植物修復(fù)

世界上大多數(shù)的工業(yè)國家都面臨嚴重的重金屬污染問題，因此開發(fā)有效的植物修復(fù)法，清除環(huán)境中的過量重金屬已是刻不容緩的事情。人們平時看到的極不起眼的植物可以生長在重金屬污染的土地上，且扮演超級清道夫的角色，環(huán)境逆境來臨時，唯有透過生物多樣性的維護，才能確保生物生生不息及地球的永續(xù)發(fā)展。

美國紐澤西州利用植物修復(fù)的方法，把一處因制造電池而導(dǎo)致鉛污染的土地復(fù)育成功。透過了解植物在重金屬環(huán)境下的生存策略，有助于人類利用生物科技制造出可以大量吸收重金屬的植物。阿拉伯芥與水稻兩種模式植物的基因密碼已完成定序，加上目前已開發(fā)出的生物芯片，未來將有助于研究人員尋找植物中受重金屬誘導(dǎo)而表現(xiàn)的基因。此外藉由大規(guī)模搜尋阿拉伯芥突變株中被破壞的每一個別基因，也可使研究人員真正了解究竟那些基因與植物在重金屬逆境下的生長有關(guān)。當(dāng)然從其它模式生物如細菌及酵母菌，甚至高等哺乳動物系統(tǒng)所獲得的信息也是很有幫助的。

基本上可以有效清除重金屬污染的植物，最好須有下列特征：生長快速、根系能深植土壤、容易收割、能夠容忍并累積多樣化重金屬。藉由這些分子生物學(xué)的方法所得到的結(jié)果，除了有助于人們了解植物在重金屬逆境下的生存策略外，未來也可應(yīng)用于生物科技產(chǎn)業(yè)，幫助人們開發(fā)可大量累積重金屬的植物新品種，供作植物修復(fù)用。

有關(guān)植物修復(fù)的研究工作，主要是以下述兩種策略進行，首先是藉由在植物體中大量表現(xiàn)，已存在于體內(nèi)且和聚積重金屬有關(guān)的單一基因，促使植物累積重金屬的能力增強。另一種方法則是將一整套外來的，參與重金屬代謝、吸收及累積途徑的所有酵素，利用基因轉(zhuǎn)殖的方式送進植物體內(nèi)。

藉由生物科技的興起，科學(xué)家將能利用基因轉(zhuǎn)殖的方式，在植物中導(dǎo)入和重金屬耐受性與聚積性有關(guān)的基因，創(chuàng)造出可抵抗且累積多種重金屬的轉(zhuǎn)殖植物，供作植物修復(fù)用，以解決目前工業(yè)國家中嚴重的重金屬污染問題。當(dāng)然，未來實際應(yīng)用這些轉(zhuǎn)殖植物，來凈化遭重金屬污染土地的同時，仍需謹慎評估基因改良植物對生態(tài)環(huán)境的沖擊。

目前已經(jīng)有許多利用基因轉(zhuǎn)殖技術(shù)成功生產(chǎn)抗重金屬植物的例子，例如以色列的研究人員在煙草中加入具輸送功能的基因（transporter），使煙草可以生長在含有高濃度鎳的環(huán)境下。另外西班牙的研究人員則在阿拉伯芥中轉(zhuǎn)殖可以受鎘誘發(fā)，進而影響植物體內(nèi)谷胱甘肽（glutathione）濃度的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)殖植株可以生長在含高濃度鎘的環(huán)境下，并且將鎘累積在葉片中。

在日本及新西蘭，有研究人員把一些受鋁誘發(fā)的基因送進植物體內(nèi)表現(xiàn)，結(jié)果確實可使轉(zhuǎn)殖植物生存在高濃度鋁的土壤中。到了2003年，美國的研究人員更把細菌中抗鎘的基因轉(zhuǎn)殖入植物體內(nèi)來加以表現(xiàn)，結(jié)果同樣可以產(chǎn)生抵抗并累積高濃度鎘的植株。因此，除了利用天然的重金屬高聚積植物進行植物修復(fù)外，基因轉(zhuǎn)殖植物將是未來植物修復(fù)工作的明日之星。

植物修復(fù)在中國，從1999年開始，在國家“863”計劃、“973”計劃和國家自然科學(xué)基金重點項目的支持下，地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心研究員陳同斌帶領(lǐng)的研究組篩選出一種砷超富集植物，解決了砷污染土地植物修復(fù)技術(shù)中的一系列關(guān)鍵難題，在國際上建立了第一個砷污染土地的植物修復(fù)示范工程，并先后在廣西河池和云南紅河州開始推廣應(yīng)用。此外關(guān)于水體污染植物修復(fù)技術(shù)（漂浮植物修復(fù)技術(shù)）的研究工作也在推行之中。

