這裡，曾是寸草不生的“砒霜地”，
後來，恢複了郁郁蔥蔥，
石門礦區修複前後對比圖 （圖檔來源：湖南日報·新湖南用戶端訊 2021-03-24 通訊員 沈宇琪）
這裡曾是湖南石門雄黃礦區，是亞洲最大的單砷礦，曾經是中國唯一的藥用雄黃産地，已經有1500多年的雄黃采掘曆史。2011年，石門礦區依法關閉。但是長期開采産生的廢氣、廢水以及廢渣，給礦區及礦區周邊35平方公裡範圍内土壤造成了嚴重影響。得益于國家、省（市、縣）的高度重視，這些較為嚴重的環境污染問題，正得到有效治理。而治理工程中的重要一環，正是一株株的蜈蚣草。
那麼，這些蜈蚣草有什麼特殊之處，能讓它們在“砒霜地”上生長？
在雄黃礦區“獨美”的蜈蚣草
上世紀90年代，在石門縣雄黃礦采集土壤和植物樣品時，研究人員就已經注意到了一種在當地雄黃礦區廣泛分布的特殊蕨類植物。在幾乎寸草不生的“砒霜地”上，這種天賦異禀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，是以，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 （圖檔來源：張何子凡 攝）
根據植物志記載：蜈蚣草（Pteris vittata L.）學名為“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。蜈蚣草廣布于大陸熱帶和亞熱帶，秦嶺南坡為北界，舊大陸泛熱帶地區廣布；為鈣質土及石灰岩的訓示植物；生鈣質土或石灰岩上，達海拔2000米以下，也常生于石隙或牆壁上，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，加熱到一定溫度後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，也是一種強緻癌物，“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枯萎、死亡，而蜈蚣草在雄黃礦區長勢良好，似乎完全沒有受到砷的影響。這一異常現象引起了科研人員的關注。
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，研究人員發現：蜈蚣草是一種天然的砷超積累植物，具有三個特點：“抗”“多”“快”。
“抗”，是指蜈蚣草有極強的砷抗性，在砷濃度高達1500 mg/kg的土壤上（《土壤環境品質标準》規定的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砷毒害症狀；
“多”，是指蜈蚣草具有極強的砷積累能力，普通植物通常隻能積累<10 mg/kg的砷，蜈蚣草中最高砷含量多達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，達到超過幹重的2%；
“快”，是指蜈蚣草具有高效的砷轉運效率，8周内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）均可以超富集環境内的砷。
那麼，蜈蚣草是如何吸收砷并確定自己不受砷的毒害呢？砷在蜈蚣草中的積累主要涉及3個環節：砷的吸收、砷的長距離運輸、砷在葉片的區隔化。而蜈蚣草擁有一些特殊的蛋白，讓它在每個環節都成為集砷高手。
1. 砷的吸收
水通道蛋白是一種位于細胞膜上的蛋白質，在細胞膜上組成“孔道”，可控制水、甘油、離子等在細胞的進出，由于三價砷與甘油的結構類似，三價砷可以通過水通道蛋白系統“蒙混過關”，進入植物。中國科學院植物研究所的研究人員發現：相比其他植物，蜈蚣草的水通道蛋白PvTIP4;1擁有更強的透性，進而能吸收更多的砷。
2. 砷的長距離運輸
在根中，砷由表皮、皮層運至根中柱方向，在木質部被裝載，随後沿木質部導管向上移動到地上部分。其中，木質部裝載蛋白在蜈蚣草高效的砷長距離轉運中發揮重要作用。通過高效地将砷裝載到木質部，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裡。
3. 砷在葉片的區隔化
蜈蚣草中轉運到地上部分的砷絕大多數貯存在羽葉細胞的液泡中。在這個過程中，液泡膜起到了“沙箱”作用，隔絕了蜈蚣草的細胞器和砷的接觸，確定了蜈蚣草的細胞器不受砷的傷害。在蜈蚣草中，PvACR3參與根的區隔化，負責As（III）在根的橫向轉運和木質部裝載；PvACR3;1參與根的區隔化；PvACR3;3參與地上部分區隔化。多個基因共同作用下，確定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 張田等，蜈蚣草中砷超富集的分子機制研究進展,生物工程學報,2020)
特殊的蛋白導緻蜈蚣草具有更強的砷富集效率，其超積累特性可能與白垩紀-古近紀邊界時期的高砷環境有關：蜈蚣草約在白垩紀－古近紀邊界時期出現，當時地球化學環境中的砷濃度異常高，為了應對富砷環境中砷對生長發育的威脅，蜈蚣草演化出了高效區隔化砷的機制。研究人員也發現，與之同期出現的鳳尾蕨科鳳尾蕨屬的其他植物也具有砷超積累特性，但是相關的機理尚待研究。
修複土壤，植物在行動
通常，土壤中的污染很難通過自然淨化去除，而換土、填埋以及化學沉降等正常實體化學方法成本高、效率低，難以大規模應用且容易造成二次污染。植物修複（phytoremediation）是一種利用植物的生命代謝活動吸收、積累環境中的污染物，并降低其毒害的生物技術，具有治理效果好，成本低，操作簡單，對環境擾動小，後期處理簡易和無二次污染等優點。
為了解決石門礦區的砷污染問題，自2013年起，中國科學院地理科學研究所的研究團隊在鶴山村的雄黃礦區開展“南方重金屬污染風險區劃與修複技術研發示範”項目，通過蜈蚣草富集土壤中的砷，再收割統一處理。
在種植蜈蚣草1年之後，土壤的砷含量下降了10%，而收割的蜈蚣草葉片砷含量高達0.8%；3年後，土壤砷含量進一步下降了30%左右；修複5年後，土壤砷平均含量達到《土壤環境品質标準》（GB 15618—1995）的要求，修複後農田可以安全地種植普通農作物。
在常德市政府和中國科學院的大力推動下，針對雄黃礦區周邊受污染的4476畝農田，采用蜈蚣草-活化劑強化修複以及蜈蚣草-柑橘間作修複技術。通過采取綜合治理措施，雄黃礦區環境品質明顯改善，綠色植被逐漸恢複。在湖南試點成功後，砷污染土壤植物修複技術進一步推廣到雲南、廣西、河南、河北和四川等全國十個地方，助力當地解決土壤的砷污染問題。
雄黃礦土壤修複一期蜈蚣草種植現場 （圖檔來源：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境中，這嚴重地限制了它作為植物修複材料的的應用範圍。是以，篩選和培育出生物量大、生長速度快、環境适應性廣的工程植株已成為當今植物修複領域新的研究目标。
未來，研究人員可從多角度将來自蜈蚣草等超積累植物的吸收污染、轉運污染、區隔污染的超富集分子元件導入生物量大、适應性廣的植物載體進行聚合，以創制抗性更強、積累能力更高的“超級植物修複工程植株”，為土壤砷污染提供更優的“植物”解決方案。
植物修複概念圖
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作者：張何子凡 闫慧莉 何振豔
作者機關：中國科學院植物研究所