4.3.2 重金属污染土壤的生态修复-2023-2024学年高二上学期生物学选择性必修二

重金属污染土壤的生态修复

 

2019版高中生物学选择性必修二介绍了湿地与矿区弃地的生态恢复：

土壤的重金属污染恢复也是目前生态恢复的重要内容。

 

重金属污染土壤的修复技术有很多，如土壤置换修复技术、电化学修复技术等，但这些技术劳动强度大，对环境二次污染严重。植物修复技术作为一种经济、环保的修复技术，有着广阔的应用前景，受到广泛关注和认可。尽管植物修复技术对环境二次污染小、运行成本低、修复效果也较好，但可用于土壤修复的植物资源稀少，修复植物的选择仅限于某些超富集植物。

目前，可利用基因工程技术对植物重金属吸收、转运相关的基因进行改造，增强植物对重金属的吸收以及对重金属胁迫的耐受性；通过接种微生物或利用材料化学技术可改善重金属胁迫下的植物生长

状况，提高其存活率，也能扩展修复植物的选择。

 

1.基因工程技术与植物修复技术联用

随着基因工程技术的发展，从分子水平上对重金属在植物中的吸收、转运、积累机制进行研究，并利用控制这些过程的关键基因提高植物修复重金属污染土壤的能力，已经成为国内外学者正在探索的一个新领域。

目前，利用基因工程技术提高植物修复重金属污染土壤能力的研究主要集中于金属转运蛋白，包括参与重金属从根的吸收到茎的转运的铁锌转运蛋白家族(ZIP)等。

由于植物的基因型基本上决定了植物对重金属污染土壤修复的效率，加上植物基因组复杂且植物育种周期长，使得重金属超富集植物的筛选和培育一直进展缓慢。近年来发展起来的CRISPR/Cas9基因编辑技术可同时针对多个基因进行靶向编辑，即可对NRAMP、CDF、ZIP等多个蛋白家族的基因进行编辑，以改变它们的表达方式或表达量，从而提高植物对重金属的吸收或耐受性。由于植物对重金属的吸收、转运和积累机制复杂，涉及的基因多，因此科研和应用的难度很大。

 

2.微生物技术与植物修复技术联用

植物根际是植物—土壤—微生物相互作用的复杂区域，其中的微生物对植物在重金属污染土壤修复过程中有着非常重要的影响。微生物可以改变土壤的理化性质进而改变重金属形态，也可以分泌有机酸、

表面活性剂等对重金属形态进行改变，使植物可以更容易吸收土壤重金属，从而提高植物修复效率。

 

（1）植物根际促生细菌(PGPR)的作用

PGPR因其对重金属等外部不利环境有一定抗性，并具备维持土壤肥力、促进植物生长的能力，因此可增强植物对重金属污染的修复能力。PGPR产生的生物表面活性剂是既含有亲水基团又含有疏水基团的两亲化合物，可在土壤界面与重金属形成复合物，然后通过降低土壤与水的界面张力将土壤中的重金属解吸，提高重金属的生物有效性，进而提高植物修复效率。

此外，PGPR分泌的胞外多糖(EPS)是一种由多糖、蛋白质、腐殖质和糖蛋白等组成的高分子量次生代谢复合物，因具有羟基、磷酸根等功能基团可与Cd、Cu、Pb等重金属进行络合，从而降低重金属的毒性，也可提高植物修复重金属污染土壤的能力。由此，将PGPR与修复植物结合的植物—微生物修复技术得以发展。

另一方面，PGPR对植物的生长有促进作用，包括固氮作用、溶磷作用和分泌植物激素的促生作用等。PGPR分泌的生长素(IAA)可促进植物生长、提高植物应对不良环境的能力。当植物处于重金属胁迫时，植物根系受到抑制，PGPR可通过ipdC基因参与IAA的生物合成调控，在植物的根系发育、细胞信号传导以及诱导植物抗病性等方面发挥积极作用。

已有研究发现，PGPR中存在多个基因参与调控植物激素、铁载