土壤中累积过量的砷会抑制土壤微生物的生长、土壤酶的活性，进而影响作物的生理代谢，受砷污染的土壤可经过水、植物等介质最终危害人类健康。全球大约有数万个砷污染点，最高土壤砷含量可达26 500 mg／kg。孟加拉和印度两国有将近1亿人生活在砷污染区域，大面积的农田土壤因高砷水灌溉遭到污染。在中国因土法采矿和私营企业炼砷造成小范围砷污染土壤问题相当突出，在某些采矿点附近土壤砷含量可高达28522 mg／kg，对当地居民的健康构成了巨大的威胁。因此，如何采用有效措施对砷污染土壤进行治理成为全球的研究热点。

    目前，用于清除土壤砷污染的方法和技术很多，常见的有改变耕作管理制度，水洗土壤，向土壤中施加拮抗剂、改良剂，植物修复及微生物修复、多种修复结合使用等。这些方法虽各具优点，但对砷只是暂时的固定，还可能造成二次污染，不能从根本上解决砷污染问题。而植物修复技术作为一种原位修复恰恰具有以上不可替代的优势，表现为治理效果的永久性、治理过程的原位性(对土壤环境扰动小)、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等特点。因此，利用植物对砷污染土壤进行修复成为目前修复领域的研究热点。

1  植物修复技术与超累积植物

1．1植物修复含义

  植物修复(Phytoremediation)是利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物体系清除污染物的一种环境污染治理技术。它包含植物萃取、根际过滤、植物挥发、植物固定等技术。通常所说的植物修复是指植物萃取，即将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中污染元素具有特殊吸收富集能力，将植物收获后并妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。

1．2超累积植物的概念和特征

    植物修复所利用的能超量吸收重金属并将其运移到地上部的特殊植物称为超累积植物(Hyperaccumulator)。一般，超累积植物的界定可考虑以下两个主要因素：①植物地上部富集的重金属应达到一定的量；②植物地上部的重金属含量应高于根部，同时这些植物还应满足富集系数BF(植物地上部重金属含量与根部重金属含量的比值)>l，转运系数TF(地上部重金属含量与土壤中重金属含量的比值)>1。由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对于不同重金属，其超累积植物富集浓度界限也有所不同。目前采用较多的为Baker等所提出的参考值，即把植物地上部(干重)中含Cd达100 mg/k，Co，Cu，Ni，Pb，As达1 000 m/kg，Mn，zn达10 000 m/kg以上植物称为超累积植物。

    根据目前的现实需要，超累积植物一般应具有以下几个特性：(1)即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率，尤其在接近土壤重金属含量水平下，植株仍有较高的吸收速率，且须有较高的运输能力；(2)能在体内积累高浓度的污染物，地上部能够较普通作物累积10～500倍以上某种重金属的植物；(3)最好能同时积累几种金属；(4)生长快，生物量大。

2砷污染土壤的植物修复研究现状

2．1砷超累积植物的开发现状

    自1977年新西兰科学家Brooks提出了超累积植物的概念以后，国内外许多科学家针对砷污染土壤筛选出了一系列砷超累积植物(表1)。同时国内外学者也探索出一些耐砷性植物，如VISOOTFIVISETH等在砷污染严重的尾矿中发现的如蒙塔那菊(Jasione montana)、细弱翦股颖(Agrostis tenuis)、匍茎翦股颖(Agrostis stolonifera)和狗牙草(cynodon dactylon)等。韦朝阳等也在矿区发现耐砷性植物苎麻(Boehmeria nivea)、五节芒(Miscanthus肪ridu lus)，其地上部可达较高砷浓度(分别为536 mg／kg和760 mg／kg)。QIAN等在对12种植物吸收重金属的研究时发现蓼车(Smartweed)是吸收砷的最好植物种类。陈同斌等研究发现，某些蔬菜对砷也有一定的耐性。同时，DHANKHER等利用转基因技术培育修复砷污染的超累积植物获得了突破。他们把Escherichia coli的砷酸盐还原酶基因ArsC与大豆的光诱导强启动子SRSIp结合，r-Glu—Cvs合成酶基因ECS与组成型表达的肌动蛋白强启动子ACT2p结合，然后成功导人到模式植物拟南芥(Arachis hypogaea)中。

