黑 亮

(水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州 510611)

重金屬元素廣泛分布于巖石、土壤、動(dòng)植物組織中，通常情況下它們?cè)谡；铙w組織中的濃度很低，并且能維持在一定的濃度范圍內(nèi)。隨著世界工礦業(yè)的迅速發(fā)展，由于含重金屬廢水用來灌溉農(nóng)田、全球城市化進(jìn)程發(fā)展以及急劇增加的交通工具的釋放等因素，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr等重金屬進(jìn)入周圍的土壤環(huán)境［1－3］。當(dāng)土壤中重金屬一旦積累到一定程度，引起污染時(shí)，將直接影響土壤中生物體的重金屬離子含量而間接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡，進(jìn)而通過食物鏈的傳遞危害人體健康。

目前，通過大量的生物毒性試驗(yàn)，推測(cè)重金屬使生物中毒的分子機(jī)制可能是由重金屬與生物大分子相互作用而造成的。金屬離子可替換生物大分子活性點(diǎn)位上原有的金屬，也可結(jié)合在該分子的其他位置［4］。重金屬可以通過生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生自由基而導(dǎo)致細(xì)胞的氧化損傷;另外，重金屬還可以與活性蛋白的巰基或酶的活性中心結(jié)合，致使酶活性喪失，干擾細(xì)胞正常生理和代謝［5］。

重金屬污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)利用生物體本身形成的適應(yīng)環(huán)境機(jī)制。植物修復(fù)技術(shù)是以植物體內(nèi)可超量累積某種或某些污染物的理論為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一門近年興起的高效、廉價(jià)綠色技術(shù)。目前，這種應(yīng)用技術(shù)在國內(nèi)外取得長(zhǎng)足的進(jìn)步［6－7］。然而，由于該項(xiàng)技術(shù)的起步時(shí)間不長(zhǎng)，還需在基礎(chǔ)理論和修復(fù)機(jī)理等方面進(jìn)行大量研究，才能更好地推動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，因此研究植物修復(fù)重金屬污染機(jī)制顯得更加重要。

1 利用植物修復(fù)技術(shù)治理重金屬污染土壤的機(jī)制

可修復(fù)重金屬污染土壤的植物根系可以活化土壤重金屬，并對(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸收能力。其次，植物吸收的重金屬易于向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。另外，重金屬可以在地上部分積累［8－9］。Baker［10］認(rèn)為，植物對(duì)重金屬抗性的獲得可通過避性和耐性2種途徑。這2種途徑并不排斥，往往能統(tǒng)一作用于一種植物上;耐性又具備2條基本途徑，即金屬排斥性和金屬積累。耐性是指植物體內(nèi)具有某些特定的生理機(jī)制，體內(nèi)雖具有較高濃度的重金屬，卻能生存于高含量的重金屬環(huán)境中而不受傷害。因此，可通過研究植物的耐性機(jī)理來揭示植物修復(fù)的本質(zhì)。目前，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)可分為植物穩(wěn)定(Phytostabilization)、植物揮發(fā)(Phytovolatilization)、植物提取(Phytoextraction)3 種類型［11］。

1.1 植物穩(wěn)定 植物穩(wěn)定是利用耐重金屬植物降低土壤中有毒金屬的移動(dòng)性，減少金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性［12－13］。研究表明，印度芥菜(B.juncea)的根能使有毒的生物有效的Cr6+還原為低毒的、無生物有效性的Cr3+［12］;一些植物可以降低土壤中Pb的生物有效性，緩解Pb對(duì)環(huán)境中生物的毒害作用［14－15］。植物還可通過根部分泌質(zhì)子酸化土壤來溶解金屬，低pH可以使與土壤結(jié)合的金屬離子進(jìn)入土壤溶液，改變污染物的化學(xué)形態(tài)。在此過程中，根際微生物也可能發(fā)揮作用，以微生物為媒介的腐殖化作用可能會(huì)提高金屬的植物可利用性［16］。

1.2 植物揮發(fā) 植物揮發(fā)是利用植物的吸收、積累和揮發(fā)而減少土壤中一些揮發(fā)性污染物，將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中［17］。汞(Hg)在環(huán)境中以多種狀態(tài)存在，其中以甲基汞對(duì)環(huán)境危害最大，且易被植物吸收。一些耐Hg毒的細(xì)菌體內(nèi)含有一種Hg還原酶，催化甲基汞和離子態(tài)Hg轉(zhuǎn)化為毒性小得多、可揮發(fā)的單質(zhì)Hg。有研究已成功地將細(xì)菌的Hg還原酶基因轉(zhuǎn)導(dǎo)入擬南芥(Arabidopsis thaliana)中，獲得的轉(zhuǎn)基因植物的耐Hg毒能力大大提高，而且能將從土壤中吸收的Hg還原為揮發(fā)性的單質(zhì)Hg［18］。

