环境修复植物学

1 绪论 1.1 环境修复植物学的基本概念 1.1.1 环境与环境污染 环境（environment）是客体，是与某一主体事物的存在、变化、发展相关的所有其他客体事物的统称。因此，环境是相对某中心事物而言的，指相对并相关于某项中心事物的周围事物，即围绕中心事物的外部空间、条件和状况，构成中心事物的环境（何强，1994）。环境因中心事物的不同而异。对于文学、历史和社会科学来说，环境是指具体的人周围的情况和条件。而对生物学来说，环境是指生物周围的气候、生态系统、周围群体和其他种群。根据环境的属性，通常将其分为自然环境、人工环境和社会环境。自然环境也称地理环境，是指环绕于人类周围、未经过人为改造、天然存在的自然因子，是生物个体、种群或群落生存空间自然条件的总和，即无机因子（光、热、水、土壤、大气等，或称为非生物因子）和有机因子（动物、植物、微生物及人类，也称为生物因子）的总和。自然环境中各种有机因子和无机因子相互作用，形成生物赖以生存的各种各样的环境条件，也是人类赖以生存和发展的物质基础。按照环境要素来分类，可以将其分为大气环境、水环境、地质环境、土壤环境及生物环境，主要是指地球的五大圈——大气圈、水圈、土圈、岩石圈和生物圈。 环境污染（environmental pollution）是指环境因素受人类生产和生活过程中废弃物和有害物质的影响，改变了环境原有的性质（如组成成分）或状态的现象。人们在生产、生活过程中不断向环境排放过量的污染物质，并超过环境的自净能力，使环境要素和状态发生改变、环境质量化，干扰和破坏了生态系统的稳定和人类的正常生活生产条件（任金旺和陈茂玉，2005）。例如，盐碱和重金属虽然在土壤中自然存在，但工农业生产活动加速了盐碱、重金属、杀虫剂、酸雨和石化产品等有机和无机污染物的释放。这类污染物绝大部分不能降解而是沉积在环境中。快速过度的累积导致地力退化、森林毁灭、土地沙漠化、生物多样性丧失，以及与环境退化相关的其他问题，即环境污染*终导致人畜疾病的传染，生态环境物种多样性与景观受损（张艳华，2007）。 环境污染的种类很多，依据其存在的方式大体上分为大气污染、水体污染和土壤污染三大类。 大气污染（air pollution）：是指在空气的正常成分之外，增加新的成分或原有的某些成分剧增，对人类健康和动植物生长造成危害，甚至引起自然界的某些变化。例如，工厂排出的废气、汽车排出的尾气、吸烟产生的烟雾等进入大气中，洁净的大气被有毒有害气体或悬浮物颗粒污染。有数据显示，全国500多座城市，空气质量符合国家一级标准的不到1%，尤其是工业发达地区，空气混浊，含有大量重金属元素、浮尘、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、苯并芘（benzopyrene）、氮氧化物（NOx）、烃类（HC）等致癌物质。尤其是SO2气体在不少工矿区超过了5.0μg/g，酸雨沉降大面积发生，造成土壤和水体酸化，农作物、树木、鱼、虾等生物大量受害或死亡。大气中CO2含量的增加，臭氧层变薄，造成大气温室效应，使全球气温升高，气候反常。 水体污染（water contamination）：是指排入水体的污染物质超过了水体自净能力，使水中的成分及其性质发生变化，水体环境恶化，水生生物的生长受到损害，人类生活和健康受到不良影响。例如，未经处理的加工业、生活和医院等场所的废水随意排放，导致其邻近河流变成纳污河；农业生产中化肥、农药的不合理使用，导致邻近河流等水域生态系统富营养化，地下水的总矿化度（total mineralization）、总硬度（hardness）、硝酸盐（nitrate）、亚硝酸盐（nitrite）、氯化物（chloride）和重金属（heavy metal，HM）含量逐渐升高；畜禽养殖废弃物不经处理直接排放，造成周边环境（特别是地下水）的污染，湖泊变成蓄污池，水生生物锐减，人畜中毒事件时有发生。 土壤污染（soil contamination）：是指由于土壤中某些有毒有害物质突然升高，超过了土壤的自净能力，导致土壤的理化性质发生变化，土壤中生物的生命活动受到抑制和破坏，土壤肥力降低，农作物生长发育受阻，产品质量变坏等。