植物修復(fù)堿蓬

堿蓬可以在鹽堿化土壤上繁茂生長，能有效降低土壤表層鹽量，增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤中N、P、K的含量。在未完全脫離海水的高鹽的潮灘上有機質(zhì)越來越多，加速了潮灘的土壤化過程，因此被譽為鹽堿地改造的“先鋒植物”。此外，堿蓬對重金屬也有一定的吸收作用，還可以用來處理含鹽養(yǎng)殖廢水。堿蓬對常見金屬Cu、Zn、Pb、Cd均具有累積作用，體內(nèi)含量均高于潮灘背景值。堿蓬可監(jiān)測環(huán)境中汞的含量，能快速富集水中的鎘類金屬，清除酚類。

植物修復(fù)浮萍

浮萍在我國有4個屬，分別事多根紫萍、少根紫萍、綠萍和蕪萍，常分布于相對平緩的水面，如水田、水塘、湖泊和水溝等。浮萍的生長能吸收空氣中的二氧化碳，可減輕溫室效應(yīng)。且凈化污水的作用比微生物還顯著，對水體中TN、TP的總?cè)コ矢摺８∑紝τ卸驹谻d等能通過螯合和液泡的區(qū)室化等作用來耐受并吸收富集環(huán)境中的重金屬。

植物修復(fù)水葫蘆

水葫蘆有發(fā)達的根系，生長迅速，具有大量吸收污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)和凈化重金屬、有機污染等積極的生態(tài)效應(yīng)。有報道，在適宜的條件下，一公頃水葫蘆可以將800人排放的氮磷元素當(dāng)天吸收掉。水葫蘆還能從污水中除去鎘、鉛、汞、鉈、銀、鈷、鍶等重金屬元素，且對酚、氰、油的清除率也很高，能夠大量吸收營養(yǎng)鹽，對改善水質(zhì)、治理水體富營養(yǎng)化具有一定作用。

植物修復(fù)苦草

在苦草生長的地方，浮游生物、細菌和絲狀藻生物量降低。研究認為，苦草生物量越大，對藻類的抑制作用也越大，致使水體正磷酸鹽、溶解有機碳和總懸浮物含量減少，透明度增加?？嗖萦锌刂坪锤粻I養(yǎng)化、恢復(fù)沉水植物生態(tài)系統(tǒng)的作用。此外，一些研究表明，苦草的根對重金屬汞有較強的吸收能力，因此可用于監(jiān)測環(huán)境中重金屬汞的污染。苦草也可用于有機氯污染的生物監(jiān)測。

目前現(xiàn)有的環(huán)境污染土壤修復(fù)技術(shù)通常采用物理和化學(xué)方法，如排土壤埋法、稀釋法、淋洗法、物理分離法和穩(wěn)定化及化學(xué)法等。成本高，難于管理，易造成二次污染，且對環(huán)境擾動大。近年來生物修復(fù)技術(shù)因其成本低，適合大規(guī)模的應(yīng)用，利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的保持，對污染地景觀有美學(xué)價值，對環(huán)境基本沒有破壞作用，從而引起了公眾及科學(xué)界的廣泛興趣。生物修復(fù)技術(shù)包括植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)和微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

植物修復(fù)定義

植物修復(fù)指直接利用植物把受污染土地或地下水中的污染物（重金屬、有機物等）移除、分解或圍堵的過程。目前普遍認為利用植物修復(fù)的方法，來清除受重金屬污染的土地，是一種較便宜且方便的作法，甚至有科學(xué)家指出，可利用植物的這種特性開采土壤中的金屬礦物。

植物修復(fù)優(yōu)點

植物修復(fù)技術(shù)屬于原位修復(fù)技術(shù)，其成本低、二次污染易于控制，植被形成后具有保護表土、減少侵蝕和水土流失的功效，可大面積應(yīng)用于礦山的復(fù)墾、重金屬污染場地的植被與景觀修復(fù)。

植物修復(fù)缺點

植物修復(fù)技術(shù)主要依賴于生物進程， 與 一些常用工程措施相比見效慢，修復(fù)耗時長。 對于深層污染的修復(fù)有困難，由于氣候及地質(zhì)等因素使得植物的生長受到限制，存在污染物通過“植物—動物”的食物鏈進入自然界的可能。

植物修復(fù)具有成本低、不破壞土壤和河流生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)點。自20世紀90年代以來，植物修復(fù)成為環(huán)境污染治理研究領(lǐng)域的一個前沿性課題。

植物修復(fù)過程中可以具體分為5種：

phytoextraction植物提取修復(fù)

phytovolatilization植物揮發(fā)修復(fù)

phytostabilisation植物固定修復(fù)

phytotransformation植物轉(zhuǎn)化修復(fù)

rhizosphere bioremediation根圈的植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)植物提取修復(fù)

又稱植物萃取技術(shù)，種植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物質(zhì)并運移至植物地上部，通過收割地上部物質(zhì)帶走土壤中污染物的一種方法。植物提取作用是目前研究最多，最有發(fā)展前景的方法。該技術(shù)利用的是一些對重金屬具有較強忍耐和富集能力的特殊植物。要求所用植物具有生物量大、生長快和抗病蟲害能力強的特點，并具備對多種重金屬較強的富集能力。此方法的關(guān)鍵在于尋找合適的超富集植物和誘導(dǎo)出超級富集體。

植物修復(fù)植物揮發(fā)修復(fù)

