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这种农作物,能产“燃料”还能回收重金属,它就是……

  近年来,我国工业化和城市化进程不断加快,大量污染物随意排放,使得土壤重金属污染日益加剧,污染面积也在逐年扩大。2014年4月17日,国家环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,在所有调查的点位中,有16.1%的点位土壤遭受了不同程度的污染,而以镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍为代表的无机污染类型占全部超标点位的82.8%,其中以镉的点位超标率最高(图 1)。

 

图 1. 湖南省株洲市天元区镉污染稻田

 

  重金属如铅、镉等具有富集性,进入土壤后会长期蓄积并破坏土壤的自净能力,使土壤成为污染物的“储存库”。在这类土地上种植农作物,重金属能被植物根系吸收,造成农作物减产或产出重金属“毒粮食”、“毒蔬菜”。据统计,我国重金属污染耕地面积已经达到2000万公顷,每年有1200万吨粮食受污染而重金属超标,直接经济损失200亿元。日本在二十世纪发现的“痛痛病”,就是因为河流被含镉污水污染后,河水、稻米、鱼虾中富集大量的镉,通过食物链,使这些镉进入人体积累下来,病人骨质疏松、骨骼萎缩、关节疼痛(图2)。进入人体的镉,除引起“痛痛病”外,主要累积在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼中,使肾脏器官等发生病变,造成贫血、高血压、神经痛、骨质松软、肾炎和分泌失调等病症。我国自2005年以来已经发生百余起重大重金属污染事故,如云南阳宗海砷污染事件、湖南浏阳镉污染事件、湖南郴州儿童血铅超标事件等。

 

  重金属污染问题严重威胁着粮食安全和人类健康,如何有效治理土壤重金属污染越来越受到人们的关注。

 

  

图2. 被重金属污染的大米(A)及“痛痛症”患者图片(B)(图片来源于网络)

 

  在众多修复技术中,传统的物理和化学修复方法成本高,易造成二次污染。而植物修复以其高效、经济和环境友好性等优势而被广泛应用。但是,传统植物修复技术中常用的超富集植物具有生物量低、生长缓慢、富集的重金属单一、缺少经济价值等不足,限制了该技术的大规模应用。近年来,研究人员提出利用生物量高的经济作物或能源植物修复重金属污染土壤的新思路,与超富集植物相比,该类植物虽然积累的重金属浓度较低,但因其生物量高,最后吸收重金属总量可能会更多。

 

  被称为“高能作物”的甜高粱就是科学家想到的一种用于修复土壤的能源植物。甜高粱生物量大,株高可达2-5米,每公顷甜高粱能收获3-6吨种子,45-75吨茎秆,茎秆糖锤度一般为16%-22%,可产糖约6-9吨。此外,甜高粱还具有生育期短,可一年收获两季甚至多季;抗逆性强,可充分利用边际土地;适合机械化操作,人力成本低等几个重要特质。

 

  2013年,由中科院植物所、清华大学核能研究院和湖南省农业厅下属试验站科研人员组成的联合团队,在湖南境内衡阳等四地进行甜高粱吸收重金属大田试验(图3),从229个品种中筛选到15个镉富集系数大于8的品系,65个品系亩产茎秆5~10吨,在郴州市桂阳县(镉含量为11.31 mg/kg),经测算,每亩甜高粱可吸收的镉与超富集植物相当。

 

  收获的甜高粱茎秆和籽粒进一步用于生产燃料乙醇,酒糟用于燃烧发电,最终在燃烧后的灰烬中回收重金属。通过这一过程将镉从食物链转移到了能源链中,既避免了对人类健康的危害,同时又兼顾了生态和经济效益(图4)。

 

  

图3. 湖南四地区甜高粱吸收重金属大田实验

 

  

  

  

图4. 甜高粱修复重金属污染土壤流程图

 

  然而,作为一种非超富集植物,甜高粱吸收的镉多储存于根中,限制了其从污染土壤中提取镉的能力。因此,促进镉从甜高粱的根向地上部分的转运是提高其积累镉能力的关键。

 

  中国科学院植物研究所李银心研究团队对来自全球不同地区的96个甜高粱品系进行了筛选,发现不同品系对镉的耐受、吸收和转运能力具有很大差异。根据筛选结果,以镉转运能力强和弱的两个甜高粱品系H18和L69(镉转运系数相差4倍)为材料,针对影响甜高粱吸收和转运镉的关键因素开展研究。研究发现,根的吸收、细胞壁的结合、内皮层的阻隔作用以及木质部装载等多个过程的协同作用决定了甜高粱对镉的吸收和转运能力。该项研究还鉴定出多个影响镉吸收和转运的关键基因,为下一步利用生物技术提高甜高粱吸收镉的能力提供了新的靶标和思路(图5)。

 

  相关研究成果发表在国际学术期刊 Plant Biotechnology Journal,Ecotoxicology and Environmental Safety 和 Environmental Science and Pollution Research上。该研究得到了国家重点研发项目、国家科技惠民计划和科技部国际科技合作项目的资助。

 

  

图5. 镉在甜高粱不同器官和组织的分布以及影响甜高粱吸收镉的关键因子

 

  (A)盆栽利用30mg/kg镉处理时镉在甜高粱不同器官的分布(a),以及水培利用100 μM 镉处理时镉在幼茎(d)和根(e)中的双硫腙染色。R,根;BS, MS, TS分别代表下端、中间和顶端的茎;BL, ML, TL分别代表下端、中间和顶端的叶片;FL,旗叶。标尺为50μm。(B)两个甜高粱品系H18(高积累镉)和L69(低积累镉)在水培条件下,10 μM 镉处理两周后地上部分和根的图片。(C) 影响甜高粱吸收和积累镉的关键过程,包括:(a)镉从外部进入根细胞;(b)细胞壁对镉的结合;(c)内皮层质外体屏障;(d)木质部转运。Heat map图展示的是差异表达基因中参与共质体途径的转运蛋白基因和参与凯氏带形成的基因。

 

 

  文章首发于中科院之声,作者:冯娟娟,贾伟涛(中国科学院植物研究所)

 

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