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这里，曾是寸草不生的“砒霜地”，
后来，恢复了郁郁葱葱，
石门矿区修复前后对比图
（图片来源：湖南日报·新湖南客户端讯 2021-03-24 通讯员 沈宇琪）
这里曾是湖南石门雄黄矿区，是亚洲最大的单砷矿，曾经是中国唯一的药用雄黄产地，已经有1500多年的雄黄采掘历史。2011年，石门矿区依法关闭。但是长期开采产生的废气、废水以及废渣，给矿区及矿区周边35平方公里范围内土壤造成了严重影响。得益于国家、省（市、县）的高度重视，这些较为严重的环境污染问题，正得到有效治理。而治理工程中的重要一环，正是一株株的蜈蚣草。
那么，这些蜈蚣草有什么特殊之处，能让它们在“砒霜地”上生长？
在雄黄矿区“独美”的蜈蚣草
上世纪90年代，在石门县雄黄矿采集土壤和植物样品时，研究人员就已经注意到了一种在当地雄黄矿区广泛分布的特殊蕨类植物。在几乎寸草不生的“砒霜地”上，这种天赋异禀的植物居然可以自由生长。其特征为：近对生的修长叶片像蜈蚣的一对对步足，翻到叶片背面，红褐色的孢子囊群和常见的蜈蚣纹色又很相似，因此，这种植物拥有了一个很形象的名字“蜈蚣草”。
国家植物园南园温室中的蜈蚣草
（图片来源：张何子凡 摄）
根据植物志记载：蜈蚣草（Pteris vittata L.）学名为“蜈蚣凤尾蕨”，俗名“鸡冠凤尾蕨”“蜈蚣蕨”，是蕨类植物门木贼纲水龙骨目凤尾蕨科凤尾蕨属植物。蜈蚣草广布于我国热带和亚热带，秦岭南坡为北界，旧大陆泛热带地区广布；为钙质土及石灰岩的指示植物；生钙质土或石灰岩上，达海拔2000米以下，也常生于石隙或墙壁上，在不同的生境下，形体大小变异很大。
雄黄是四硫化四砷的俗称，加热到一定温度后在空气中可以被氧化为剧毒成分三氧化二砷。砷是一种剧毒元素，也是一种强致癌物，“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。普通的植物在雄黄矿区枯萎、死亡，而蜈蚣草在雄黄矿区长势良好，似乎完全没有受到砷的影响。这一异常现象引起了科研人员的关注。
拥有特殊技能，
成为天然的砷超积累植物
通过对蜈蚣草的深入研究，研究人员发现：蜈蚣草是一种天然的砷超积累植物，具有三个特点：“抗”“多”“快”。
“抗”，是指蜈蚣草有极强的砷抗性，在砷浓度高达1500 mg/kg的土壤上（《土壤环境质量标准》规定的25倍），蜈蚣草仍然可以正常生长，而1-5 mg/kg浓度的砷即可使水稻等普通植物出现砷毒害症状；
“多”，是指蜈蚣草具有极强的砷积累能力，普通植物通常只能积累<10 mg/kg的砷，蜈蚣草中最高砷含量多达10000 mg/kg，比普通植物高出20万倍，其羽叶中的砷浓度高于根部，甚至比土壤中的砷浓度还高，达到超过干重的2%；
“快”，是指蜈蚣草具有高效的砷转运效率，8周内蜈蚣草地上部分即可积累大量的砷，且大部分储存在地上部的羽叶中；
除蜈蚣草外，与之同属的Pteris longifolia（番蜈蚣凤尾蕨）、Pteris umbrosa（荫生凤尾蕨）和Pteris cretica（欧洲凤尾蕨/大叶井口边草）等和与之同科的Pityrogramma calomelanos（粉叶蕨）均可以超富集环境内的砷。
那么，蜈蚣草是如何吸收砷并确保自己不受砷的毒害呢？砷在蜈蚣草中的积累主要涉及3个环节：砷的吸收、砷的长距离运输、砷在叶片的区隔化。而蜈蚣草拥有一些特殊的蛋白，让它在每个环节都成为集砷高手。
1. 砷的吸收
水通道蛋白是一种位于细胞膜上的蛋白质，在细胞膜上组成“孔道”，可控制水、甘油、离子等在细胞的进出，由于三价砷与甘油的结构类似，三价砷可以通过水通道蛋白系统“蒙混过关”，进入植物。中国科学院植物研究所的研究人员发现：相比其他植物，蜈蚣草的水通道蛋白PvTIP4;1拥有更强的透性，从而能吸收更多的砷。
