陳鶯燕 劉文深 袁 鳴 郭美娜 劉 暢 HUOT Hermine湯葉濤，2，3? 仇榮亮，2，3

（1 中山大學環(huán)境科學與工程學院，廣州 510275）（2 廣東省環(huán)境污染控制與修復技術重點實驗室（中山大學），廣州 510275）（3 廣東省土壤重金屬污染修復工程技術研究中心，廣州 510275）

稀土元素（R E E s）是由1 5 種鑭系元素鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu），及其性質相近的釔（Y）和鈧（Sc）共同組成的一類化學性質相似的元素［1］。稀土作為世界上極為重要的戰(zhàn)略資源，在現(xiàn)代高科技行業(yè)、清潔能源發(fā)展和農牧業(yè)生產中發(fā)揮著日益重要的作用［2-3］。但隨著稀土需求量的與日俱增，稀土礦山開發(fā)加劇，產生了大面積的稀土廢棄尾砂地和稀土污染農田［4-5］。同時稀土在環(huán)境中的大量蓄積，可能導致稀土通過食物鏈、水和呼吸等途徑進入人體并在體內器官中分布［6］，并對人體健康產生潛在危害［7］。據(jù)報道，高稀土濃度暴露地區(qū)兒童的智商（IQ）顯著低于無污染地區(qū)兒童的智商［8］；長期的稀土暴露也可能會對人體循環(huán)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)造成損害［9］，降低人體神經(jīng)系統(tǒng)的傳導速度［10］，增加動脈硬化的發(fā)生率［11］等。因此，自20世紀90年代以來稀土被列為中國主要化學污染物之一［12］，近年在國際上也被認為是一類新型污染物［13-14］。另一方面，2010年“歐盟關鍵原材料報告”［15］和2011年美國能源局（DOE）“關鍵原材料戰(zhàn)略”［16］均指出，稀土已成為最緊缺和供應風險最高的原材料。因此從低品位稀土礦和稀土污染土壤中實現(xiàn)稀土資源化再利用已成為當前國際上的研究熱點［17-18］。

植物采礦為實現(xiàn)稀土污染地生態(tài)治理和稀土資源化提供了一種經(jīng)濟有效的解決途徑。植物采礦是指在金屬污染地上種植超富集植物，修復污染土壤、恢復植被的同時，還能通過收獲植物地上部實現(xiàn)金屬資源化。超富集植物的選擇是植物采礦成功的關鍵因素。稀土超富集植物是指能夠超量吸收稀土并將其運移到地上部的植物，且其具有極端稀土耐受性，在稀土污染土壤上能正常生長，不會出現(xiàn)稀土毒害現(xiàn)象［19］。目前判定植物是否超富集稀土元素需要滿足兩個條件：一是地上部稀土元素含量達到或超過1 000 μg·g-1的植物［19］，這一判定標準與其他微量金屬（C o、C u、N i、P b、S b）、類金屬（A s）和非金屬（S e）的判定標準相同，即超富集植物中金屬含量通常較正常植物高2 或3 個數(shù)量級［20］；二是植物地上部稀土富集系數(shù)（Bio-concentration f a c t o r，B F，植物地上部的稀土濃度與土壤中相應稀土濃度的比值）達到或超過1，表明其具有較強的稀土元素吸收轉運能力［19,21］。目前國內外已發(fā)現(xiàn)稀土超富集植物及稀土富集植物2 0多種［22-31］，主要分布在蕨類植物，以及胡桃科（Juglandaceae）、商陸科（Phytolaccaceae）和大戟科（Euphorbiaceae）等雙子葉植物中。其中蕨類植物芒萁（Dicranopteris dicthotoma）是目前葉片中稀土積累濃度最高的植物，可達3 358 μg·g-1［22］，其地上部選擇富集輕稀土元素（light REEs，LREEs，包括Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd），輕稀土的富集系數(shù)（BF）及轉運系數(shù)（Translocation factor，TF，植物地上部的稀土濃度與植物根系中相應稀土濃度的比值）均大于重稀土元素（heavy REEs, HREEs，包括Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）（表1）［32］；大生物量雙子葉植物美洲商陸（Phytolacca americana L.）葉片稀土含量最高可達1 040 μg·g-1［23］，其地上部選擇富集HREE，HREE的富集系數(shù)（BF）及轉運系數(shù)（TF）均大于LREE（表1）［23］。全面了解超富集植物對稀土的吸收轉運機理是植物采礦的重要前提條件。但迄今為止，超富集植物對稀土的吸收轉運機制的研究遠遠滯后于對Ni、Zn、As、Cd、Pb等重金屬或類金屬的研究。

