聊聊苔藓植物的应用

毛俐慧  深圳市中国科学院仙湖植物园

(刊发于《大自然》2017年第3期)

苔藓植物不仅是空气重金属污染的指示器，而且在燃料、医药、运输包装、水土保持、生物固氮和园艺造景等诸多方面都有重要用途。但是，你是否听说过苔藓发电机呢？

苔藓植物种类繁多，目前已知约2.3万种，分别隶属于苔纲、藓纲和角苔纲。苔藓植物分布极其广泛：池塘水面上有躺着享受阳光的浮苔；林下藏着与昆虫们嬉戏的羽藓；树枝上飘荡着随风舞动的蔓藓；高寒地带的岩面上还覆盖着精神抖擞的紫萼藓；甚至在冰天雪地的极地，依然可见银叶真藓那傲娇的身姿。然而，由于体形小，苔藓植物常被忽视，人们对其种类和应用往往知之甚少。

下面我们就来谈谈苔藓植物的应用，一起了解这些常见又陌生的小“精灵”神奇的另一面。

空气重金属污染的指示器

如今环境问题日益引人关注，尤其是大气质量每况愈下，已经成为人们关注的焦点。重金属通过各种途径，如矿山开采、金属制造、汽车尾气排放、化工生产、燃料燃烧和农药化肥施用等，进入大气中。在雾霾“杀手”PM2.5 中，就有铅、锰、镉、锑、锶、砷和镍等重金属。重金属污染给人类健康带来的危害可谓不胜枚举。例如，铅是一种致癌物，高浓度的铅会引起呼吸系统疾病；吸入过多的铬和镍离子会导致癌变，铬还可以直接损伤基因，

导致基因突变；过多的铜进入体内可导致人体出现恶心、呕吐、急性溶血和肾小管变形等中毒现象。

苔藓植物体表面积与生物量比值高，解剖结构也很简单，通常由单层或少数几层细胞构成，植物体表无蜡质的角质层覆盖，暴露于污染的大气时，污染物质可从背腹两面侵入叶细胞中。苔藓没有维管束构造，没有真正的根，只有假根，而假根无法从土壤中吸收水分和营养物质。这一系列独特的生理结构使其成为监测大气重金属含量的优良材料。

利用苔藓等活植物来进行环境监测，不仅可以得到该地区大气沉降物中重金属元素的污染程度数据，而且可以了解其对人体健康的潜在威胁。奇斯拉吉（Cislaghi C）的调查统计表明，意大利北部地区的成年男子肺癌发病率与该区域的地衣分布具有极其显著的相关性。

而韦伯赫斯特（Wappelhosrt O）等采集了德国、斯洛伐克、捷克和波兰四国接壤处，被当地人称为“黑三角”地带的苔藓样品，并分析检测其元素含量，得到元素浓度变化的数据，然后统计当地人群多种疾病的发病率，结果发现：苔藓的铈、铁、镓和锗元素含量与当地人群心血管疾病和呼吸系统疾病的发病率呈明显正相关。

那么，利用苔藓监测重金属污染是一个怎样的过程呢？主要有如下四步：一，采集监测样地的活藓植物；二，在实验室内对采集样品进行重金属分析测定；三，根据数据的统计分析，做出重金属污染地图；四，对监测样地的重金属污染情况做出合理科学的解释和评估。选择何种苔藓作为监测材料？理论上多种苔藓都被认可，但是如果需要对多个地点进行比较的话，不同监测点采集同种苔藓当然更具可比性。一般会选取藓丛较大、分布较广且易于获得的种类。例如，如果监测地是我国长江以南地区，细叶小羽藓就是一个较好的选项。它在我国南方广泛分布，山野的边坡、乡间小径甚至市区的公园里都能见到它的身影。不仅如此，我们用相关软件和模型做过预测，认为未来该种在中国的适生区域有略微增多的趋势，短时间内（到2070 年）没有濒危风险，适当采集对其生存尚不构成威胁。

