這里，曾是寸草不生的“砒霜地”，

后來，恢復(fù)了郁郁蔥蔥，

石門礦區(qū)修復(fù)前后對比圖

（圖片來源：湖南日報·新湖南客戶端訊  2021-03-24  通訊員 沈宇琪）

這里曾是湖南石門雄黃礦區(qū)，是亞洲最大的單砷礦，曾經(jīng)是中國唯一的藥用雄黃產(chǎn)地，已經(jīng)有1500多年的雄黃采掘歷史。2011年，石門礦區(qū)依法關(guān)閉。但是長期開采產(chǎn)生的廢氣、廢水以及廢渣，給礦區(qū)及礦區(qū)周邊35平方公里范圍內(nèi)土壤造成了嚴(yán)重影響。得益于國家、?。ㄊ?、縣）的高度重視，這些較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，正得到有效治理。而治理工程中的重要一環(huán)，正是一株株的蜈蚣草。

那么，這些蜈蚣草有什么特殊之處，能讓它們在“砒霜地”上生長？

在雄黃礦區(qū)“獨(dú)美”的蜈蚣草

上世紀(jì)90年代，在石門縣雄黃礦采集土壤和植物樣品時，研究人員就已經(jīng)注意到了一種在當(dāng)?shù)匦埸S礦區(qū)廣泛分布的特殊蕨類植物。在幾乎寸草不生的“砒霜地”上，這種天賦異稟的植物居然可以自由生長。其特征為：近對生的修長葉片像蜈蚣的一對對步足，翻到葉片背面，紅褐色的孢子囊群和常見的蜈蚣紋色又很相似，因此，這種植物擁有了一個很形象的名字“蜈蚣草”。

國家植物園南園溫室中的蜈蚣草

（圖片來源：張何子凡 攝）

根據(jù)植物志記載：蜈蚣草（Pteris vittata L.）學(xué)名為“蜈蚣鳳尾蕨”，俗名“雞冠鳳尾蕨”“蜈蚣蕨”，是蕨類植物門木賊綱水龍骨目鳳尾蕨科鳳尾蕨屬植物。蜈蚣草廣布于我國熱帶和亞熱帶，秦嶺南坡為北界，舊大陸泛熱帶地區(qū)廣布；為鈣質(zhì)土及石灰?guī)r的指示植物；生鈣質(zhì)土或石灰?guī)r上，達(dá)海拔2000米以下，也常生于石隙或墻壁上，在不同的生境下，形體大小變異很大。

雄黃是四硫化四砷的俗稱，加熱到一定溫度后在空氣中可以被氧化為劇毒成分三氧化二砷。砷是一種劇毒元素，也是一種強(qiáng)致癌物，“砒霜”的主要成分就是砷的化合物（三氧化二砷），是最古老的毒物之一。普通的植物在雄黃礦區(qū)枯萎、死亡，而蜈蚣草在雄黃礦區(qū)長勢良好，似乎完全沒有受到砷的影響。這一異?，F(xiàn)象引起了科研人員的關(guān)注。

擁有特殊技能，

成為天然的砷超積累植物

通過對蜈蚣草的深入研究，研究人員發(fā)現(xiàn)：蜈蚣草是一種天然的砷超積累植物，具有三個特點(diǎn)：“抗”“多”“快”。

“抗”，是指蜈蚣草有極強(qiáng)的砷抗性，在砷濃度高達(dá)1500 mg/kg的土壤上（《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的25倍），蜈蚣草仍然可以正常生長，而1-5 mg/kg濃度的砷即可使水稻等普通植物出現(xiàn)砷毒害癥狀；

“多”，是指蜈蚣草具有極強(qiáng)的砷積累能力，普通植物通常只能積累<10 mg/kg的砷，蜈蚣草中最高砷含量多達(dá)10000 mg/kg，比普通植物高出20萬倍，其羽葉中的砷濃度高于根部，甚至比土壤中的砷濃度還高，達(dá)到超過干重的2%；

“快”，是指蜈蚣草具有高效的砷轉(zhuǎn)運(yùn)效率，8周內(nèi)蜈蚣草地上部分即可積累大量的砷，且大部分儲存在地上部的羽葉中；

除蜈蚣草外，與之同屬的Pteris longifolia（番蜈蚣鳳尾蕨）、Pteris umbrosa（蔭生鳳尾蕨）和Pteris cretica（歐洲鳳尾蕨/大葉井口邊草）等和與之同科的Pityrogramma calomelanos（粉葉蕨）均可以超富集環(huán)境內(nèi)的砷。

那么，蜈蚣草是如何吸收砷并確保自己不受砷的毒害呢？砷在蜈蚣草中的積累主要涉及3個環(huán)節(jié)：砷的吸收、砷的長距離運(yùn)輸、砷在葉片的區(qū)隔化。而蜈蚣草擁有一些特殊的蛋白，讓它在每個環(huán)節(jié)都成為集砷高手。

1. 砷的吸收

水通道蛋白是一種位于細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，在細(xì)胞膜上組成“孔道”，可控制水、甘油、離子等在細(xì)胞的進(jìn)出，由于三價砷與甘油的結(jié)構(gòu)類似，三價砷可以通過水通道蛋白系統(tǒng)“蒙混過關(guān)”，進(jìn)入植物。中國科學(xué)院植物研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)：相比其他植物，蜈蚣草的水通道蛋白PvTIP4;1擁有更強(qiáng)的透性，從而能吸收更多的砷。