稀土元素具有相似的物理化學性質，但其存在的細小差異導致稀土元素在地球化學過程中產生分異。稀土分異在過去幾十年中已被廣泛應用于地學領域；在土壤-植物系統(tǒng)中稀土元素也存在明顯的分異，從而在指示稀土吸收-轉運機理方面展示出很大的潛力［33］。因此，本文將根據(jù)超富集植物富集稀土的幾個關鍵過程，如根際土壤溶液化學過程、根系吸收、木質部轉運及地上分布解毒等，系統(tǒng)綜述根際土壤-植物體系中稀土的遷移機制及其與分異的聯(lián)系，并提出超富集植物中稀土分異的概念模型，最后展望稀土超富集植物修復應用研究的發(fā)展前景，以期為稀土污染土壤的植物修復提供理論參考。

表1 稀土在代表性超富集植物地上部的積累特征［22-23,32］Table 1 Accumulation characteristics of REEs in shoots of representative hyperaccumulators

1 稀土的根際土壤溶液化學過程與分異

大多數(shù)情況下，植物根系主要吸收土壤溶液中的自由離子態(tài)稀土（free REE3+）。對超富集植物而言，由于其吸收速率較快，當自由離子態(tài)金屬供應不足時，土壤溶液中其他形態(tài)的金屬轉化為可利用態(tài)金屬供超富集植物吸收。Luo等［34］研究表明，Ni超富集植物在低/高有機質兩種土壤中，自由離子態(tài)Ni的擴散過程均受到抑制。Wei等［35］發(fā)現(xiàn)，自然條件下生長的稀土超富集植物芒萁根系中稀土的分異模式與土壤A層中有效態(tài)稀土（1.0 mol·L-1NaOAc-HOAc，pH=4.8）的分異模式非常相似，認為芒萁根系主要吸收土壤中自由離子態(tài)稀土；芒萁根系與土壤A層中有效態(tài)稀土均出現(xiàn)Ce負異?，F(xiàn)象，進一步表明土壤溶液中稀土的含量及其存在形態(tài)很大程度上決定了植物對稀土的吸收。

稀土的自由離子態(tài)濃度和其生物有效性受根際過程影響明顯［36］。如植物根系在生長過程中可分泌草酸、檸檬酸等小分子有機酸，促使稀土從土壤顆粒表面解吸，繼而與稀土生成絡合物從而影響稀土離子向根表的擴散［37］。向土壤中添加酸醋和蘋果酸大幅提高小麥根系對La的吸收［38］以及地上部La的含量［39］；添加小分子有機酸和氨基酸促進超富集植物芒萁根系對稀土的吸收［40］；向根系溶液中添加有機配體EDTA（乙二胺四乙酸）、檸檬酸和DTPA（二乙基三胺五乙酸），小麥根和葉中輕稀土輕微富集，重稀土相對虧損［41］。表明添加有機配體改變了根系對稀土的選擇性吸收過程，進而影響其向上轉運。此外，當自由離子擴散成為速控步驟時，金屬絡合物在根表重新解離，增加局部的自由離子濃度，從而促進金屬的吸收。該方式主要發(fā)生在金屬濃度極低（nmol級別）或擴散速率較小的環(huán)境介質［42］，或吸收界面較大的生物［43］。由此可見，根際有機配體的種類和濃度是決定植物中稀土生物有效性及其分異模式的重要因素。

