吴秋燕

(漳州市龙文区环境保护监测站，福建漳州 363000)

香蒲植物对重金属耐性的研究进展

吴秋燕

(漳州市龙文区环境保护监测站，福建漳州 363000)

在概述重金属污染对植物的影响与植物对重金属的耐性研究概况的基础上，综述香蒲植物对重金属的累积和耐性特征，旨在充分挖掘香蒲植物的环保新用途，为水土重金属污染的植物修复提供科学依据。研究结果表明，一些植物对重金属具有根系累积、细胞壁结合、液泡区隔化以及抗氧化等耐性机制；香蒲植物生长繁殖快，生物量大，对重金属耐性较强，根系累积重金属量较大，是重金属污染植物修复的适合物种。

香蒲；重金属；累积；耐性

矿产资源的开发及其加工利用在提供矿产资源的同时也会造成环境污染与生态破坏等严重后果。由于重金属的生物半衰期长，几乎难以生物降解，因此水土重金属污染可以由地球化学链、食物链进入生物体，给矿山及其周边地区居民的食品安全、生态安全甚至社会和谐带来严重隐患，环境重金属污染的防治也就极为重要。本文概述了重金属污染对植物危害以及植物对重金属耐性的研究概况，综述了香蒲植物对重金属的累积和耐性特征，以期为重金属污染的植物修复提供理论依据。

1 植物对重金属污染的生理响应和耐性

1.1 重金属对植物的影响

重金属很难通过理化或生物作用降解，能在土壤与水体中富集，易被动植物吸收，破坏生物体的正常生理活动，并通过食物链生物放大，损害人类健康。植物生理生化活动变化与重金属胁迫存在一定的浓度效应，一般低浓度的重金属对植物生长存在一定的促进作用，而高浓度的重金属则会抑制植物生长，甚至导致植物死亡。活性氧是植物有氧代谢过程不可避免的产物，正常生理情况下，植物体内活性氧可维持于有利无害的极低水平。重金属能直接或间接地诱导活性氧的产生与氧化胁迫，导致细胞膜脂质的过氧化，蛋白质、核酸等的氧化损伤。

重金属对植物的危害首先表现在对根细胞膜的破坏，限制植物对其他矿质元素的吸收。孔祥生等[1]研究发现，玉米幼苗叶片电导率和脂过氧化物丙二醛含量随Cd胁迫浓度的增大而增大，说明重金属胁迫下植物叶片细胞质膜遭到破坏，重金属浓度越高，破坏程度越大。重金属能够影响植物的光合作用和呼吸作用，抑制植物的物质代谢和能量代谢。如Cd、Pb能使水稻植株光合作用和呼吸作用下降，并均与重金属浓度负相关[2]，可导致雪松聚球藻的光合放氧量几乎为零[3]；Cu会阻碍叶绿体中光合电子传递和光合作用中CO2的固定等[4]。重金属对植物光合作用的影响主要表现在对叶绿体的破坏，比如Hg、Cd与Pb等能显著降低植物叶片内叶绿体和叶绿素含量，破坏叶绿体膜的结构，使其萎缩变形；而对呼吸作用的影响主要体现在对呼吸作用相关酶活性的抑制、破坏线粒体结构，致使代谢紊乱[5]。其次重金属还可以影响植物的矿质营养元素代谢，如Cd能取代细胞内Zn和Ca的结合位点，从而影响Zn的代谢和Ca在细胞内的信号传导功能，降低有关蛋白质、氨基酸含量并可以抑制DNA和RNA的活性等[6]。重金属对植物光合作用、呼吸作用的影响，最终能导致植物生长发育受阻，致使叶片病变枯萎，甚至导致植物死亡。同时，植物也能积累一定量的重金属，给农业生产和粮食安全生产造成巨大损失。因此，降低水体和土壤重金属污染及其对植物的危害显得至关重要。

1.2 植物对重金属的耐性机制

植物在长期的进化过程中形成了相应的重金属耐性机制。回避和根际失活是植物抵御重金属伤害的第一屏障，比如根吸收表面积的减少，根细胞壁增厚以及根际周围释放黏液等[7]。植物也可以将金属离子结合在根系的皮层组织中，而且大多数的耐性植物都可以通过根液泡对金属离子区隔化，抑制金属离子从根系向地上部转运，减缓植物叶片所受的重金属伤害[8]。

当根系对重金属的固定达到极限后，金属离子会从根系向植物地上部运输。植物地上部组织细胞壁也能一定程度固定重金属，过量的重金属会与地上部组织的细胞膜脂质结合，使细胞膜透性增加，但液泡中的有机酸等可与进入细胞内的重金属发生螯合作用，以减缓重金属对植物地上部细胞器的伤害[8-9]。

亚细胞分布研究结果表明，液泡区隔化在植物对重金属的耐性、解毒及超积累中发挥重要作用，植物络合素(Phytochelatins,PCs)、金属硫蛋白(Metalothionenins,MTs)、有机酸、半胱氨酸及其他低分子硫醇都是重金属的螯合剂，其中PCs和MTs的螯合作用更强[8-9]。同时，植物可以通过提高抗氧化系统（抗氧化酶和非酶抗氧化物）的功能来减缓重金属胁迫引起的氧化伤害[1]。

2 香蒲的应用与重金属积累耐性研究

重金属的超富集植物通常生物量小，生长速度慢，对重金属的吸收总量较小，从而影响其实际应用。香蒲、杨柳等为代表的速生草本、木本植物，都是重金属的耐性植物，因生物量相对较大，能弥补体内重金属含量相对较低的不足，近年来在欧洲与北美已应用于重金属污染的治理。