2．2植物修复砷污染土壤的机理研究

2．2．1土壤中砷的价态与形态

    砷在土壤中以无机态的形式存在，其存在形态主要与土壤中Al，Fe，Ca的含量有关，而与有机质和硅的含量关系不大。土壤中的砷主要被Al，Fe，Ca等所吸附产生沉淀。水溶态的砷含量很低，一般小于总砷的5％12。随着土壤中砷含量的增加，土壤中各种形态砷的含量均增加，固定态砷占总砷的百分比随砷含量的增加而增加，而水溶态砷占总砷的百分比则呈现明显的降低。TOKUNAGA等研究发现，pH也影响土壤对砷的吸附，当pH在2～7的范围内，土壤对砷的吸附力较强，在pH为4左右，吸附量最大，当pH>10或pH<1时，土壤对砷的吸附量很少，土壤中的砷主要以水溶态存在。

    土壤中的砷以As(Ⅲ)和As(V)两种形态存在，它们之间可以通过氧化一还原反应而发生价态转变，二者之间保持动态平衡。进入土壤的砷，通过径流机械作用、物理化学作用和生物作用，部分水溶性砷和粘土颗粒吸附砷随径流进入水体；但是绝大部分砷通过吸附一沉淀、离子交换、络合、氧化还原反应等作用滞留在土壤中。

2．2．2超累积植物对土壤砷修复机理

    进入植物体内的砷一部分可以排出体外，另一部分可与植物体内某些多肽结合并在植物的根、茎、叶等器官中累积，而且会在一些特殊的植物体内形成超累积现象。砷的超累积植物在高砷浓度还可以正常生长，可能是植物体内某些特殊有机物对砷螯合作用的结果。

    砷通过根系运转器以及其它途径进入植物细胞后，通过螯合作用被固定以降低其生物毒性是植物对细胞内砷解毒的主要方式。植物中已经发现的螯合物质主要有植物硫蛋白(MTs)、有机酸(Organic acid)以及氨基酸(Amino acid)。

    植物金属硫蛋白(MTs)属于金属蛋白(MT)命名系统中的第二类，MT分子呈椭圆形，分子量为6 500 D，直径3～5 nm，分两个结构域，每个分子含7～12个金属原子，具有特殊的吸收光。植物MTs也是通过半胱氨酸蛋白酶(Cvs)上的巯基与细胞内游离金属离子相结合，形成金属硫醇盐化合物，降低细胞内可扩散的金属离子浓度，从而起到解毒作用。当土壤中的砷由氧化态转为还原态时，植物体内存在的一些蛋白和多肽类物质的硫醇基与砷结合形成硫肽复合物，这些复合物通过一些转运蛋白的作用能够运输到细胞外，或者将其储存在液泡等细胞器内，降低其对植物的危害，使植物能够吸收和累积更多的污染物。谷光甘肽(GSH)对重金属有一定的解毒作用，它可以通过与重金属的络合作用保护植物细胞免受重金属的氧化胁迫。砷解毒也如此，研究发现，在印度芥菜(Brassica jun— cea)等砷耐性植物中，砷可以刺激植物GSH的产生，并且GSH通过络合作用与As形成As-GSH，从而对砷产生解毒作用。

    在超累积植物生长过程中，植物体内金属配位体一有机酸和氨基酸能与砷配位形成金属配位体复合物以达到解砷毒的目的。有机酸广泛存在于植物体内和根际环境中，是一种带有1个或多个羧基功能团的低分子量碳氢氧化合物，易与金属发生络合或螯合作用。超累积植物的根系分泌大量的有机酸，可以酸化根际砷，从而促进土壤砷的溶解及在植物体内的运输、累积和吸收。陶玉强等研究发现，砷超累积植物根系分泌的有机酸——草酸可以促进土壤中砷的释放，并促进植物根系对砷的吸收。同时，肖细元等研究发现，在砷胁迫下，蜈蚣草(Pteris vittata)通过调节磷、钙的亚细胞分布来提高其耐砷毒的能力。

