“植物矿工”不同凡响

天赋异禀的植物

20世纪70年代，生物学家在太平洋新喀里多尼亚岛上，发现了一种特殊的热带树种。这种热带树种能长到20米高，最特别的是树皮被割开后会流出鲜艳的蓝绿色乳胶。研究发现，其乳胶中的镍含量为25%（质量），相当于一般植物汁液内镍元素含量的25万倍，正是大量的镍元素导致其乳胶呈现出蓝绿的色泽。

镍是一种金属元素，主要分布在南北赤道30度以内的热带国家，新喀里多尼亚就是其中之一。由富含镁镍的岩石形成的土质很罕见，通常只有地幔物质被带到地表的地方才可能出现。

安东尼·范德·恩特博士是澳大利亚昆士兰大学的生物学教授，专门研究上述这种热带树种。据他介绍，虽然植物生长需要微量的镍元素，但吸收过多会导致镍中毒，干扰新陈代谢，阻碍正常生长。一般的植物很难在镍这类重金属含量超标的地方生存，更别提把它们富集在植物组织里了。而这种热带树种就像是一种超级收集器，能够从土壤中大量吸收有毒重金属，并储存在树干、树叶甚至种子里面。

恩特表示，这种热带树种通过将配体分子与镍原子结合，防止镍原子与其他化学元素发生反应，从而在高浓度镍的环境中保持化学结构不被破坏。此外，配体分子还能将镍原子与树木的细胞隔离开，保证树木在高浓度镍的环境里健康生长。他指出：“不同种群的超积累植物已经进化了很多次，时间跨越数百万年。也就是说，它们原本就生长在富含金属的土壤中，并不是人为干扰的结果。”

这种热带树种只存活于马奎人居住的稀疏的森林中，生长速度缓慢，要花上几十年才能开花结果。它受到各种威胁，生存空间越来越小，可能只剩下几百棵，已经被列入了濒危物种名单。虽然从分子生物学到生物化学，科学家都对它拥有储存大量重金属的能力进行了研究，但迄今仍未搞清楚它是如何进化出了富集浓度如此之高的镍元素的能力。

有人推测，这种热带树种积累大量的镍元素是为了保护自身免遭昆虫和其他食草动物的伤害。毕竟镍元素对动植物而言，是有毒的重金属。此外，还有一种说法是，这种热带树种聚集镍元素是对其他植物的一种化学攻击。也就是说，当叶子落到地上，土壤中的镍含量增加，会导致其他植物难以生长，该树种由此获得更多的资源，使自身得到更多的存活机会。

能够超量积累重金属并将其运移到地上部分的植物，被称为“超积累植物”或“超富集植物”，它们体内某一金属元素浓度大于临界值。由于不同元素在土壤和植物中的自然浓度不同，因此临界值的确定取决于植物富集的元素类型。

超积累植物必须具备下列条件：地上部分（茎或叶）的重金属含量是普通植物在同一生长条件下的10～500倍，临界值分别为锰、锌10000毫克/千克，镉100毫克/千克，金1毫克/千克，镍、铅、钴、铜、砷1000毫克/千克；植物地上部分的重金属含量远远大于其根部的重金属含量，表现为特殊的吸收、转运重金属并储藏于地上部分的能力；植物对重金属具有较强的耐性，即能在污染场地旺盛地生长，植物生物量较大，生长周期短，能超量积累一种或同时积累几种重金属元素。

植物修复优点多

在土壤环境质量标准中，镉、铬、铅、砷、汞等重金属是明确规定必须加强风险管控的有害重金属。土壤修复技术是使遭受污染的土壤恢复正常功能的技术措施，包括热力学修复技术、热解吸修复技术、焚烧法、土地填埋法、化学淋洗、堆肥法、渗透反应墙、生物修复和植物修复等。

植物修复技术被普遍认为是一项很有发展前途的修复技术，已成为当前国内外环境科学热点问题和前沿研究领域。它具有物理、化学修复方法无法比拟的许多优点，例如：费用低廉，应用面积大，对土壤环境扰动小；治理效果永久，不破坏场地结构，不引起二次污染，能美化景观；重金属可再循环和部分回收。

植物修复技术主要利用超积累植物在重金属污染土壤里生长，从污染土壤中超量吸收一种或几种重金属，并因其自身的超富集现象，将重金属转移、贮存到茎、叶等地上部器官。随后，人们将植物整体（包括部分根）收获并集中处理，然后连续种植，以便使污染土壤中重金属含量降到可以接受的水平，从而使污染土壤得以修复。

按照植物修复的作用过程和机理的不同，植物修复技术可分为植物提取、植物挥发、植物稳定和根系过滤。

植物提取是目前研究最多且最具发展前景的一种技术。重金属经具有较强富集能力的植物根系吸收后，继而转移、储存到植物茎、叶，然后收割茎、叶，从而达到去除土壤重金属元素的目的。

植物挥发是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物，将土壤中的污染物（主要是汞、砷、碲）吸收到植物体内后转化为气态物质，挥发出来，释放到大气中。植物挥发要求被转化后的物质毒性小于转化前的污染物质，以减轻环境危害。

植物稳定是指利用植物及其根系吸收、富集或沉淀土壤中的重金属，使土壤中的大量有毒金属转化为相对无害的物质，从而降低土壤中有毒金属的移动性、生物有效性，减少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。该方法适合废弃矿区的重金属污染或者放射性元素污染的治理。

根系过滤是指利用耐性植物庞大的根系过滤和吸收功能富集水体中的重金属元素，将植物收获进行妥善处理，达到治理水体重金属污染的目的。此种方法更多地应用于治理水体污染。根系过滤主要用于处理含放射性污染物质、重金属和其他污染物质的废水。