此外，根際土壤溶液中pH、Eh和無機離子含量等也能通過改變根際環(huán)境影響根際稀土的生物有效性，進而影響植物中稀土的含量和分異。如研究發(fā)現(xiàn)低pH時土壤中輕重稀土均易被溶解出來，使小麥對稀土的吸收選擇性降低，輕重稀土之間的分異較?。欢遬H時重稀土更易沉淀，小麥優(yōu)先選擇吸收輕稀土［44］。pH或Eh的降低有利于紅壤中吸附在Fe-Mn氧化物上的La和Ce解離釋放，使交換態(tài)和Fe-Mn氧化物結合態(tài)稀土減少［45］，從而促進植物吸收稀土。土壤中Fe氧化物含量顯著影響臍橙果實中稀土的濃度，可能是由于土壤中的稀土來源于溶解的羥基氧化鐵［46］。以上因素的復合作用影響了稀土離子向根表的擴散，從而使稀土在植物體內的分布模式產生差異。

2 植物根系對稀土的吸收與分異

當土壤溶液中的稀土離子擴散至根表，根表細胞壁上帶羧基或羥基的纖維素、果膠等大分子物質會通過吸附、沉淀、絡合等作用結合根表質外體上的稀土，減少其進入細胞原生質體中［39］。如小麥根中約60%的稀土與細胞壁結合，其中果膠結合態(tài)稀土比例達88%［41］。XAS分析表明，小麥根細胞壁吸附主要發(fā)生在酸性較強（pH=3）的溶液體系，當pH升高至5.0時，稀土離子主要以磷酸鹽沉淀的形式存在［47］。這兩種機制的共同作用，導致根部產生中稀土富集和四重效應等分異特征［47］。Shan等［40］通過電鏡研究，在芒萁根部內皮層和中柱細胞的細胞壁、細胞間質、細胞質膜和液泡中均檢測到輕稀土沉積，表明稀土在根部的運輸通過質外體和共質體途徑共同完成。但目前質外體與共質體途徑在超富集植物稀土吸收過程的作用與貢獻尚未明確。理論上推測，因為將稀土固持在根細胞壁對其向地上轉運不利，質外體吸附作用應該不是稀土超富集的主要機制。但目前關于稀土如何通過共質體途徑被超富集植物根系吸收還鮮有報道。由于稀土尚未被證實為植物必需元素，植物不太可能演化出稀土的專性吸收系統(tǒng)，推測稀土很可能通過其他元素的跨膜運輸通道進入根部原生質體。

2.1 被動擴散

稀土離子（9.6～11.5 nm）與Ca2+（9.9 nm）具有相似的離子半徑，在細胞中通常與Ca2+結合在相同的位置上，表現(xiàn)出相似的行為特征。如在水稻［48］和黑麥［49］中發(fā)現(xiàn)Ca2+與La3+、Ce3+或Eu3+等具有拮抗作用；在植物根細胞膜中La3+被用作Ca2+通道阻斷劑［50］；Y3+、Ce3+等與Ca2+競爭細胞質膜上的轉運蛋白，影響Ca2+的吸收轉運［51］；因此推測稀土可能通過Ca2+通道進入植物中。對稀土超富集植物的研究發(fā)現(xiàn)，野外芒萁植物整體相對于土壤介質更易富集輕稀土而耗損重稀土［40,52-53］，與稀土分異理論認為擴散等動力學反應優(yōu)先選擇輕稀土的觀點一致，意味著離子通道擴散可能在芒萁吸收稀土過程中起主導作用。此外，輕稀土離子半徑與Ca2+更為相近，較重稀土更傾向于使用Ca2+通道進入根系［54］。因此推測通過Ca2+通道被動擴散進入根細胞是芒萁根部富集輕稀土的主要機制。水培研究也發(fā)現(xiàn)，美洲商陸整體相對溶液也富集輕稀土［54］，與芒萁類似，說明Ca2+通道擴散可能是輕稀土進入美洲商陸根部的一種重要途徑。