2. 砷的长距离运输
在根中，砷由表皮、皮层运至根中柱方向，在木质部被装载，随后沿木质部导管向上移动到地上部分。其中，木质部装载蛋白在蜈蚣草高效的砷长距离转运中发挥重要作用。通过高效地将砷装载到木质部，使得砷从地下部到地上部的“高速公路”畅通无阻，砷就这样被快速蓄积到叶片里。
3. 砷在叶片的区隔化
蜈蚣草中转运到地上部分的砷绝大多数贮存在羽叶细胞的液泡中。在这个过程中，液泡膜起到了“沙箱”作用，隔绝了蜈蚣草的细胞器和砷的接触，确保了蜈蚣草的细胞器不受砷的伤害。在蜈蚣草中，PvACR3参与根的区隔化，负责As（III）在根的横向转运和木质部装载；PvACR3;1参与根的区隔化；PvACR3;3参与地上部分区隔化。多个基因共同作用下，确保砷不影响蜈蚣草的正常生命活动。
图2 蜈蚣草超富集砷的过程示意图
(改自 张田等，蜈蚣草中砷超富集的分子机制研究进展,生物工程学报,2020)
特殊的蛋白导致蜈蚣草具有更强的砷富集效率，其超积累特性可能与白垩纪-古近纪边界时期的高砷环境有关：蜈蚣草约在白垩纪－古近纪边界时期出现，当时地球化学环境中的砷浓度异常高，为了应对富砷环境中砷对生长发育的威胁，蜈蚣草演化出了高效区隔化砷的机制。研究人员也发现，与之同期出现的凤尾蕨科凤尾蕨属的其他植物也具有砷超积累特性，但是相关的机理尚待研究。
修复土壤，植物在行动
通常，土壤中的污染很难通过自然净化去除，而换土、填埋以及化学沉降等常规物理化学方法成本高、效率低，难以大规模应用且容易造成二次污染。植物修复（phytoremediation）是一种利用植物的生命代谢活动吸收、积累环境中的污染物，并降低其毒害的生物技术，具有治理效果好，成本低，操作简单，对环境扰动小，后期处理简易和无二次污染等优点。
为了解决石门矿区的砷污染问题，自2013年起，中国科学院地理科学研究所的研究团队在鹤山村的雄黄矿区开展“南方重金属污染风险区划与修复技术研发示范”项目，通过蜈蚣草富集土壤中的砷，再收割统一处理。
在种植蜈蚣草1年之后，土壤的砷含量下降了10%，而收割的蜈蚣草叶片砷含量高达0.8%；3年后，土壤砷含量进一步下降了30%左右；修复5年后，土壤砷平均含量达到《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）的要求，修复后农田可以安全地种植普通农作物。
在常德市政府和中国科学院的大力推动下，针对雄黄矿区周边受污染的4476亩农田，采用蜈蚣草-活化剂强化修复以及蜈蚣草-柑橘间作修复技术。通过采取综合治理措施，雄黄矿区环境质量明显改善，绿色植被逐渐恢复。在湖南试点成功后，砷污染土壤植物修复技术进一步推广到云南、广西、河南、河北和四川等全国十个地方，助力当地解决土壤的砷污染问题。
雄黄矿土壤修复一期蜈蚣草种植现场
（图片来源：2018年5月2日 常德全媒）
不过，蜈蚣草本身的生长条件要求相对苛刻。作为一种蕨类植物，蜈蚣草主要生长在南方的湿润和温暖环境中，这严重地限制了它作为植物修复材料的的应用范围。因此，筛选和培育出生物量大、生长速度快、环境适应性广的工程植株已成为当今植物修复领域新的研究目标。
未来，研究人员可从多角度将来自蜈蚣草等超积累植物的吸收污染、转运污染、区隔污染的超富集分子元件导入生物量大、适应性广的植物载体进行聚合，以创制抗性更强、积累能力更高的“超级植物修复工程植株”，为土壤砷污染提供更优的“植物”解决方案。
植物修复概念图
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