通過植物蒸發(fā)作用將揮發(fā)性化合物或者新陳代謝產(chǎn)物釋放到大氣的過程。羥基是光化學(xué)循環(huán)中形成的一種氧化劑，地下環(huán)境中許多難處理的有機化合物進入大氣后可很快與羥基氫氧基產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。然而，將污染物從土壤或地下水轉(zhuǎn)移到大氣中并不容易。植物中的硝酸鹽還原酶和樹膠氧化酶可分解藥廢棄物如TNT，并將降解后的環(huán)形結(jié)構(gòu)物結(jié)合到新的植物組織或有機碎片中，成為有機物質(zhì)的組成部分，從而達到去毒的目的。去毒機制是將母體化合物轉(zhuǎn)化為無植物毒性的新陳代謝產(chǎn)物存在植物器官中。對酶作用途徑和產(chǎn)物的深入研究無疑會豐富和發(fā)展現(xiàn)有的植物修復(fù)理論。

植物修復(fù)植物固定修復(fù)

原理：利用植物根際的一些特殊物質(zhì)使土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為相對無害物質(zhì)的一種方法。

植物在植物穩(wěn)定中主要有兩種功能：

1.保護污染土壤不受侵蝕，減少土壤滲漏來防止金屬污染物的淋移;

2.通過金屬根部的積累和沉淀或根表吸持來加強土壤中污染物的固定。

應(yīng)用植物穩(wěn)定原理修復(fù)污染土壤應(yīng)盡量防止植物吸收有害元素，以防止昆蟲、草食動物及牛、羊等牲畜在這些地方覓食后可能會對食物鏈帶來的污染。

然而植物穩(wěn)定作用并沒有將環(huán)境中的重金屬離子去除，只是暫時將其固定，使其對環(huán)境中的生物不產(chǎn)生毒害作用，但并沒有徹底解決環(huán)境中的重金屬污染問題。如果環(huán)境條件發(fā)生變化，重金屬的生物可利用性可能又會發(fā)生改變。因此，植物固定不是一個很理想的修復(fù)方法。

植物修復(fù)植物轉(zhuǎn)化修復(fù)

原理：植物轉(zhuǎn)化也稱植物降解(Phytodegradation)，指通過植物體內(nèi)的新陳代謝作用將吸收的污染物進行分解，或者通過植物分泌出的化合物（比如酶）的作用對植物外部的污染物進行分解。植物轉(zhuǎn)化技術(shù)使用于疏水性適中的污染物，如BTEX，TCE，TNT等軍用排廢.對于疏水性非常強的污染物，由于其會緊密結(jié)合在根系表面和土壤中，從而無法發(fā)生運移.對于這類污染物，更適合采用之后提到的植物固定和植物輔助生物修復(fù)技術(shù)來治理。

植物修復(fù)根圈的植物修復(fù)技術(shù)

又稱植物刺激技術(shù)、植物輔助修復(fù)技術(shù)，或根圈降解技術(shù)。

原理：通過植物的吸收促進某些重金屬轉(zhuǎn)移為可揮發(fā)態(tài)，揮發(fā)出土壤和植物表面，達到治理土壤重金屬污染的目的。有些元素如Se、As和Hg通過甲基化揮發(fā)，大大減輕土壤的重金屬污染。如B.Juncea能使土壤中的Se以甲基硒的形式揮發(fā)去除。

還有的研究表明煙草能使毒性大的二價汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的零價汞。Rugh等將細菌的汞還原酶基因轉(zhuǎn)入Arabidopsistfialiana中，發(fā)現(xiàn)該植物對HgCl2的抗性和將Hg2 還原為Hg的能力明顯增強。這一方法只適用于揮發(fā)性污染物，植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕環(huán)境害。由于這一方法只適用于揮發(fā)性污染物，應(yīng)用范圍很小，并且將污染物轉(zhuǎn)移到大氣和（或）異地土壤中對人類和生物又一定的風(fēng)險，因此，它的應(yīng)用將受到限制。

植物修復(fù)過程中可以具體分為5種：

phytoextraction植物提取

phytostabilisation植物固定

phytovolatilization植物揮發(fā)

phytoinfiltration植物過濾

phyto-enhanced degradation植物加強的降解作用

本書介紹了植物修復(fù)及其相關(guān)的基本概念、重金屬植物與超積累植物、植物修復(fù)的基本原理與方法、植物修復(fù)的影響因素及瓶頸問題、放射性核素污染環(huán)境的動植物修復(fù)、核分析手段在植物修復(fù)與植物過濾領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用等內(nèi)容。

原理: 借助植物羽狀根系所具有的強烈吸持作用, 從污水中吸收, 濃集, 沉淀金屬或有機污染物.

植物根系可以吸附大量的鉛, 鉻等金屬. 另外也可以用于放射性污染物, 疏水性有機污染物(如三硝基甲苯TNT)的治理.

進行根濾作用所需要的媒介以水為主. 因此根濾是水體, 淺水湖和濕地系統(tǒng)進行植物修復(fù)的重要方式, 所選用的植物也以水生植物為主.