清理重金屬污染的植物
93/08/02
瀏覽次數
49105
葉顓銘｜
成功大學生命科學系
陳少燕｜
成功大學生命科學系
黃定鼎｜
成功大學生命科學系
黃浩仁｜
成功大學生命科學系
土壤的重金屬污染，困擾著許多國家，而含有重金屬的農作物，更成為令人聞之色變的社會新聞。然而，在科學家眼中，會吸收重金屬的植物，卻可能成為受重金屬污染土地的超級清道夫。目前已有許多專業清理環境污染的公司及研究單位，正計畫利用這些可以累積高濃度重金屬的植物，進行土地復育的工作，希望未來可以透過這種方式把已受重金屬污染的土地還原成淨土。
可怕的生物放大作用
過去數十年間，臺灣歷經了一場經濟革命，從傳統的農業社會逐漸蛻變轉型，邁入經濟發達的現代化工商業社會。雖然臺灣人民憑藉著勤勉與努力，創造了舉世稱羨的經濟奇蹟，卻也因此葬送了寶貴的環境生態，使得生態保育面臨空前的大浩劫，破壞了臺灣在世人眼中福爾摩沙–美麗之島的美譽。世界上大部分的工業國家，包括臺灣地區，有許多農地及河川下游土地都受到嚴重的重金屬污染，所謂重金屬是指一群密度超過每立方公分五克的元素，目前已知大約有四十種左右。在英國本土已發現有二十萬處受重金屬污染的場址，而美國政府更估計需要花費七十一億美金，才可能清除國內所有受重金屬污染的土地。
以臺灣地區土壤受重金屬污染的歷史背景而言，最著名的是桃園縣觀音鄉大潭村及蘆竹鄉中福村的鎘米污染事件，這兩個案例都是化學工廠不當排放含鉛及鎘的廢水，造成下游約一百一十公頃的農田受污染。農田土壤一旦遭受重金屬污染，會嚴重危害作物的生長，如生長在含有鎘污染土壤中的水稻秧苗，其生長明顯受到抑制；除此之外，還會使稻米累積過量重金屬，危害人體健康。因此政府不得不採取強制休耕，以進行土壤復育。
臺灣南部各主要河川受重金屬污染的情形都相當嚴重，這些河川流域的土壤也無法倖免。以二仁溪為例，不論其下游或支流，河水本身及底泥都有嚴重的重金屬污染，其中又以銅、鋅、鉛、鎳及鎘為主要污染源。由二仁溪下游灣裡地區的土壤中所萃取出的銅、鋅及鉛的含量，比外圍未污染地區的土壤高出20～40倍。
根據環保署在民國八十九年的監測資料顯示，二仁溪出海口的水質持續遭受二仁溪河水的嚴重污染，在重金屬污染方面，銅、鋅及汞的含量都偏高。這些重金屬可能以直接或間接的方式進入食物鏈，使得人類和其他生物吸收、累積而造成毒害，這就是所謂的生物放大作用。例如民國七十五至七十六年間，高雄縣茄萣鄉沿海的養殖業即發生綠牡蠣死亡事件，由調查報告得知，該事件主要肇因於海水遭受重金屬污染，污染源則是來自二仁溪沿岸工廠所排放的廢水與臺南市灣裡地區的廢五金酸洗廢水，廢五金裡的銅溶解在河水中後，順流而下，經出海口的養殖牡蠣吸收後，使其外表呈現綠色且大量死亡。
雖然重金屬對人體健康、農漁業及環境生態造成許多負面影響，許多重金屬（如銅、鋅、鐵、錳、鎳及鈷等）在植物生長及發育過程中卻扮演了相當重要的角色，因此這一類的重金屬元素被歸類為「必須金屬元素」。以鋅為例，它在多種酵素中扮演輔助因子，可以影響酵素活性的高低，在缺乏鋅的培養環境中會造成植物黃化等病徵。而銅在植物體內所扮演的角色，除了是酵素輔助因子外，也是呼吸及光合作用中電子傳遞蛋白質的輔助元素。
除了必須的金屬元素外，植物體內也會累積一些非必須的重金屬，如鎘、汞、銀及鉛等離子。一旦植物吸收過量的非必須重金屬，便會造成毒害，高濃度的銅可以在短時間內造成植物根部細胞死亡，其原因主要是高濃度重金屬會刺激細胞，產生活化氧族及自由基，使得細胞處於氧化逆境，進而抑制植物的生長。
重金屬污染地的植物多樣性