例如，采掘业、冶金、交通工业导致地表金属离子和近地面氮氧化物（NOx）含量增加，农业过量施用化肥、农药产生农田面源污染，被污染的大气和水环境污染物*终回归到土壤，导致土壤被污染等。 由此可见，大气、水体及土壤环境的污染极大地改变了各类生物生存的界面和空间，导致生物物种减少、自然灾害频繁、疾病流行时常发生。 1.1.2 环境植物与环境植物学 作为生态系统中的初级生产者，植物通过其生命活动捕获二氧化碳转化成有机物，释放氧气，直接或间接地为其他生物提供食物、能量和栖息场所，创造并维持着人类赖以生存的生活环境。因此，环境植物（environmental plant）是指所有能够吸碳制氧（即吸收 CO2，释放氧气）、保土蓄水、维持生态环境稳定，或者能够促进生态环境更有利于人们工作、生活的植物，如经济植物（粮油植物）、园林植物（木本和草本的观花、观叶或观果植物）、水土保持植物、防风固沙植物（绿地和风景名胜区的防护植物），以及修复退化或污染生态环境的各类植物。在工业化进程中，植物因其具有特殊的生命活动（光合作用）而成为环境的平衡者，维持着人类与生物赖以生存的生活环境与生态环境的平稳。 生存环境的日益恶化及人类对资源需求的不断扩大，对生命科学提出了越来越高的要求，人类*终只有依靠所掌握的特定的生物学规律，尤其是植物学知识，才能解决人类所面临的生存问题。植物在适应多样化环境的过程中，都发展出了各自独*的形态结构、生理生化特性、繁殖特点等，构成了地球上种类繁多的植被景观与生态系统（周云龙，2004），成为人类赖以生存的基础。因此，常常会看到在不同的环境里生长着不同的植物种类，栽种不同类型的植物需要选择不同的环境条件，植物与环境存在辩证统一的生态关系。一方面是植物个体或群体对不同环境的生态适应或环境对植物的塑造作用，即环境中的各个生态因子都对植物产生影响，使其在生长发育、形态结构、生理功能等方面发生相应的变化；而另一方面则是植物对环境的影响或改造作用，即植物对环境的作用产生各种不同的反应和多种多样的适应性（缪汝槐，1998）。因此，环境植物学（plant science of environment或environmental phytology）是指研究植物及植物群落与环境相互关系的学科。其中包括研究自然环境中各生态因子对植物及植物群落形态结构、生理生态特性变化的影响，主体是植物个体水平的生理生态学研究，侧重于不同环境条件下植物生长发育过程的机制和规律研究，探讨植物与环境之间的相互关系和相互作用，是植物生态学的分支学科，主要内容包括侧重于环境的实验植物生态学，以及以生态系统产出为重点的生产生态学（production ecology）。在我国，虽然环境植物学和实验植物生态学工作涉及方面较广，但与地植物学相比，环境植物学和实验植物生态学目前只能说有了良好的开端，尚未形成体系。 1.1.3 污染环境修复植物学 修复（remediation）是工程上的一个概念，是指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程。它包括恢复、重建、改建等三个方面的活动。恢复（restoration）是指使部分受损的对象向原初状态发生改变；重建（reconstruction或 rehabilitate）是指把完全丧失功能的对象恢复至原初水平；改建（renewal）则是指对部分受损的对象进行改善，增加人类所期望的“人造”特点，减少人类不希望的自然特点。因此，环境修复（environmental remediation）是指借助外界的作用力，使环境的某个受损的特定对象部分或全部恢复成为原初状态。而污染环境修复（remediation of contaminated environment）则是指针对被污染的环境采取物理、化学及生物学技术与措施，使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化。