2.2 主動吸收

除了Ca2+通道，很多研究還報道植物根系對稀土的吸收可能與Al、Fe和Si等元素有關。例如，研究表明La可以抑制黑麥木質部汁液中Al含量［55］，大幅提高水稻Al轉運子Nrat1的表達［56］。在Rhynchanthera grandiflora葉片中也發(fā)現(xiàn)Al和La含量存在高度相關性［57］，說明稀土可能通過Al的吸收通道進入植物中。水培實驗表明，施加能量代謝抑制劑顯著抑制美洲商陸根系稀土含量，說明其對稀土的吸收存在一個主動的、消耗能量的過程，同時Al3+的處理抑制了美洲商陸對稀土尤其是對重稀土的吸收，根中輕稀土與重稀土的比值（ΣLREE/ΣHREE）顯著增加，表明美洲商陸根系中重稀土可能與Al競爭相同的吸收通道［54］。因此推測重稀土以自由離子態(tài)形式通過Al轉運蛋白主動吸收進入根部也是美洲商陸吸收稀土的一種途徑。美洲商陸根部相對輕稀土富集和重稀土虧損，一方面可能是由于在稀土吸收中Ca2+通道起著較Al轉運蛋白更重要的作用，另一方面可能是由于從根部向地上部轉運的過程中，重稀土較輕稀土有更高的轉運能力［54］。

稀土也可能通過鐵通道蛋白被根系吸收。研究表明，Dy3+、Er3+、Tm3+和Lu3+能與鐵競爭轉鐵蛋白（transferrin）上的結合位點，與轉鐵蛋白受體結合形成復合物進入細胞內［58］。野外調查也顯示，山毛櫸、云杉、橡樹根系稀土的吸收與鐵具有相同的吸收模式，表明稀土可能通過鐵通道蛋白跨膜運輸［59］。稀土還被報道與Si存在相關性。例如富硅植物赤竹根部Si的分布與土壤硅酸鹽組分中的稀土分異規(guī)律一致［60］；在莢果蕨類根部皮層中發(fā)現(xiàn)與土壤中硅酸鹽礦物組成相似的含稀土硅石顆粒，說明該植物吸收的稀土來自土壤中的硅礦物［61］。然而，植物是否能夠直接吸收稀土與硅形成的螯合物仍然需要進一步的證據(jù)。

由此可見，超富集植物根系稀土吸收不僅涉及質外體吸附和共質體運輸途徑，還可能存在多種不同的跨膜運輸系統(tǒng)，因此有必要開展根系吸收動力學、生物化學和植物生理學的研究，結合稀土形態(tài)與分異特征分析以揭示超富集植物根系對稀土的高效吸收策略。

3 稀土在木質部的轉運與分異

稀土進入共質體和質外體后跨過凱氏帶，然后經(jīng)過植物的木質部向地上部轉運。在植物木質部中，稀土通常以自由離子態(tài)或有機絡合態(tài)形式向地上部轉運。稀土的轉運形態(tài)不同，使該過程在不同植物中產生完全不同的稀土分異模式。

研究顯示，Ni、Zn等重金屬在植物木質部中可能主要以離子態(tài)轉運［62-63］。類似地，稀土也可能以自由離子態(tài)在植物木質部轉運。野外研究顯示，芒萁從根部向上運輸過程不斷富集輕稀土，尤其莖（La/Yb=24，La/Yb: 歸一化鑭鐿比，描述輕重稀土元素之間的分異特征）與葉柄（La/Yb=136）之間分異最為顯著，意味著木質部中稀土可能主要以自由離子態(tài)隨蒸騰流向上遷移，最終卸載至葉片中貯存［35］。