改造污染的土壤

铅污染是目前土壤无机污染中较为严重且广泛存在的问题。如果长期暴露于低浓度的铅污染环境中，会严重影响儿童的成长（包括智力发育）和神经功能。在重金属铅的超积累植物名单中，有土荆芥、圆锥南芥、羽叶鬼针草、茼麻、香根草、绿野苋菜、紫穗槐、麻疯树、凤眼莲和苍耳等。其中，香根草因生物量大，植被覆盖率高，是我国铅锌矿复垦中最有效的植物之一。

镉是一种具有强毒性的重金属，对环境破坏性大，同时镉进入食物链对生物体的毒害具有隐蔽性和累积性。能够修复重金属镉污染土壤的超积累植物有油菜、宝山堇菜、天蓝遏蓝菜、鱼腥草、商陆、龙葵、菖蒲、球果蔊菜、向日葵、烟草、杨树等，其中生物量较大的油菜被认为是最佳植物。鱼腥草虽未达到超积累植物的水平，但因其根系发达、 生长速度快和分布地域广的特点，对镉具有一定富集能力，是理想的修复镉污染土壤的材料。

土壤砷污染是由砷或其化合物所引起的环境污染，主要来源于工业和城市的废水和固体废弃物、农药、化肥、牲畜排泄物和生物残体，以及大气沉降物等。砷污染对环境和人体健康会造成严重影响。砷和砷化物一般可通过水、大气和食物等途径进入人体，造成危害。砷元素的毒性极低，但砷化物均有毒性，三价砷化合物比其他砷化合物毒性更强。蜈蚣草、粉叶蕨、长叶凤尾蕨、凤尾蕨等名列重金属砷超积累植物名单内，其中蜈蚣草还对铅、镉等重金属有很强的吸收能力。目前，利用蜈蚣草修复重金属复合污染土壤已在实践中获得了成功。

土壤中的铬可以通过植物摄取进入食物链，对植物的生长发育产生严重的影响，从而影响生态平衡。铬降低土壤的酸碱值（pH值），抑制植物的根系生长，破坏根系的细胞膜结构，影响植物对水分及养分的正常吸收和利用，加速植物的老化和凋谢。印度芥菜和旱柳等对铬具有超积累作用。其中，印度芥菜比其他物种多移除2倍多的铬，能减少28%的铅、48%的硒，而且在对抗锌、汞和铜元素上也很有效。在20世纪80年代，人们曾在乌克兰切尔诺贝利放射铯污染土壤的植物修复中，利用印度芥菜移除放射性铯-137（铯的一种核素）。

汞是环境中毒性最强的重金属元素之一。土壤汞污染是指由汞或含汞化合物引起的环境污染，主要来源于工业污染（如汞矿开采、燃煤发电和金属冶炼等）、农业污染（如有机汞农药的使用）以及自然因素（如火山活动）。土壤汞污染对生态系统及人类健康构成严重威胁，包括对土壤微生物、植物和人体的影响。苎麻、杨树和大米草等是重金属汞的超积累植物。一亩苎麻每年可从土壤中提取4320毫克汞。在“中国汞都”的主矿区——贵州省铜仁市敖寨乡，就大量种植苎麻以修复被汞污染的土壤，使土壤汞含量达标。苎麻是我国古代重要的纤维作物之一。它的栽培历史最为悠久，距今已有4700多年。即使在高汞条件下，苎麻的产量和品质都不会受到影响，环境效益和经济效益均十分明显。

采集回收金属

我国古代的农学家早有发现：“山上有葱，其下有银；山上有薤，其下有金；山上有姜，下有铜锡。”在自然界中，“吸金”植物不在少数。在富含重金属的地方，由于缺少竞争对手，超积累植物能活得更好，因此植物探矿成为挖矿人的一个共识。比如，红色石竹花是寻找金矿的好帮手，铀元素会使紫云英的花朵变为浅红色，在生长有大量针茅草或者锦葵的地方很可能会有镍矿，等等。

在矿山，常常采用传统的“刮地皮”的方式来挖出地下的矿物。在提取矿物的过程中，又需要大量的水、电力或化石能源来浓缩、提纯矿物。但有的地区金属含量太低，传统的采矿手段没法继续富集和开采，这时候超积累植物便可以大显身手，其富含金属的特性可以用来回收金属。

例如，天蓝遏蓝菜喜欢金属锌，它的根部有用来转运锌离子的蛋白。在缺锌的土壤中，这些转运蛋白会大量表达。而在富锌的土壤中，转运蛋白的功能会受到抑制。再如，像庭荠这样喜欢镍的植物，会将镍粒子和体能物质合成稳定的化合物，降低对自身的危害。还有喜欢砷的蜈蚣草，会将砷离子置于细胞液中，不让它进入细胞器毒害自己的器官。

再如，紫花苜蓿能够从土壤中吸收并积累钽等金属元素。钽是一种重要的稀有金属，在电子、化工等领域具有广泛的应用。由于钽与铌等元素经常共生在一起，因此分离和提取钽一直是一个技术难题。通过种植紫花苜蓿，随后收割植物并进行相应的处理，提取出其生长过程中吸收的钽。

美国农学家鲁弗斯·查尼首次尝试种植庭荠来开采镍矿。他带领的实验团队发现，在一公顷含镍量约0.2%的土地上种植庭荠，一年可以获得100千克镍，而这些镍不过是土壤中所有镍的四百分之一。在这片土地上，植物“采矿工”可以工作400年。等庭荠吸饱了土壤里的镍后，将它们晾干烧成灰烬，这些灰烬中富集有含量10%到20%的高纯度镍。如果将这些灰烬送到冶炼厂加工或提炼，就可以制成镍块、镍催化剂或其他化工产品。