雖然遭受重金屬污染的土地會嚴重影響植物的生長與生存，幸而自然界中植物種類相當繁多歧異，並非在重金屬污染的土地上全然沒有植物生長。早在一八六五年時，就有學者在德國及比利時發現一種十字花科的植物（Thlaspi caerulescens），這種植物可以適應含鋅量相當高的土地，對這種植物進行灰分分析時，發現鋅的含量占總乾重的17％。到了一九四八年時，有學者在義大利發現另一種可以蓄積大量鎳（約10,000微克／克乾重）的十字花科植物（Alyssum bertolonii）。這些可以生長在富含重金屬地區的植物，已經演化出抵抗重金屬的能力，這一類的植物被通稱為「重金屬性植物」（metallophytes）。學者在研究「重金屬性植物」時發現一個有趣的現象，不同種類的植物，個別對特定重金屬具抵抗性及累積性。
經由多年來的研究，目前對「重金屬性植物」的生存策略已有初步的了解，一般可以歸類為以下三種方式：一、防止重金屬進入植物體內，避免重金屬累積在細胞中而造成毒害。二、將重金屬排出細胞外以避免毒害細胞本身，例如日本的奈良科學與技術研究所及日立科學系統公司的研究員發現，菸草可以透過葉片細胞上的絨毛將體內的鎘排除。三、利用某些蛋白質或化學物質直接與重金屬結合，累積在液胞中，進而降低重金屬的負面影響。
能夠吸附重金屬的物質相當多，包含檸檬酸與蘋果酸等有機酸、胺基酸、植物螯合素及金屬含硫蛋白。植物螯合素和金屬含硫蛋白是一群可與重金屬結合的蛋白質，當植物體遭受重金屬刺激時便會大量合成。這種受重金屬誘發的金屬含硫蛋白，也證實存在於動物及真菌中，而且同樣在抗重金屬逆境上扮演重要角色。甚至有研究人員把植物中合成此蛋白質的基因轉殖到動物細胞內，發現同樣能提高動物細胞抗重金屬的能力。
根據貝克與布魯克的定義，能在體內聚積一定濃度以上的重金屬，且沒有明顯毒性症狀產生的植物，可稱為「重金屬高聚積植物」。以鎘而言，植物體內累積的量超過乾重的0.01％即可稱之，銅、鎳、鈷及鉛必須大於0.1％，而鋅及錳則需超過1％。重金屬高聚積植物主要可區分為三大類群： 銅／鈷聚積植物、鉛／鋅／鎘聚積植物及鎳聚積植物。目前已有許多重金屬高聚積植物相繼發現，其中熱帶地區的重金屬高聚積植物大多屬於大戟科，而溫帶地區則是十字花科。許多十字花科的植物可聚積超過1％的鎳，有些則可聚積超過1％的鉛及3％的鋅，而部分水耕栽培的阿拉伯芥屬植物，地上部鋅的濃度可達32,000微克／克乾重，甚至有植物的膠乳中可累積高達11％乾重的鎳。
目前加拿大已建立重金屬高聚積植物的資料庫，收集數百種具有清除重金屬潛力的植物，其中有一部分是生活中常見的作物，如向日葵、包心菜、芥菜及天竺葵等。大部分已知的重金屬高聚積植物，是在重金屬高含量區發現的，且只分布於這些區域，這顯示植物聚積重金屬的能力，可能是處於環境壓力下所產生的生態生理適應現象。而重金屬高聚積植物物種的分布，也呈現地域性的差別，已發現的鎳及鋅高聚積植物主要分布於南歐、中歐和小亞細亞。這些重金屬高聚積植物之所以引起科學家的高度興趣與重視，主要在於它們可以清除土地中的重金屬污染。
大部分植物無法生長於含大量重金屬的土地上，何以有些植物卻能演化成可以累積大量重金屬呢？這是一個值得生物學家重視的問題。有許多學者已經提出假說來解釋此種現象，其中最吸引人注意的是植物防禦假說。大家都知道蝸牛和毛毛蟲等草食性動物會啃食植物葉片，然而植物卻無法閃避，或利用肢體運動將牠們驅離，所以只好藉由武裝自己，使體內含有劇毒，以驅趕或毒害入侵者來進行自我防禦。
一般而言，植物是藉由體內合成的次級代謝物質來做為化學防禦武器，在澳洲即發現部分植物可以濃縮自己組織內的氟，進而產生次級代謝產物氟乙酸，氟乙酸的毒性極強，進入動物體內，會與輔酶Ａ形成氟乙酸輔酶Ａ，繼而形成氟檸檬酸，使檸檬酸循環中斷，影響氧化磷酸化過程，造成神經系統和心肌損害。
學者根據此一植物防禦假說加以延伸，認為植物大量累積重金屬的目的，和大量累積有毒次級代謝物以毒害草食動物是一樣的。為了達到這個目的，植物逐漸演化出可以抵抗重金屬的特性，而使本身不受重金屬的毒害。因此植物根部可以持續吸收土壤中的重金屬並累積在地上部，造成植物體內重金屬含量增高，亦即體內有毒物質增多，如此一來便可使入侵的生物中毒，以達到自我防禦的目的。目前已有多篇試驗報告支持這樣的論點，如一九九四年開始就有學者利用十字花科植物經由一連串試驗，證實植物葉片內累積高濃度的鎳可以使多種草食生物中毒，並且降低細菌及真菌的感染。此外，利用可累積高濃度鋅的十字花科植物進行試驗也獲得相似的結果。
