深度解析NMT在重金属污染治理方向的应用

一、非损伤微测系统重金属研究现状

目前发表的利用扬格非损伤微测系统研究重金属污染的文章，已经积累了一定的数目。自1998年美国康奈尔大学的科研人员第一次建立非损伤微测技术（NMT）测定Cd2+的流速（Piñeros MA, et al. Plant Physiology, 1998, 116(4):1393-1401.）以来，不论是国内还是国外的科研工作者都已经在不同的材料上加以应用。在2005年NMT进入中国后，NMT能够直接检测Cd2+的流速这一特点也受到了越来越多的科研工作者的关注。随后从2010年开始，便陆陆续续的有不少国内科研工作者研究Cd2+流速的文章开始问世，应用材料也从细胞到植物、微生物都有涉猎。

比如，在2012年，中科院烟台海岸带研究所李连祯利用碱蓬为材料，来探测盐生植物和甜土植物的Cd2+转运系统（Li L, et al. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2012, 75: 1-7.），这为Cd2+的植物修复提供了一个非常稳定的理论基础。同年，湖南大学曾光明、陈桂秋利用白腐真菌为材料，实时检测了环境毒物对于H+、O2和Cd2+流速的影响，本文的结果也促进了人们理解真菌对毒物的生理反应，阐述了这种反应的机制，为基于真菌的废水处理提供了新的技术和思路。到了2013年华中农业大学资环学院的老师也利用了NMT技术研究了硅（Si）对于重金属Cd2+污染的减弱机制（Liu J, et al. New Phytol. 2013, 200: 691-699.），从而进一步探索治理重金属污染的办法。

二、研究实例1：浮萍富集重金属Cd2+的机制探讨

水污染可根据污染物的不同主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类，已有研究证明浮萍、水葫芦等水生植物对吸收或分散在水中的镉、铅、锌等重金属有一定作用。但是，对这些重金属的吸收是浮萍等水生植物生物本身的作用，还是与其共生微生物相互协同作用，需要进行验证，同时也为提升浮萍富集水体重金属的能力提供研究基础。

非损伤微测系统可以直接检测Cd2+、Pb2+、Zn2+等重金属离子的流动速率。本研究利用非损伤微测系统，观察了浮萍在对重金属Cd2+的富集作用中，浮萍根及其共生微生物对Cd2+的吸收特点。首先，对浮萍根部包括共生微生物形成的根鞘吸收Cd2+的强度进行扫描性测量，发现根鞘与浮萍根的交界处为吸收Cd2+的最强点；然后，使用酒精处理等对浮萍无损伤的方法将共生微生物杀死，在处理过程中对浮萍根与根鞘的交界处Cd2+的吸收进行了实时监测，加入100 ppb Cd2+后，交界处对Cd2+的吸收随着微生物的死亡呈发散型降低。

结果表明，浮萍本身对Cd2+吸收较弱，其对重金属镉的富集作用与共生微生物的存在是密不可分。

图注：浮萍及浮萍共生微生物，右下图为Cd2+吸收曲线。

三、研究实例2：重金属污染的植物修复

镉（Cd）是有毒的重金属，对环境造成不利影响，植物对Cd2+污染的修复逐渐成为新的研究热点。有些植物高积累Cd2+，有些植物低积累Cd2+，他们对Cd2+的胁迫反应不同，但是这其中的机制还不清楚。

2012年，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究了龙葵和水茄对Cd2+吸收差异的代谢组和转录组机理，并使用非损伤微测技术直接测定了Cd2+的吸收。研究发现龙葵是属于高积累Cd2+的植物，具有很强的Cd2+吸收能力，而水茄是低积累Cd2+的植物，Cd2+的吸收能力不及龙葵，这种吸收受到有机酸、氨基酸和基因转录的调控。研究结果为认识Cd2+的胁迫和积累机制提供了新的证据，尤其是代谢物可能提高了茄科植物对Cd2+胁迫的适应能力。

因此，使用非损伤微测技术研究Cd2+的吸收规律、富集机制和毒害反应，是将来进行植物修复的重要基础。

图注：外源柠檬酸，组氨酸，脯氨酸前处理对龙葵和水茄Cd2+流速的影响。负值代表内流。

Xu J, et al. Comparative transcriptome analysis of cadmium responses in Solanum nigrum and Solanum torvum. New Phytologist, 2012, 196(1): 110-124.

四、应用前景

研究数据显示，目前已筛选出700多种重金属富集植物，但筛选方法仍以种子萌发实验、盆栽实验等传统方法为主，周期长、成本高，逐渐成为日后产业化发展的桎梏。

以植物根系等生物活体样品作为被测材料，利用非损伤微测技术检测样品对重金属离子流入或者流出植物体的动态进行实时监测，同时比对原有重金属富集植物的离子流速特征谱，可快速实现目标植物的筛选，为日后的大规模产业化发展铺平道路。

五、文献综述

季丹丹，等. 非损伤微测技术及其在环境科学领域的应用. 生态学杂志. 2015，34（10）：2951-2955.

版权所有，转载请注明出处！