超富集植物筛选的理论与实践

超富集植物界定标准的补充与完善

常常有人骄傲，中国“以占世界7%的土地，养活了世界上约22%的人口”。然而，我国的土壤污染形势也十分严峻，据估计，目前中国包括受重金属污染在内的耕地，面积约占总面积的1/10―1/5。较传统的修复污染土壤的物理或化学方法因其面积巨大，污染水平相对较低，在技术上和经济上均难以实施，这给重金属污染农田的修复带来了困难。

在这种背景下，对环境扰动较少、修复成本较低且能大面积推广应用的重金属污染土壤植物修复技术应运而生，为重金属污染治理提供了新途径。然而植物修复技术成功的关键在于寻找超富集植物，但当前所发现的能够真正应用于植物修复技术的超富集植物并不多，首先是针对超富集植物的衡量标准，学术界就存在诸多争议。

早前国外学者经过大量研究，提出了超富集植物判断的2个特征，即临界含量特征和转移特征，然而，这两个特征虽被广泛认可，但所报道的超富集植物往往植物矮小、对重金属耐性较弱，当重金属污染严重时，植物生长受到严重抑制。又或植物体内重金属含量虽较高，但当污染土壤中重金属含量更高时，即其富集系数却相当低。因此，这些植物本身虽可能具有较大的科学价值，但往往缺乏实践意义。

为了弥补这些缺陷，魏树和通过系统研究，发展、完善了超富集植物的界定特征，即除了上述两个特征之外，新增了耐性特征和富集系数特征，这两个特征的提出，使筛选出的超富集植物更具有实践应用价值。

杂草中超富集植物的筛选

自然界万事万物有着相生相克的神奇，治理重金属污染的“解药”竟然也可以是杂草植物。

以往，人们寻找超富集植物，大多是在污染区如采矿区通过采样分析的方法进行的，并认为植物对重金属的超富集特性是对重金属污染长期适应和产生变异的结果。这一理论无疑具有它的正确性，但问题在于：在污染区采样时，植物已是群落演替的顶极群落，那么其群落演替中的先锋植物种或中间植物种，以及在污染区没有分布的植物中就没有超富集植物吗？况且植物既使不在污染环境中也会产生变异。因此，不能否定在未染区就不存在超富集植物。还有，在污染区筛选超富集植物的方法也存在着植物种识别困难、采集目标植物不明确、许多超富集植物容易被漏掉等问题。

通过大量研究，魏树和认识到：杂草植物是植物修复的较好资源，以杂草作为筛选对象可能会使植物修复研究获得突破。这是因为：杂草植物抗逆境能力较强，具有广泛的适应性和顽强的生命力，这些特性可能使杂草对重金属有较强的耐性；同时杂草与作物相比也具有较强的争光、争水、争肥能力，吸收能力很强，这种较强的吸收特性可能利于杂草植物对重金属的积累。

基于上述研究进展，魏树和构建了以杂草植物为筛选对象，土壤盆栽试验、小区试验、污染区重点采样分析试验相结合的超富集植物筛选方法，对超富集植物进行了系统筛选。这些方法虽不是魏树和本人的发明创造，但却使超富集植物筛选更具有系统性和针对性，可操作性更强，更容易在几十万种植物中找到筛选超富集植物新的突破口。

通过具体操作实践，魏树和在105种农田杂草植物的系统筛选研究中，首次发现了龙葵、球果菜和三叶鬼针草为镉超富集植物，蒲公英等4种植物为镉富集植物，并因此获得4项相关的国家发明专利。这不仅为我国获得具有自主知识产权的超富集植物及其筛选方法创新方面取得较大进展，而且证实了上述理论的正确性和思路方法的先进性，可谓是超富集植物筛选方法论上的重大突破。

植物修复实践研究

目前，从国内外的工程实践来看，植物修复技术尚存在一些需解决的问题，如所采用的超富集植物绝大部分都生长缓慢、生物量低，需要通过相应措施提高超富集植物生物量或植物富集能力，从而提高超富集植物的提取效率。

在此背景之下，魏树和通过研究发现，龙葵、球果菜的茎和叶是镉的主要富集器官，开花期2种植物地上部对镉的提取率分别达到了成熟期对镉提取率的87.5%和71.4%。因此，采取在开花期收获植物再种植下一茬植物同时也在开花期收获的“二段式”修复方法，可以缩短了修复周期一倍并使修复效率提高了75%和43%。

在这一思想指导下，2009年，依托国家“863计划”课题，采取上茬开花期收获超富集植物龙葵，下茬种植低积累大白菜的方法，魏树和首次构建了Cd―PAHs复合污染菜田土壤边修复边生产大田试验，面积约1300平方米。

2011年3月至9月，依托国家“863计划”滚动课题，采取在低积累大葱生长3个月后，再在大葱垅间种植超富集植物龙葵的方式，魏树和首次构建了菜田Cd―多菌灵复合污染土壤边修复边生产大棚试验，面积约1500平方米。

而这两次实验结果均再次证实了，魏树和提出的开花期收获超富集植物的“二段式”修复方法，不仅缩短了修复周期并且提高了修复效率。

对科学研究的思考

魏树和是中国科学院沈阳应用生态研究所研究员，博士生导师，污染生态过程学科组长。主要研究方向为污染土壤修复与安全利用，以及村镇生活固废资源化利用。

繁重的工作之余，魏树和也在不断沉淀着对科研和生活的思考。在美国Florida大学以visiting scientist身份从事合作研究的一年时间里，他经常思考的问题是“为什么美国的科学研究能够始终走在世界各国的前列？”带着这样的疑问，他一方面努力开展自已的研究项目，一方面极力与美国教授展开学术讨论。他发现其中一个十分重要的原因是他们较好地尊重了或者说严格地遵循了科学发展规律。他们对勤奋刻苦的劳动虽同样会投以赞赏的目光，但更重要的是，他们要看你都做出哪些成就，从始至终是否符合科学规律。对于初步的研究结果，他们宁可在手里留上3年也不轻易发表。他们对科学研究的态度是“work hard， work smart”。

其次，美国的大学虽没有时时把学科交叉的重要性挂在嘴边，但它的制度却为科研人员进行学科交叉式的研究或培养创造着条件。学校里的研究基本上是以一个教授与一个实验员及几个研究生组成的研究小组为单元展开的，但严格规定每个小组只能拥有一台较高级或者说是较尖端的仪器，所有的仪器各小组均可有偿使用，平时的维护由各组出资。在这种条件下，一个硕士生或博士生要想完成学位论文，他/她就不可避免地且十分自然地辗转于几个实验室之间，接受不同研究方向教授的指导。从而，表面上看是只有一个教授单打独斗式的培养方式，实际上却是有众多的教授在做实际指导。

从事科研工作的这些年里，魏树和也不忘总结自己的心路历程。他说，科学研究是个体创造的过程，只有全身心地投入，时时想着自已要解决的问题，才能从布满荆棘的科学难题中杀出一条血路。其次，科学也是一个承上启下的过程，我们的研究总是在前人的基础上进行的。但我们的思想不应被前人开创的局面所束缚，要立足于自我思考，不能人云亦云，符合事实的东西就应坚持。在工作中，应积极与团队成员展开交流，只有得到他们的帮助才能获得长足进步。而得以充分交流的最好办法就是先去帮助别人，在劳动中增长知识与技能，这也符合“付出总有回报”的真理。