常见的修复材料包括不同种类的微生物、动物、植物、非金属矿物及无机、有机化学药剂等（杨慧芬和陈淑祥，2008）。而以植物为修复材料对污染或退化环境进行修复就称为植物修复（phytoremediation）。 在环境科学中，植物监测已成为一门学科，即以植物为分析对象，了解环境污染的状况和程度、污染物质的成分及其分布，植物起着“感应器”的作用。然而，植物除能感知污染，以其自身的伤斑和伤势来提醒人类环境已被污染外，还能利用其吸收、降解、挥发、过滤和固定等作用，净化土壤、水体和空气中的无机和有机污染物。因此，以植物忍耐和超量累积某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其根际圈共存微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用清除或降低环境中污染物的一门环境污染治理技术称为植物修复技术（phytoremediation technology），即污染大气、土壤、水体等环境的“植物疗法”。概括地说，就是利用植物治理土壤、大气和水体污染环境，清除环境中的污染物或是将有毒物质毒性水平降低。具体地说，是利用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用，利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈微生物的生长繁殖，以及利用某些植物的特殊积累与固定能力，提高植物对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解能力（唐世荣和Wilke，1999）。植物修复技术也就是把一些对污染物具有忍耐力和高累积潜力的植物种植于污染区，利用植物自身的生长代谢或与其根际微生物共同作用，将污染物质吸收、固定或消除，随后在适当的时间对植物进行收割处理，使被污染的环境恢复到原初状态的一种原位污染治理技术。该技术可广泛应用于土壤、大气和水体污染的治理（杨慧芬和陈淑祥，2008）。由此可见，植物既是环境污染的受害者，也是环境的改造者，在环境保护中起着至关重要的作用。 了解植物在污染环境修复中的生长发育规律，发挥植物净化优化大气、水体和土壤环境的特殊功能，有助于更好地利用植物为环境服务。环境修复植物学（plant science of environmental remediation）就是针对退化（污染）环境修复过程中，从植物形态结构、细胞及分子水平研究植物对典型污染物胁迫的形态、生理生化与分子生物学的不同响应，揭示环境污染这种特殊的胁迫因子对植物产生影响的生理生态学机制，以及植物的生态适应性遗传规律的学科。环境修复植物学是环境植物学的一个分支，也是植物生理生态学在污染或退化环境修复治理中的应用研究。 1.1.4 环境修复植物学的研究内容与任务 环境修复植物学是植物学（或植物生物学）在退化环境修复应用领域的拓展，并与植物分类学、地植物学、植物生理生态学、污染生态学、土壤学、环境化学、环境生态学、植物营养学、分子生物学与基因工程等多学科互相交叉渗透，在多学科交叉点上形成的一门新的环境治理理论与技术。其研究内容是应用植物学及其相邻或交叉学科的基础理论与方法、现代科学技术（如基因工程方法与技术），以及各种物理、化学分析技术与方法，以植物对环境的反应为基点，研究典型污染物质对植物形态、生理代谢、遗传物质的影响和危害，以及植物生长发育和遗传对环境污染的响应，探讨和认识植物对污染环境的适应和植物的微进化过程。其重点研究植物对污染环境的净化功能、植物对污染环境的修复潜力、植物修复技术的实际应用及植物对环境污染的监测等内容，特别是人类活动干扰和胁迫环境条件下植物对污染环境的适应性的基础研究与应用基础研究，为我国的环境安全提供理论依据、战略决策、示范模式和技术支撑。 1.2 环境修复植物学的研究进展 1.2.1 植物修复概念的提出与发展 植物修复一词的英文“phytoremediation”来源于希腊语“phyto”（即植物）和拉丁语“