2. 砷的長距離運(yùn)輸

在根中，砷由表皮、皮層運(yùn)至根中柱方向，在木質(zhì)部被裝載，隨后沿木質(zhì)部導(dǎo)管向上移動到地上部分。其中，木質(zhì)部裝載蛋白在蜈蚣草高效的砷長距離轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用。通過高效地將砷裝載到木質(zhì)部，使得砷從地下部到地上部的“高速公路”暢通無阻，砷就這樣被快速蓄積到葉片里。

3. 砷在葉片的區(qū)隔化

蜈蚣草中轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分的砷絕大多數(shù)貯存在羽葉細(xì)胞的液泡中。在這個過程中，液泡膜起到了“沙箱”作用，隔絕了蜈蚣草的細(xì)胞器和砷的接觸，確保了蜈蚣草的細(xì)胞器不受砷的傷害。在蜈蚣草中，PvACR3參與根的區(qū)隔化，負(fù)責(zé)As（III）在根的橫向轉(zhuǎn)運(yùn)和木質(zhì)部裝載；PvACR3;1參與根的區(qū)隔化；PvACR3;3參與地上部分區(qū)隔化。多個基因共同作用下，確保砷不影響蜈蚣草的正常生命活動。

圖2 蜈蚣草超富集砷的過程示意圖

(改自 張?zhí)锏龋隍疾葜猩槌患姆肿訖C(jī)制研究進(jìn)展,生物工程學(xué)報,2020)

特殊的蛋白導(dǎo)致蜈蚣草具有更強(qiáng)的砷富集效率，其超積累特性可能與白堊紀(jì)-古近紀(jì)邊界時期的高砷環(huán)境有關(guān)：蜈蚣草約在白堊紀(jì)－古近紀(jì)邊界時期出現(xiàn)，當(dāng)時地球化學(xué)環(huán)境中的砷濃度異常高，為了應(yīng)對富砷環(huán)境中砷對生長發(fā)育的威脅，蜈蚣草演化出了高效區(qū)隔化砷的機(jī)制。研究人員也發(fā)現(xiàn)，與之同期出現(xiàn)的鳳尾蕨科鳳尾蕨屬的其他植物也具有砷超積累特性，但是相關(guān)的機(jī)理尚待研究。

修復(fù)土壤，植物在行動

通常，土壤中的污染很難通過自然凈化去除，而換土、填埋以及化學(xué)沉降等常規(guī)物理化學(xué)方法成本高、效率低，難以大規(guī)模應(yīng)用且容易造成二次污染。植物修復(fù)（phytoremediation）是一種利用植物的生命代謝活動吸收、積累環(huán)境中的污染物，并降低其毒害的生物技術(shù)，具有治理效果好，成本低，操作簡單，對環(huán)境擾動小，后期處理簡易和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

為了解決石門礦區(qū)的砷污染問題，自2013年起，中國科學(xué)院地理科學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)在鶴山村的雄黃礦區(qū)開展“南方重金屬污染風(fēng)險區(qū)劃與修復(fù)技術(shù)研發(fā)示范”項(xiàng)目，通過蜈蚣草富集土壤中的砷，再收割統(tǒng)一處理。

在種植蜈蚣草1年之后，土壤的砷含量下降了10%，而收割的蜈蚣草葉片砷含量高達(dá)0.8%；3年后，土壤砷含量進(jìn)一步下降了30%左右；修復(fù)5年后，土壤砷平均含量達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）的要求，修復(fù)后農(nóng)田可以安全地種植普通農(nóng)作物。

在常德市政府和中國科學(xué)院的大力推動下，針對雄黃礦區(qū)周邊受污染的4476畝農(nóng)田，采用蜈蚣草-活化劑強(qiáng)化修復(fù)以及蜈蚣草-柑橘間作修復(fù)技術(shù)。通過采取綜合治理措施，雄黃礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量明顯改善，綠色植被逐漸恢復(fù)。在湖南試點(diǎn)成功后，砷污染土壤植物修復(fù)技術(shù)進(jìn)一步推廣到云南、廣西、河南、河北和四川等全國十個地方，助力當(dāng)?shù)亟鉀Q土壤的砷污染問題。

雄黃礦土壤修復(fù)一期蜈蚣草種植現(xiàn)場

（圖片來源：2018年5月2日  常德全媒）

不過，蜈蚣草本身的生長條件要求相對苛刻。作為一種蕨類植物，蜈蚣草主要生長在南方的濕潤和溫暖環(huán)境中，這嚴(yán)重地限制了它作為植物修復(fù)材料的的應(yīng)用范圍。因此，篩選和培育出生物量大、生長速度快、環(huán)境適應(yīng)性廣的工程植株已成為當(dāng)今植物修復(fù)領(lǐng)域新的研究目標(biāo)。

未來，研究人員可從多角度將來自蜈蚣草等超積累植物的吸收污染、轉(zhuǎn)運(yùn)污染、區(qū)隔污染的超富集分子元件導(dǎo)入生物量大、適應(yīng)性廣的植物載體進(jìn)行聚合，以創(chuàng)制抗性更強(qiáng)、積累能力更高的“超級植物修復(fù)工程植株”，為土壤砷污染提供更優(yōu)的“植物”解決方案。

植物修復(fù)概念圖

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