有機酸對稀土在植物中的轉運起著重要的作用［64］。研究發(fā)現(xiàn)，水培條件下添加乙酸、蘋果酸、檸檬酸能夠大幅度提高大麥莖、葉中La的濃度［39］，說明小分子有機酸能夠通過與稀土絡合并促進稀土在木質部導管中的向上運輸。另有研究顯示，小麥木質部傷流液中和葉片中顯著富集重稀土，由于重稀土與有機配體的結合能力強于輕稀土，推測木質部汁液中有機配體的絡合作用可能是導致輕、重稀土在向上遷移過程中發(fā)生分異的主要原因。Yuan等［23］發(fā)現(xiàn)在贛南稀土礦區(qū)生長的美洲商陸根-莖轉運過程中稀土分異不明顯，而莖—葉遷移過程中導致葉片重稀土富集。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，美洲商陸木質部汁液中檸檬酸與葉片中的稀土含量變化呈顯著正相關性，證實了檸檬酸參與美洲商陸木質部中稀土的長距離運輸，促進葉片中稀土的貯存［54］。此外，Shan等［40］發(fā)現(xiàn)添加外源組氨酸后，蕨類植物葉片中輕稀土的含量略有增加，暗示游離組氨酸可能參與輕稀土從根到葉的轉運。天冬氨酸、天冬酰胺、組氨酸和谷氨酸等氨基酸也被報道可能與番茄木質部中La的長距離轉運有關［65］。添加這些氨基酸均促進了番茄根對La的吸收及地上部對La的積累［65］。

除了木質部傷流液中稀土形態(tài)不同以外，轉運過程造成的稀土分異還可能與植物稀土積累能力以及根—地上部的稀土分配有關。如小麥等非富集植物將更多的稀土截留在根部，細胞壁吸附和磷酸鹽沉淀很大程度控制著根中有效態(tài)稀土濃度和形態(tài)［47］，因此也部分決定了向上轉運的稀土如何發(fā)生分異；而超富集植物如芒萁將絕大部分的稀土轉運至地上部，較弱的根部區(qū)室化作用可能導致更多的輕稀土在木質部導管中隨蒸騰流遷移至地上部貯存。

以上研究說明植物遷移路徑中配體的種類和濃度及區(qū)室化機制是影響稀土在不同器官中分異程度的重要因素。因此，通過提取木質部傷流液，測定其中稀土形態(tài)組成及其分異特征，進而研究葉細胞中稀土的分布，將有助于揭示植物對稀土的轉運機制。

4 稀土在植物地上部的亞細胞分布與解毒

稀土超富集植物與普通植物的顯著不同在于稀土進入根系后大部分被轉運并貯存在地上部。由于稀土比較難以進入細胞，植物葉片中的稀土大部分被吸附在質外體細胞壁上。張智勇等［66］發(fā)現(xiàn)芒萁葉中70%以上的稀土存在于果膠質、纖維素中，說明稀土主要分布于細胞壁中，果膠對芒萁超量積累稀土起主要作用。Shan等［40］也發(fā)現(xiàn)芒萁葉片中80%左右的輕稀土結合于細胞壁，其原因可能是細胞壁上帶有自由羧基或羥基的多糖能夠有效結合輕稀土［67］。而且在芒萁葉中細胞器、細胞質及液泡中也均有發(fā)現(xiàn)稀土沉積［68］。這些區(qū)室化機制使植物在較高濃度的稀土脅迫下也能正常生長，說明稀土在地上部亞細胞水平上的分布及區(qū)室化過程決定著植物對稀土的耐受程度，這也是超富集植物能夠超富集稀土的原因之一。

研究發(fā)現(xiàn)，稀土可能與葉綠素結合，從而對植物解毒起著一定的效用。最早在蕨類植物芒萁中發(fā)現(xiàn)了配合物葉綠素-La和配合物葉綠素-Ce的存在［69］，之后在紅蓋鱗毛蕨葉肉細胞中發(fā)現(xiàn)有6 0%～7 0%的La 與葉綠素結合分布在葉綠體中［31］。盡管葉綠素-稀土配合物在天然植物體內含量很少，但尚不能否認其存在。葉綠素與稀土形成的配合物可以部分替代葉綠素—鎂的功能，甚至可能對植物的光合作用過程起促進作用［70］。此外，還有研究推測蛋白質或多肽可通過與稀土結合，使稀土失活或者對植物細胞代謝的毒性降低，參與稀土的解毒和穩(wěn)態(tài)，在稀土超富集過程中發(fā)揮重要作用［71］。