2.1 香蒲的综合利用

香蒲为多年生草本植物，仅香蒲属（Typha）一属，在我国有11个种，东北、河北、新疆、甘肃、陕西、四川、贵州、湖北、湖南、浙江、福建、广东、海南等地均有分布。香蒲植株高大、叶片狭长、线型优美，可作为优良的观赏植物，在湿地公园，商业居民小区等浅水景观布置中都有应用。蒲黄中的主要活性成分香蒲新苷和异鼠李素-3-O-新橙皮糖苷具有防治动脉粥样硬化、改善心肌微循环、增加冠脉流量、降血脂、促纤溶、抗血栓形成等作用。蒲绒呈羽绒状，高度真空，可做保健药枕和保暖材料。

香蒲绒纤维截面不规则，表面蜡质覆盖，具有疏水性，可成为良好的吸油材料。东华大学关于香蒲绒的吸油实验表明，香蒲绒具有非常好的吸油能力和可重复利用性，同时又有很好的生物降解性，吸油后不会对环境造成二次污染，使蒲绒具有广大的发展利用空间[10]。

香蒲为大型水生维管束植物，具有发达的通气组织，具有良好的水质净化能力，能有效吸收水中的N、P物质，改善富营养水质。研究表明，每公顷香蒲每年可吸收2630kg氮、403kg磷[11]，对受污染河水中的化学需氧量（COD）、氨氮及总磷等有较好的去除效果[12]。在夏季，以香蒲为主体植物的湿地对凯氏氮、氨氮的去除率达到96%以上，对总磷、COD的去除率也达94%以上[13]。香蒲对农药污染物也具有抗性和去除能力，宽叶香蒲对对甲基硫磷有较好的去除效果[14]。香蒲也是活性炭制备的优质原料。香蒲活性炭能有效吸附2，4-二氯酚（2，4-DCP）和2，4，6-三氯酚（2，4-TCP）[15]。

2.2 香蒲对重金属污染的耐性和积累特征

香蒲是美化环境的园林景观植物和常见的湿地植物，生物量较大，拥有发达的地下根茎系统，繁殖能力强，能够迅速形成单一且密集的优势植物群落，具有极强的环境适应能力，可在比较恶劣的生境中生存，并处于优势种群地位[16]。其生长过程与新陈代谢活动可以很好的净化水质，在人工湿地处理污废水的研究中有重要地位。

香蒲不仅可以有效处理有机废水，还可应用于含大量重金属的废水处理中。香蒲对多种重金属胁迫都表现出很强的耐性和积累能力，根部重金属积累量较大，地上部组织可也累积一定含量的重金属。香蒲植物可以通过对土壤重金属吸收积累及系分泌物的螯合沉淀作用来降低土壤中重金属的移动性，使重金属固定而处于稳定状态。李永丽等的研究表明，野外东方香蒲对Pb有很强的富集作用[17]。香蒲对水溶性的Se也有很强的吸附能力，尤其是须根，能在富Se土壤中旺盛生长[18]。练建军等通过短期室内水培实验表明，在Mo浓度为2～20 mg/L时，香蒲对Mo的耐性和去除率均高于芦苇，其中地上部Mo积累量大于根部[19]。在As、Cd、Pb等重度污染土壤中，东方香蒲也表现出较强的耐性，而且生物量较大，对重金属有较大的积累且主要积累在根部[20]。张弛等研究表明，香蒲对Cd具有较强的耐受能力，根系是Cd的主要富集组织[21]。郑瑛等用核素65Zn标记物示踪方法研究宽叶香蒲对65Zn的吸收和分布，发现宽叶香蒲有对Zn有较强的吸收能力，并且主要积累在根和地下茎中[22]，说明不同的重金属在香蒲中的分布有差异，但以根部积累为主。

外源物质能对香蒲体内重金属的累积有一定的调节作用。赵慧等研究表明，外源NO能在一定程度上缓解Cu及Cd胁迫对狭叶香蒲幼苗造成的伤害[23]；在铅污染的湿地环境中添加适量铁可以提高铅的有效性，促进铅在宽叶香蒲中的积累[24]。

3 结论

对重金属具有较强耐性和生物量较大的植物是重金属污染植物修复的筛选物种。本文在概述重金属污染对植物的危害与植物对重金属耐性研究概况的基础上，综述了重金属耐性植物香蒲对重金属的累积和耐性特征，主要结论如下：

（1）重金属在植物体内的累积能对植物生理生化活动带来不利影响，但一些植物具有根系累积、细胞壁结合、液泡区隔化以及抗氧化系统等相应的耐性机制。

（2）香蒲植物生长繁殖快，生物量大，对重金属耐性较强，根系累积重金属量较大，是重金属污染植物修复的适合物种。

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（责任编校：马余平）

Advance of Cattail Plant Tolerance to Heavy Metals

WU Qiu-yan
(Station of Environmental Monitoring,Longwen Distric,Zhangzhou City,Fujian Province,Zhangzhou,Fujian 363000)

Based on the introduction of damage of heavy metal pollution to plants and tolerance of plants to heavy metal contamination,this paper reviews the accumulation and tolerance of heavy metals in cattail plants to explore the new environmental application of cattail plants and offer new material and scientific basis for the phytoremediation of heavy metal contaminated water body and soil.Results indicate that several plants possess tolerance to heavy metal such as root accumulation,cell wall combination and vacuole compartment of heavy metals;cattail is a suitable plant for phytoremediation of environment contaminated by heavy metals due to its fast reproduction,big biomass,and strong tolerance to heavy metals.

Cattail;heavy metals;accumulation;tolerance

X 173

A

1672-738X(2015)04-0091-04

2015-06-18

湖南省科技厅计划一般项目（2012FJ3144）；湖南省教育厅科研一般项目（13C1141）。

吴秋燕(1984—)，女，福建漳州人，环境科学中级环保工程师。主要研究方向：环境污染控制。