实验室内的检测和数据分析比较专业，也略为复杂。研究人员将仪器设备连接，进行电脑软件数据分析，并得出结果。最后用作图软件处理，就可以得出一个很直观的重金属空间分布图。例如，我们通过绘制的无锡市镉污染分布地图，就可以清楚地了解哪个区域污染严重，哪些区域相对安全。对于重金属污染超标的区域可以建议有关部门加强监管，提醒民众采取适当措施以防造成健康危害。

近几年，南京林业大学方炎明教授等对江苏的南京、无锡、泰州、徐州和扬州等多地进行了苔藓与重金属污染的相关研究。我们期待不久的将来能看到关于江苏省空气重金属污染监测方面的专著。

苔藓发电机

如果认为苔藓植物只能用来进行重金属污染监测，那么未免有点小瞧了它。实际上苔藓在燃料、医药、运输包装、水土保持、生物固氮和园艺造景等诸多方面都有重要用途。2013 年，一项苔藓新科技——苔藓发电机——问世了。这项发明由瑞士一位颇有创意的策略师和设计师费尔德（Fabienne Felder）构思，由他和剑桥大学的生化学家保罗（Paolo Bombelli）和植物学家罗斯（Ross Dennis）合作完成。可以说，该团队制造的苔藓发电机模型证明了光微小生物燃料电池在光能利用方面的潜力。苔藓植物被选中作为实验对象的原因是它们在光合作用过程中能高效地将光能转化成电能。该项发明首次将光微小生物燃料电池应用于比发光二极管屏幕更耗能的电器——收音机。光微小生物燃料电池包括阳极、阴极和外电路，电子在阳极被收集，到阴极被最终消耗，外电路则是用于连接阳极和阴极。在这个装置里，苔藓被培养在一个由保水材料、传导材料和生物物质共同构成的部件之上。苔藓发电机包括10 个光微小生物燃料电池，可以根据需要以串联、并联或两者组合的方式连在一起。像发光二极管屏幕这样的小配件可以直接连到电路中，而高能耗的物体需要用电容器或电池单独

相连，用光微小生物燃料电池来充电。’

费尔德比较了生物太阳能电池板技术和早期的太阳能光电板实验。他预测生物太阳能电池的研发板将经历一个相似阶段：一，选定最优的传导材料；二，选择合适的植物；三，确保稳定电子流的浇水和保养系统。费尔德认为寻找合适的植物本身就是一项研究：“苔藓非常耐干旱，但是不喜欢直接的光照。另一些植物或许在某些方面很适合，但是却又很难度过寒冷天气，所以几种植物组合可能会是有效的解决途径。”此项技术成型的关键在于光微小生物燃料电池可以利用和转化光合作用产生的电子。在这项新科技中，藓丛实际上被当作生物太阳能板。

关于苔藓发电机还有一些背后的故事。保罗博士最早受生物化学教科书启发并开始从事光微小生物燃料电池的研究，现为剑桥大学克里斯（Chris Howe）教授研究团队里的高级研究助理。2011 年，艾利克斯（Alex Driver ）和 卡洛斯（Carlos Peralta）首次构思并命名了苔藓桌。费尔德由此对苔藓桌产生兴趣，并与保罗合作，成功设计制作了苔藓发电机并以此为收音机供电。费尔德认为未来光微小生物燃料电池可能应用在机舱表面发电。保罗对这个设想很感兴趣，不过，要将苔藓发电板成功应用到机舱表面发电可能需要至少十年的时间。

我们或许可以期待，5 年到10年之后，苔藓发电机可在商业上应用。这一低碳技术有怎样的贡献呢？试想一下：如果25% 的伦敦人每两天有2 个小时是用苔藓太阳能电池板来充电，那么一年可以节约电量4 250 万千瓦时，相当于减少了约700 万吨二氧化碳排放量。也许小小苔藓真是人们未来节能减排的好帮手呢。

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