    目前，在超累积植物修复砷污染土壤的机理中，如何提高植物修复效率是关键。国内外许多科学家寻求利用向土壤中施人磷肥或加入络合剂等方法，提高土壤砷的植物有效性，从而提高砷污染土壤的植物修复速率，并取得一定进展。陈同斌等人利用XRF技术从细胞水平上进一步证实，在砷超累积植物中，磷和砷间的转运不存在拮抗作用，并且发现向土壤中施入较多的磷时，砷超累积植物蜈蚣草对磷、砷(V价盐)的吸收也有协同作用。2004年，廖晓勇等通过田间试验也发现，适当的磷肥(200 kg／hm²)可促进蜈蚣草对砷的吸收，同时土壤修复效率可达7．84％。周娟娟等通过等温吸附和浸提模拟施磷对黄棕壤中砷固定和活化的影响试验发现，适当提高溶液磷浓度能够减少土壤对砷的吸持能力，并增加砷从土壤中的解吸量。李文学等通过盆栽试验发现，适当增加蜈蚣草的收获次数也可提高砷修复污染土壤的效率。PICKETING等发现在水培条件下添加络合剂二巯基丁二酸(DMSA)可以使印度芥菜(Brassica．juncea)叶片砷水平提高5倍多，但植株总砷累积量增加有限，说明添加二巯基丁二酸促进了As3+由根部向茎叶部的累积和重新分布，这一过程对土壤砷的植物修复很有意义。

2．2．3超累积植物的耐砷机制

    环境中过量的砷会影响植物的正常生长和发育。但是，某些植物仍能在高浓度的砷环境中生长以度过逆境，表明植物在长期进化过程中由于自身不同的生理机制相应地对砷产生了抗性，以适应高砷环境。

    BAKER认为植物的抗性获得可通过避性和耐性两种途径。这两条途径并不相互排斥，且能统一作用于某一植物。第一，避性是指植物可通过某种外部机制保护自己，使其不吸收环境中高含量的重金属从而免受毒害。第二，耐性是指植物体内具有某些特定的生理机制，使植物能生存于高含量的重金属环境中而不受伤害，此时植物体内具有较高浓度的重金属。

    长期生长在砷污染区的植物在一定程度上进化形成了不同生态型的耐砷植物和砷的抗性机制。研究发现，绒毛草(Holcus mollis)的耐砷生态型基因组中有抑制砷酸盐／磷酸盐系统的基因，该基因的表达能有效地降低细胞对A³⁺的积累速率和细胞内A³⁺的积累速率，从而减轻砷对植物的毒性。植物可以把吸收的砷累积在体内一定的部位，避免其进入细胞质，从而减轻砷对植物的危害。由于砷超累积植物具有高效的磷吸收、储存和利用机制，避免了进入细胞的砷在生化反应过程中取代磷而干扰正常的磷代谢过程，从而减轻砷对植物的毒害。

    由于砷超累积植物对砷具有极强吸收和转运能力，所以其可以大量吸收砷，并将砷转运到植物的地上部。FAYIGA等研究发现，相同时间内砷超累积植物蜈蚣草吸收并转移到地上部的砷约是非超累积植物Nephrolepis exahata的10倍。CAILLE等通过吸收动力学试验发现，蜈蚣草对As(V)的吸收速率是非超累积植物P．tremula的2．2倍，而且蜈蚣草吸收76％的砷运移到地上部。

