3 3 数据来自 Christensen2Kirsh. K. M. (1996 ,in Phytoremediation and wastewater effluent disposat :guidelines for
landscape planners and designers. )
7 　植物修复的经济效益及市场前景
植物修复在最近几年备受科学家的关注 ,主要是因为下面几个优点 : (1) 植物修复技术的
处理费很低 ,与常规的填埋法等相比具有明显的优势 ; (2)植物修复属于原位处理技术 ,具有保
护表土、减少侵蚀和水土流失等功效 ,对环境影响最小 ,是目前最清洁的污染处理技术 ; (3) 与
其他常规方法相比 ,植物修复技术产生的废物量最小 , (4) 植物修复技术能处理的重金属种类
相对较多 ,是一种“广谱”的处理技术。
与其它处理技术相比 (表 2) ,植物修复在总体上是目前所有处理法中最好的。当然 ,它也
有自身的缺陷。一是研究刚刚起步 ,关于通过食物链对人类健康和环境的潜在影响还不是很
清楚 ,需要进一步的研究 ;二是此技术最适宜处理的土壤或水体是污染不太严重的地区 ,例如
环境中的放射性污染物治理等。
表 3 　植物修复与土壤填埋法的经济效益比较
填埋法 植物修复
废物量 30 ,000 ,000kg 1 ,200 ,000kg(生物量)或 120 ,000kg(灰)
成本 35～40 万美元 10～12 万美元
　　数据来自 Phyto . Tech 公司
913　5 期 重金属的植物修复———绿色、清洁的污染治理技术
　　植物修复具有良好的应用前景。据美国知名的咨询公司 D. Glass Associates. Inc 报告 ,
1998 年美国植物修复的市场约为 1165～2195 千万美元 ,到 2000 年估计可达到 3～5 千万美
元 ,到 2005 年可望超过 1 亿美元 ,其市场前景极为看好。
目前 ,登记参加植物修复讨论组的研究人员多达 300 人 ,遍布世界各地。
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PHYTOREMEDIATION OF HEAVY METALS IN SOIL ———A GREEN
AND CL EAN TECHNIQUE
WAN G Xiao2chang 　SHI Wei2ming 　CAO Zhi2hong
( L M CP , Instit ute of Soil Science , China Academy of Sciences , Nanjing Jiangsu Prov . 210008)
果园套贝母　效益长 10 倍
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根据地形条播成行成带播种 ,整个生长过程不能施化学肥料、播种后 ,有条件的农场 ,可以施浇磁化水 ,实践证明 ,用 12000
高斯磁化机处理水源 ,施行磁化水浇喷叶面 ,可使平贝母膨大增产 30 %以上。
41 基本掌握上述要领后 ,有条件的因地制宜实行林、果、粮间作套播平贝母 ,可大幅度提高经济效益。
51 在平贝母成熟或膨大期内 ,应加强看管直到收获入库 ,因其价值高 ,市场售价在 50 元/ kg。
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邮编 :472500
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