1.3 植物提取 植物提取(Phytoextraction)是指利用重金屬超積累植物從土壤中吸取一種或幾種重金屬，并且將其轉(zhuǎn)移、貯存到地上部分，隨后收割地上部分，并且集中處理，連續(xù)種植這種植物，即可使得土壤中重金屬含量降低到可接受水平［19－20］。屬于這類研究最多的是超積累植物。超積累植物是指對(duì)重金屬元素的吸收量超過一般植物100倍以上的植物。超積累植物積累的 Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量一般在0.1%以上，積累的Mn、Zn含量一般在1%以上［21］。超積累植物修復(fù)機(jī)理研究主要是因?yàn)橹亟饘倥c植物體內(nèi)部物質(zhì)的絡(luò)合作用。小分子有機(jī)物質(zhì)、金屬螯合蛋白都能螯合重金屬，其中金屬螯合蛋白對(duì)重金屬的螯合能力遠(yuǎn)大于GSH和檸檬酸鹽［22］。近幾年，對(duì)金屬螯合蛋白的研究有很大發(fā)展。1.3.1 金屬硫蛋白(MTs)。在動(dòng)物、高等植物、真核微生物和一些原核生物中發(fā)現(xiàn)的重金屬結(jié)合肽(如 Metallothioneins，MTs)，是一類低分子質(zhì)量富含半胱氨酸(Cys)、但不含芳香族氨基酸和組氨酸的蛋白質(zhì)［23］。重金屬結(jié)合肽的巰基對(duì)重金屬的親和力大，對(duì) Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Ag 陽離子等多種重金屬都有螯合作用。在低pH下MTs可脫掉金屬，使得50%的金屬離子發(fā)生解離的pH分別為Zn－MT，pH 3．5～4．5;Cd－MT，pH 2．5～3．5;Cu－MT 的pH 低于1。金屬硫蛋白分子中有很強(qiáng)的抗熱性和抵抗蛋白酶消化的能力［21］，其三級(jí)結(jié)構(gòu)有α、β 2個(gè)結(jié)構(gòu)域，α結(jié)構(gòu)域優(yōu)先結(jié)合Cd2+和Hg2+，β 結(jié)構(gòu)域優(yōu)先結(jié)合 Cu2+［25］。有研究表明，將小鼠 αα突變體的基因轉(zhuǎn)入煙草中，αα基因可在煙草中表達(dá)，提高煙草對(duì)Cd2+的耐性［26］。在動(dòng)物體內(nèi)，已經(jīng)分離出MTs的2個(gè)α、β 結(jié)構(gòu)域［27－28］。

1.3.2 植物螯合肽(PCs)。植物體內(nèi)另一種重要的金屬結(jié)合蛋白是1985年Grill等分離、純化得到鎘結(jié)合肽PCs，正式命名為植物螯合肽(Phytochelatin，即PC)，廣泛存在于許多單子葉植物、雙子葉植物、裸子植物，在藻類植物中也發(fā)現(xiàn)有PCs的存在［29－30］。Grill等［29］研究表明，PC 由 Glu、Cys、Gly 3種氨基酸組成，一般化學(xué)式為(γ－Glu－Cys)n－Gly(n=2～11)。同源PC［27］是指某些植物與重金屬接觸，可產(chǎn)生一系列與PC結(jié)構(gòu)相似又不同的化合物。PC種類依物種和誘導(dǎo)的重金屬種類的不同而不同。研究表明，PCs在體外可通過巰基與大量金屬離子結(jié)合后分離出Cd、Cu、Ag的金屬絡(luò)合物。PC與Cd絡(luò)合物分子大小不同，有低分子量(LMW)和高分子量(HMW)復(fù)合物2類，在植物體行使不同的功能。LMW復(fù)合物在HMT1(Heavy metal tolerance 1)作用下從細(xì)胞質(zhì)向液泡中轉(zhuǎn)運(yùn)，是Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)形式;HMW復(fù)合物在液泡中比較穩(wěn)定，比LMW復(fù)合物對(duì)Cd2+的結(jié)合能力大，是Cd2+在液泡中積累的主要形式。Kneer等［31］運(yùn)用109Cd示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，一系列對(duì)金屬敏感的酶如硝酸還原酶、脲酶、過氧化物酶等對(duì)PC－Cd的耐性是自由Cd2+離子的10～1 000倍。因此，植物體內(nèi)PC與Cd2+的絡(luò)合保護(hù)了酶的活性，從而保證細(xì)胞正常代謝的順利進(jìn)行。植物螯合肽絡(luò)合金屬離子時(shí)將過量的金屬離子貯存于液泡中，并且將金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)至新的合成酶［32］。