    砷进入植物体后会对细胞产生氧化胁迫，形成活性氧(ROS)而危害细胞。SRIVASTAVA等通过比较超累积植物蜈蚣草与非超累积植物P．ensiformis对砷胁迫的反应发现，非超累积植物体内抗氧化酶的活性显著低于蜈蚣草，而丙二醛(MDA)或硫代巴比妥酸反应物质(TBARS)的含量显著高于蜈蚣草，这说明蜈蚣草具有较强的抗氧化能力，因此，超累积植物可以抵制高砷的胁迫。

3砷植物修复技术的应用

    1983年，美国科学家CHANEY首次提出了利用某些能够富集重金属的植物清除土壤重金属污染的设想——植物修复技术的思想之后，1994年，BAKER等在英国首次利用阿尔卑斯菥萁(Thlaspi caerulesences)修复了长期施用污泥导致重金属污染的土地，证实了植物修复这一技术的可行性之后，国内外相继开展利用植物修复砷污染的土壤，并取得一定的研究成果。

    近些年来，植物修复砷污染土壤逐渐发展成为一个国内外热点研究领域。美国的一些植物修复公司也积极致力于这类研究成果的开发和商业化，例如EDENSPACE公司已成功地开展了砷污染的植物修复丁作。美国依阿华大学利用杂交杨树修复位于南达科达州一块受砷污染的土地，研究发现，种植在该区的杨树虽然出现明显的中毒症状，但其叶片中砷的含量达27 mg／kg(干重)，低于美国环保局相应的标准。

    在国家高技术发展研究计划和中国科学院知识创新工程重要方向等项目的重点支持下，陈同斌研究小组利用砷超累积植物——蜈蚣草(Pteris vittata)在湖南建立了第一个砷污染土壤的植物修复基地，并进行了大面积(约l hm2)的现场修复实验。根据初步研究结果，在种植蜈蚣草的6个月时间内，砷污染土壤的植物修复效率可高达2．19％～7．84％。

    宋书巧等人研究发现，对于砷污染较轻的土壤，只要种植1～2次粉叶蕨(Pityrogramma calomelanos)就可以使土壤砷污染降到环境标准值以下。廖小勇等研究发现，对于含砷50—60 mg／kg的土壤，大约经过3—5年即可修复到安全标准以内。

4问题与展望

    植物修复作为一种“绿色”的污染修复技术具有广阔的应用前景。但是它在实际应用于治理砷污染土壤中还需要进一步的研究和探索。

    (1)继续寻找、筛选、培育砷超累积植物。超累积植物大都以群落方式聚集于野外，主要在矿山区、成矿作用带、富含金属元素岩石风化而成土壤上。而目前所发现的砷超累积植物虽然生物量较大，但生长时间较长，所以结合我国生物多样性的特点来开发和寻找新的生物量较大、生育期较短的植物；也可以利于基因工程的手段，从而产生理想的适合需求的转基因砷超累积植物。

    (2)深入研究砷超累积植物修复污染土壤的过程及其调控机理，包括土壤中砷的形态与植物根际环境变化的关系，施肥、增施改良剂等措施对植物修复过程的影响等，以进一步用于指导砷植物修复的研究和发展，并为这一领域的发展提供动力。

    (3)寻求一种更有效的生态修复技术——复合修复。由于植物修复所需的时间较长，所以选择一种将物理、化学和植物方法相结合的复合修复来缩短修复时间是必要的。将改良剂、肥料与超累积植物相结合，从而提高植物修复的综合速率。

    (4)砷超累积植物的产后资源化利用。修复砷污染的超累积植物的产后处理也是一个值得关注的焦点，如果将其随意丢弃，这样会对环境造成“二次污染”。目前国内外对Pb，Zn和Cu超累积植物修复产后处置技术研究的较多，一般多为焚烧法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法、液相萃取法等，但对砷的研究较少。为此应该寻求一种高效的砷超累积植物产后处理技术，真正将污染物永久去除，同时实现“变废为宝”的目的。

金晶炜¹熊俊芬¹许岳飞²

(1．云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201；

    2．中国农业大学草地研究所，北京100094)

云南农业大学学报  自然科学  2008年第2 3卷第6期