5 稀土在超富集植物中分異的概念模型

綜上所述，我們以芒萁和美洲商陸為代表，初步建立了超富集植物中稀土分異的概念模型（圖1），主要由四個關鍵過程組成：

1）根際土壤溶液化學過程：植物根系主要吸收自由離子態(tài)稀土，根際有機配體的種類和濃度、pH、有機質和離子擴散等因素，會通過絡合、吸附、解吸和沉淀等作用降低或者提高了土壤溶液中稀土生物有效性，影響根系對稀土的吸收，進而使稀土在植物吸收過程中產生分異。

2）根系吸收：稀土通常以自由離子態(tài)形式吸收進入植物根系。芒萁和美洲商陸根系可能通過Ca2+通道等低親和力運輸系統(tǒng)被動吸收稀土，其中美洲商陸根系還能通過Al轉運蛋白等高親和力運輸途徑吸收稀土。這些吸收途徑可能使芒萁根系富集輕稀土，美洲商陸根系輕微富集輕稀土。

3）木質部轉運：稀土隨著木質部流動向上轉運。其中芒萁較弱的根部區(qū)室化作用可能導致更多的輕稀土在木質部導管中以自由離子態(tài)形式隨蒸騰流遷移至地上貯存。相反，美洲商陸木質部中重稀土更易與有機酸等絡合并向地上部轉運，尤其檸檬酸在木質部重稀土的長距離轉運過程中起著重要作用。

4）地上部分布解毒：最終大量稀土貯存在植物葉片中。芒萁地上部中，稀土在葉柄向葉片轉運時輕稀土與重稀土的比值最大，葉片中輕稀土大部分被細胞壁吸收保持在質外體中，或被卸載至液泡中，也可能進入細胞與蛋白質、葉綠素等絡合進行解毒。美洲商陸葉片中解毒情況目前尚不清楚，推測可能存在與芒萁類似的區(qū)室化機制進行解毒，使重稀土大量富集在葉片中。

圖1 稀土在超富集植物中的積累、分布與分異示意圖Fig. 1 Schematic diagram of accumulation, distribution and fractionation of REEs in hyperaccumulators

6 展 望

稀土元素在土壤-植物體系中遷移與分異的理論體系仍然不健全，因此需要從下面幾個方面展開更深入的研究：

1）深入了解影響超富集植物根際稀土生物有效性的關鍵控制過程。如超富集植物根系是否分泌影響根際稀土生物有效性的小分子有機酸，這些小分子有機酸如何影響根際稀土的形態(tài)和分異特征，從而導致稀土向植物遷移過程中產生分異。根表是否存在由擴散介導的稀土絡合物解離過程，使根表附近自由離子態(tài)稀土濃度發(fā)生變化，從而影響根系對稀土的吸收。

2）根部質外體途徑運輸不利于稀土向地上部轉運，因此稀土超富集植物理應存在高效的共質體運輸途徑，然而到底存在哪些跨膜運輸通道以及方式尚不清楚，可以結合根際稀土形態(tài)和根系稀土分異特征，進一步開展根系吸收動力學、分子蛋白機制等研究，從關鍵基因的角度揭示超富集植物根系對稀土的高效吸收策略。

3）進一步研究稀土在木質部中以什么形態(tài)被高效轉運至地上部，生物大分子和有機小分子在稀土轉運過程中起什么作用，是否可以通過木質部傷流液中稀土形態(tài)組成及其分異特征去模擬這一過程？

4）稀土在葉片亞細胞水平的分布與解毒如何？除了以磷酸鹽稀土沉淀形式存在于細胞壁中進行解毒，是否存在稀土與小分子有機酸結合產生無毒或低毒復合物區(qū)室化于葉片上下表皮細胞和液泡中進行解毒？

5）進一步探索稀土超富集植物的分異模式對稀土吸收和轉運機理的指示作用。