重金属污染水域的植物修复
由于现代工业的快速发展及农药的广泛使用，大量的汞、镉、铅等重金属造成水域重金属污染日趋严重。全世界每年排放Hg约1．5万t，Cu40万t，Pb500万t，Mn1500万t，Ni100万t。这些水体中的重金属通过食物链富集到人或动物体中，危及人类的生命和健康，同时导致大气、土壤污染和生态系统退化等其他次生生态问题。水域重金属污染已引起许多国家的高度重视，各种修复技术陆续出现。植物修复技术是成本低、效果好、无二次污染的绿色技术，较之传统的修复方法更符合可持续发展污染治理模式，有着很好的发展前景。
一、植物修复概述
植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。研究表明,通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用,可以净化土壤或水体中的污染物,达到净化环境的目的,因而植物修复是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术,也是一门正在崛起并涉及土壤学、植物学、分子生物学、基因工程学、环境工程等多门学科的新兴边缘学科。它具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境、不引起二次污染等优点。自20世纪90年代以来,植物修复成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题。
二、植物修复机理
1、修复类型
重金属污染水体的植物修复是指通过植物系统及其根系移去、挥发或稳定水体环境中的重金属污染物，或降低污染物中的重金属毒性，以期达到清除污染、修复或治理水体为目的的一种技术。目前按其机理可分为植物挥发、植物吸收和植物吸附。[3]
（1）植物挥发
植物挥发是指重金属通过植物作用产生毒性小的挥发态物质。目前在这方面研究最多的是金属元素汞和重金属元素硒。在过去的半个世纪中汞污染被认为是一种危害很大的环境灾害。工业产生的典型含汞废弃物中，都具有生物毒性[4]，例如，离子态汞(Hg2+)，它在厌氧细菌的作用下可以转化成对环境危害极大的甲基汞(MeHg )。利用细菌先在污染位点存活繁衍，然后通过酶的作用将甲基汞和离子态汞转化成毒性小得多、可挥发的单质汞Hg(0)，己被作为一种降低汞毒性的生物途径之一。当今的研究目标是利用转基因植物降解生物毒性汞，即运用分子生物学技术将细菌体内对汞的抗性基因(汞还原酶基因)转导到植物(如烟草和郁金香)中，进行汞污染的植物修复。研究证明，将来源于细菌中的汞的抗性基因转导入植物中，可以使其具有在通常生物中毒的汞浓度条件下生长的能力，而且还能将从水体中吸取的汞还原成挥发性的单质汞。植物挥发为水体环境中具有生物毒性汞
的去除提供了一种潜在可能性。诚然，植物挥发时将水域中的重金属转移至大气，若从区域整体环境质量考虑，利用植物挥发修复水与重金属，应以不损害大气质量为前提。
（2）植物吸收
植物吸收也称植物过滤或植物萃取，它是一种具永久性和广域性于一体的植物修复途径，已成为众人瞩目、风靡全球的一种植物去除环境污染元素(特别是重金属)的方法。它是利用专性植物[5]根、茎吸收一种或几种污染物，尤其是重金属，并将其转移、储存到植物茎叶，然后收割茎叶离地处理。这其中专性植物是特指超积累植物。超积累植物是指对重金属元素的吸收量超过一般植物100倍以上的植物，它积累的Cr, Co, Ni, Ca, Pb的含量一般在0.1%(干重)以上，积累的Mn, Zn含量一般在1%(干重)以上。在受重金属污染的水体中，连续放养几次超积累植物就有可能去除有毒金属。植物吸收的过程如下：根系对重金属的吸收植物可通过根部直接吸收水溶性重金属。重金属在水体中向植物根部的迁移途径有3种：①质体流作用。在植物吸收水分时，重金属随溶液向根系流动到根部; ②扩散作用。由于根表面吸收离子，降低根系周围水溶液离子浓度，引起离子向根部扩散; ③重金属随水体流动靠近植物根部。第三种途径能促进前两种途径的发生，从而加速重金属向植物根系的迁移。
到达植物根系表面的金属离子不一定能被植物吸收。植物吸收重金属的生理过程可能为两种方式：一种是细胞壁质外空间对重金属的
吸收；另一种是重金属透过细胞质膜进人植物细胞。植物的细胞壁是污染物进人植物细胞的第一道屏障。当重金属浓度较低时和在吸收的开始阶段，重金属首先被细胞壁吸附，只有当外界污染物浓度相当大时，打破了这种平衡，才有部分细颗粒重金属透过细胞壁，穿过质膜进人细胞。重金属通过细胞膜进人细胞有两种方式：①被动扩散，物质顺着本身的浓度梯度或细胞膜的电化学势流动；②主动传递，这种传递过程需要能量。重金属离子可以在膜内以较高的浓度存在，这与蛋白质与重金属离子的亲合性很强有关，同时也取决于膜内的电负性。通常膜内外的电位差可达50一100mV，这就可使Cu, Zn, Mn 等二价离子因离子电位差而被浓缩100倍以上。这种机制，就可以使植物非常有效地吸收、富集重金属。
重金属在植物体内的转运金属离子进人根部后，要么被贮存，要么被转运到茎叶部分。尽管很多实验证明重金属主要分布在植物根部，但一些流动性较大的元素还是可以通过导管向上迁移到叶片。
重金属进人根细胞质后，可以游离金属离子形态存在，但细胞质中游离金属离子过多，对细胞产生毒害作用，干扰细胞的正常代谢，因而细胞质中金属可能与细胞质中的有机酸、氨基酸、多肽和无机物等结合，通过液泡膜上的运输体或通道蛋白转人液泡中。金属转运到茎叶部分可能发生在木质部，其主要受两个过程的控制：从木质部薄壁细胞转载到导管和在导管中运输，后者主要受根压和蒸腾流的影响。目前对于阳离子在木质部的装载过程还不十分明确，但研究者一致认为，它是与根细胞吸收离子相独立的一个过程。有资料表明，木
质部装载过程的能量来自木质部薄壁细胞膜上的H一ATPase产生的负性跨膜电势。阳离子在木质部的装载可能通过阳离子质子反向运输体、阳离子-ATPase和离子通道。在超积累植物中，可能存在更多的离子运输体或通道蛋白，从而促进重金属向木质部装载，但目前还缺乏直接证据。
（3）植物吸附
植物吸附直接发生在植物根(或茎叶)部表面。表面吸附可能是去除水体重金属最快的一步。它是由螯合离子交换和选择性吸收等物理和化学过程共同作用的结果[6]，且不要求生物活性，在死去的植物体表面也可以发生。对于沉水植物和浮叶根生植物[7]而言，植物吸附是他们去除重金属的主要方式。
三、植物修复的影响因素
影响植物吸收、迁移重金属的因素很多，主要取决于重金属的种类及其形态差异，以及一些外部因素如温度、水体pH值、营养元素的竞争等。
1、重金属的种类及其形态差异
植物对有些元素容易吸收而对另一些元素很难吸收，通过植物对Cr, Hg, As, Cd的吸收比较发现植物最容易吸收Cd和As，而对Cr
