超富集植物:土壤的清洁工

不久前,澳大利亚昆士兰大学的植物学家范德恩在马来西亚加里曼丹岛偶然发现一种富含金属镍的植物——钱尼氏叶下珠。范德恩切开一株钱尼氏叶下珠,并把遇镍变红的试纸贴在切口上,结果试纸很快呈现出大面积红色。而且,从切口处流出的汁液也因富含镍而呈现出蓝绿色。为此,他想到了用这种植物来提取镍。从钱尼氏叶下珠中提取镍,或许有助于缓解现代社会日益增长的镍需求。

发现超富集植物

早在1948年,意大利植物学家就首次发现富含金属的植物——布氏香芥,它是羽衣甘蓝和卷心菜的亲缘植物。每克布氏香芥千物质含10毫克镍,是普通植物含镍量的2000倍。从那以后,陆续有几百种富含金属的植物被发现(如十字花科、凤尾蕨科、菊科、景天科、商陆科、堇菜科、禾本科、豆科和大戟科等),它们被统称为重金属超富集植物(以下简称为超富集植物),如香根草、蜈蚣草、鳞苔草和印度芥菜等。这些植物对重金属的吸收量超过一般植物100倍以上。超富集植物需同时具备以下3个基本特征:植物吸收的重金属大部分分布在地上部分;植物体内某一金属元素的浓度异常高(是普通植物在同一生长条件下的至少100倍);能在受重金属污染的土壤中正常生长,且不会被重金属毒害。

人类刚发现超富集植物时,并不知道为什么它们会积累大量的金属。有人推測,摄入重金属会使害虫中毒,因此这很可能是这些植物避免被害虫啃食的自我保护机制。在大多数植物中,金属主要在根部积累;在超富集植物中,叶片中的金属浓度高,而根中的金属浓度则较低。近年来的研究表明,植物对重金属的超富集可能是由多基因控制的复杂过程,涉及重金属离子在根部区域的活化、吸收和地上部分的运输、贮存以及耐受性等方面。超富集植物中含有对重金属具有高亲和力的大分子(如苹果酸、柠檬酸等),在吸收重金属后会与之结合并形成络合物(一种化合物),将金属富集在细胞中的液泡、细胞壁等处,从而降低土壤中游离重金属的浓度。

超富集植物治理污染

土壤中的重金属不仅会影响农作物的产量和品质,还可能进入食物链从而危害人类健康。20世纪60年代,日本富山县大量居民患上了“痛痛病”(患者会因骨骼畸形、疼痛而发出痛苦的呻吟声),就是因为长期食用种植于被镉污染的稻田的水稻产出的“镉米”(水稻对镉的富集能力比小麦和当地其他农作物都高得多)。

重金属进入土壤后,因不易随水移动且不能被微生物分解而很难被清除。采用工程法或化学法治理土壤重金属不仅成本高昂,而且还会破坏土壤结构以及土壤中的微生物群落,造成“二次污染”。种植超富集植物(也被称为“植物提取修复技术”)作为一种绿色生物技术,能在不破坏土壤生态环境的前提下。通过植物的根系直接吸收重金属元素,将重金属元素从土壤中移除,从而修复被污染的土壤。

印度芥菜和香根草是最常用于修复受重金属污染地区的超富集植物。印度芥菜生长迅速、植株较大、吸收重金属种类多,因此能够从土壤中快速、大量地吸收多种重金属。香根草(原产于印度等热带地区,在我国多分布于华南、华东和西南等地)具有适应能力强、生长繁殖快、根系发达和耐旱耐瘠等特性。香根草能在合高浓度金属(如砷、铅、铬、铜、镍、镉等)的土壤中正常生长,对铅的富集效果尤其突出。在废弃矿场周围被重金属污染的土壤中种植香根草,非常有利于土壤的复垦。

种植、收获、运输及焚烧超富集植物的过程会排放二氧化碳,且排放量超过超富集植物在生长过程中吸收的二氧化碳量。为了解决碳排放过多的问题,科学家采用了高效焚烧技术,让焚烧超富集植物产生的热量达到传统焚烧方式的2倍。这些热量被用于给焚烧厂附近的建筑物供热,减少了当地的供暖燃料使用量,因此整体看来碳排放并不多,而灰烬则可用于提取重金属。