2 與重金屬抗性相關(guān)的基因

2.1 金屬硫蛋白(MTs)基因

2.1.1 生物合成。MTs是直接由基因編碼合成的。選取基因組最簡(jiǎn)單的植物擬南芥，可按照MT基因序列相似性和與其他植物中MT基因的相關(guān)性分為4個(gè)種類。幾種MT都包括2 種基因類型(MT3 除外)，即 MT1a、MT1c、MT2a、MT2b、MT3、MT4a、MT4b［33］。玉米中具有 MT1 和 MT4 的編碼基因。重金屬處理MT基因時(shí)即可表達(dá)，先轉(zhuǎn)錄成RNA，然后由RNA翻譯成特定的蛋白質(zhì)執(zhí)行一定的解毒功能。研究表明，當(dāng)用Cu2+處理擬南芥幼苗時(shí)，MT2aRNA增加，這種誘導(dǎo)機(jī)制已由其他MT基因證明。對(duì)一些突變體的研究也間接表明MT基因可編碼MTs蛋白。

2.1.2 環(huán)境調(diào)控。在一定的環(huán)境條件下，金屬離子可誘導(dǎo)MT基因的表達(dá)。在逆境條件下，如熱激、缺鐵、鋁脅迫、病毒侵染和機(jī)械傷害等，都可誘導(dǎo)RNA表達(dá)。激素(包括糖皮脂激素、脂高血糖素和腎上腺素等)可誘導(dǎo)金屬硫蛋白的合成［34］。還有一些MTRNAs表達(dá)在胚胎發(fā)育期，果實(shí)成熟期或葉片衰老期有所增加。

2.2 植物螯合肽(PCs)基因

2.2.1 生物合成。大量的生理、生化和基因試驗(yàn)證明，PCs可能是以GSH為底物生物合成的產(chǎn)物。當(dāng)向細(xì)胞培養(yǎng)液中加入金屬離子，PC的合成與GSH的減少相一致;向完整植株或細(xì)胞培養(yǎng)液中加入GSH合成抑制劑BSO(Buthioninesulfoximine)，它對(duì)Cd的敏感性增加和PC生物合成受抑制相吻合。對(duì)加入BSO的細(xì)胞培養(yǎng)液再添加GSH，可以增加PCs的合成和細(xì)胞耐Cd性。這表明PCs由GSH合成［33］。

2.2.2 離子調(diào)控。由于酶的活性可被金屬離子誘導(dǎo)，PCs的生物合成能被金屬離子激活。當(dāng)在植物組織培養(yǎng)液中加入微量重金屬元素時(shí)，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生少量PCs，其中Cd2+對(duì)PCs的影響最大。有研究人員用細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)來研究金屬對(duì)PC 合成的誘導(dǎo)能力，發(fā)現(xiàn) Cd2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Sn2+、Sb3+、Te4+、W6+、Au+、Hg2+、Pb2+、Bi3+和 Se 陰離子均可誘導(dǎo)PCs合成。當(dāng)激活劑金屬離子濃度下降如金屬離子被生成的PCs或外加的金屬螯合劑(如EDTA)螯合時(shí)，PCs合成就會(huì)停止。這可能為PCs生物合成提供自我調(diào)控機(jī)制。

3 結(jié)語

目前，我國對(duì)超積累植物的研究尚處于起步階段，亟需對(duì)全國超積累植物資源進(jìn)行調(diào)查、收集和篩選，了解超積累植物在我國的分布，建立超積累植物的資源數(shù)據(jù)庫。在建立植物資源庫的基礎(chǔ)上，對(duì)重金屬污染土壤實(shí)施綜合生物治理措施，以此為目標(biāo)進(jìn)行多學(xué)科的交叉綜合，引入先進(jìn)的分析儀器和技術(shù)手段深入開展超積累植物吸收重金屬的機(jī)制研究。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，植物修復(fù)的機(jī)理研究可為推動(dòng)修復(fù)技術(shù)走向?qū)嵱没於ㄒ欢ǖ睦碚摶A(chǔ)。利用新的更好的抵抗重金屬或降解有機(jī)毒物的基因鑒定和克隆植物品種，并且通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)造一批新的植物品種來帶動(dòng)植物修復(fù)技術(shù)的巨大進(jìn)步。例如，可利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，大量、迅速培育富集重金屬的高生物量的凈化環(huán)境的植物以及生產(chǎn)可排拒重金屬吸收的糧食、蔬菜和水果等作物。將植物耐重金屬的機(jī)理研究用于篩選重金屬超積累植物，具有重要意義。

植物修復(fù)技術(shù)是土壤重金屬治理的一種經(jīng)濟(jì)有效、去污凈化的綠色方案。通過植物修復(fù)技術(shù)，一方面可以回收金屬而保存具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，另一方面可以使土壤保持結(jié)構(gòu)和微生物的活性。這是一種高效經(jīng)濟(jì)、環(huán)保廉價(jià)、頗具吸引力的原位修復(fù)技術(shù)。我國作為發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，土壤重金屬污染現(xiàn)狀不容樂觀［35］。這種通過綠色植物富集環(huán)境中的有害物質(zhì)并經(jīng)生物轉(zhuǎn)化而解毒的技術(shù)毋庸置疑將成為我國生態(tài)環(huán)境、植物生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的新的研究前沿。

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