生物科技在植生復育上的應用
植生復育的定義是，直接利用植物把受污染土地或地下水中的污染物（重金屬、有機物……等）移除、分解或圍堵。目前普遍認為利用植生復育的方法，來清除受重金屬污染的土地，是一種較便宜且方便的作法，甚至有科學家指出，可利用植物的這種特性開採土壤中的金屬礦物。美國紐澤西州即成功地利用植生復育的方法，把一處因製造電池而導致鉛污染的土地復育成功。透過了解植物在重金屬環境下的生存策略，有助於人類利用生物科技製造出可以大量吸收重金屬的植物。基本上可以有效清除重金屬污染的植物，最好須有下列特徵：生長快速、根系能深植土壤、容易收割、能夠容忍並累積多樣化重金屬。
然而，目前在野外所找到的植物，幾乎難以完全具備上述要求，因此，唯有利用基因工程的方法，來生產這種能夠清除重金屬的植物。目前國內包含臺灣大學、中山大學、成功大學、中央研究院及農業試驗所等教學及研究單位的學者，已投入這方面的研究，且得到令人滿意的結果。這些研究團隊的研究方向主要集中在植物如何接收重金屬逆境的訊號，如何傳遞此訊號給下游的酵素或蛋白質，及最後啟動哪些基因合成蛋白質，以促使植物可以抵抗重金屬逆境，並能累積高濃度重金屬到植物細胞內。此外，蒐集臺灣本土重金屬高聚積植物的工作也在同時進行中。
由於阿拉伯芥與水稻兩種模式植物的基因密碼已完成定序，加上目前已開發出的生物晶片，未來將有助於研究人員尋找植物中受重金屬誘導而表現的基因。此外藉由大規模搜尋阿拉伯芥突變株中被破壞的每一個別基因，也可使研究人員真正了解究竟那些基因與植物在重金屬逆境下的生長有關。當然從其它模式生物如細菌及酵母菌，甚至高等哺乳動物系統所獲得的資訊也是很有幫助的。藉由這些分子生物學的方法所得到的結果，除了有助於我們了解植物在重金屬逆境下的生存策略外，未來也可應用於生物科技產業，幫助我們開發可大量累積重金屬的植物新品種，供作植生復育用。
有關植生復育的研究工作，主要是以下述兩種策略進行，首先是藉由在植物體中大量表現，已存在於體內且和聚積重金屬有關的單一基因，促使植物累積重金屬的能力增強。另一種方法則是將一整套外來的，參與重金屬代謝、吸收及累積途徑的所有酵素，利用基因轉殖的方式送進植物體內。目前已經有許多利用基因轉殖技術成功生產抗重金屬植物的例子，例如以色列的研究人員在菸草中加入具輸送功能的基因（transporter），使菸草可以生長在含有高濃度鎳的環境下。另外西班牙的研究人員則在阿拉伯芥中轉殖可以受鎘誘發，進而影響植物體內穀胱甘肽（glutathione）濃度的基因，結果發現轉殖植株可以生長在含高濃度鎘的環境下，並且將鎘累積在葉片中。
同樣地，在日本及紐西蘭，有研究人員把一些受鋁誘發的基因送進植物體內表現，結果確實可使轉殖植物生存在高濃度鋁的土壤中。到了二○○三年，美國的研究人員更把細菌中抗鎘的基因轉殖入植物體內來加以表現，結果同樣可以產生抵抗並累積高濃度鎘的植株。因此，除了利用天然的重金屬高聚積植物進行植生復育外，基因轉殖植物將是未來植生復育工作的明日之星。
目前世界上大多數的工業國家都面臨嚴重的重金屬污染問題，因此開發有效的植生復育法，清除環境中的過量重金屬已是刻不容緩的事情。在本文中我們看到部分平時極不起眼的植物竟然可以生長在重金屬污染的土地上，且扮演超級清道夫的角色，讓我們體會到當環境面臨巨大轉變，即環境逆境來臨時，唯有透過生物多樣性的維護，才能確保生物生生不息及地球的永續發展。另一方面藉由生物科技的興起，科學家將能利用基因轉殖的方式，在植物中導入和重金屬耐受性與聚積性有關的基因，創造出可抵抗且累積多種重金屬的轉殖植物，供作植生復育用，以解決目前工業國家中嚴重的重金屬污染問題。當然，未來實際應用這些轉殖植物，來淨化遭重金屬污染土地的同時，仍需謹慎評估基因改良植物對生態環境的衝擊。