蕨类超富集植物

某些蕨类植物所具有的特点使其尤其适合作为超富集植物。蕨类植物种类繁多,分布广泛,繁衍方式多,在各种极端恶劣的环境中的生存能力都比较强。例如,蕨类植物在养分贫瘠的土壤中、火山爆发后新形成的火山灰上,以及人工金属矿的废矿堆上都可以生长。一些蕨类植物能从环境中富集大量的稀土元素、重金属元素和放射性核素等无机污染物。

稀土元素在工业、农业、渔业及林业等领域中的应用日趋广泛,但它们既昂贵又难以获得(即使在矿井里它们的浓度也很低)。在我国江西省一些稀土矿井附近的废石堆上生长着一种名为“铁芒萁”的蕨类植物。经过现场勘查,每1万平方米富稀土土壤上生长的铁芒萁可产出约300千克混合稀土元素,其中主要包括镧、铈、镨和钕。这可谓是超级宝藏,要知道光是氧化镨矿石的价格就高达每吨31.8万元,提纯后的镨更是价格不菲。

在我国云南绿丰铜矿区附近,一些长期废弃的矿渣上生长着一种密毛蕨。这些密毛蕨不仅能在合高浓度铜的土壤中正常生长,还能从矿渣中富集铜。某些水生蕨类植物也表现出很强的重金属富集能力。蕨状满江红能富集废水中的镉、铬、铜、镍或锌;羽叶满江红能富集废水中的铅和锌;槐叶苹能富集废水中的汞、铜、铬、镍和镉。一些蕨类植物还能富集环境中的放射性核素,如蕨(歐洲蕨)对“铯137”具有较强的富集能力,这种植物在修复受“切尔诺贝利核事故”污染的土壤方面取得了良好效果。此外,放射性铯和放射性锶可以在欧洲蕨这种既长寿又能无性生殖的植物中长期存在,为研究半衰期较长的放射性核素在生态系统中的吸收和循环提供了可能。

超富集植物将大显身手

无论是制造手机和计算机等日常电子设备,还是生产风力发电涡轮机和电动汽车这类大型机械,都离不开一系列特种金属。生产手机和电动汽车的锂电池需要镍这种金属。同时,镍也是铸造不锈钢必不可少的元素。专家预测,在未来十年内电动汽车将会更加普及,工业发展对镍的需求量也会不断上升。到2025年,电动汽车产业对镍的需求量将达到2.56万吨,也就是在2019年需求量的基础上再翻一番。

镍和其他许多金属一样,是通过露天采矿获取的。露天采矿需要移除采集区域内的植被,并用炸药炸开地面。位于南太平洋的新喀里多尼亚岛(法属)拥有地球上最大的镍矿床,但连年的开采作业已经对土地造成严重破坏:地面上的树木越来越少,导致水土流失;矿场排出的污水直接流人大海,导致鱼类和珊瑚大量死亡;采掘的矿石通常用于冶炼,这又会产生堆积如山的垃圾和各种有毒烟气。利用超富集植物收集并冶炼镍对环境的影响就小得多。因此,不论是在开采矿物还是治理环境方面,超富集植物都将受到越来越多的关注。

然而,盲目种植超富集植物也会破坏生态。地球上很多富含重金属的土地都属于保护地区,具有显著的生物多样性。如果在这些地区单一种植某种超富集植物,土壤中某种金属被超富集植物大量吸收,则会打破土壤成分的平衡,给生物多样性造成灾难性的破坏。因此,超富集植物虽好,也应“量地而种”。

科学家目前还在继续寻找超富集植物。最近,科学家发明了一种更方便高效的技术来识别超富集植物——通过手持X射线荧光光谱仪扫描干燥的植物标本,就能立即识别出标本中是否含有某些金属元素。科学家利用这种方法已经发现了数百种新的超富集植物。如果它们都能被培育成功,不仅可以缓解工业上对多种金属元素的需求,还能使生态环境得到很好的改善。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午8:48。
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