牧草在重金屬污染土壤治理中的修復和綜合利用潛力

姜 娜，楊京民，Gahonzire Bonheur，李 元，祖艷群①

(1.云南農業(yè)大學動物科學技術學院,云南 昆明 650201;2.云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650201)

各類工廠的建立和對礦產資源的開發(fā)，人類早期對資源的不合理利用使土壤重金屬污染早已成為一個全球性嚴峻的生態(tài)環(huán)境污染問題。在此污染情勢下，與之前提出的物理、化學等治理方法相比，植物治理以其低成本、治理過程的原位性等特點成為目前廣受關注和應用的一種環(huán)境友好型措施。植物治理中的應對措施多為利用超富集植物進行土壤修復和金屬提取，以及種植低積累植物進行安全生產，規(guī)避土壤風險[1]。目前，超富集植物已成為修復重金屬污染土壤中屢見不鮮的研究熱點，但其具有一定的局限性，多數(shù)屬于野生草本植物，生長速率和年生物量通常較低，限制了它們對土壤重金屬的提取能力[2]。而關于低積累植物的研究目前多集中于人類可直接食用作物上，往往忽略了土壤中存在的重金屬元素通過牲畜賴以食用的牧草輸送到牲畜體內，從而導致人體健康受到危害的情形。對此，一些學者篩選和研究了經濟和生態(tài)效益并存的牧草類植物來替代超富集與低積累植物的種植利用。

在植物治理中，牧草類植物大多屬于草本植物，生長周期短，適應性較強，易于栽培，生物產量較高，可以刈割多茬，飼喂家畜的成本較低，具有較高的經濟生產價值[3]。作為先鋒植物，就牧草對逆境的抗性、經濟生態(tài)效益高的特性來說，用其進行綠色生態(tài)治理已受到廣大科研人員的一致認可[4-6]。一些研究表明，禾本科雜交狼尾草(Pennisetumamericanum×P.purpureumcv. 23A×N51)、高丹草〔Sorghumbicolor(Linn.)Moench. ×Sorghumsudanense(Piper) Stapf.〕和蘇丹草〔Sorghumsudanense(Piper) Stapf.〕對重金屬Cd、As吸收能力較強，可作為污灌區(qū)重金屬Cd、As污染土壤修復植物[7]。豆科植物紫花苜蓿(MedicagosativaLinn.)對多種金屬中Cd的吸收系數(shù)最大，屬于高積累植物，可替代Cd超富集植物對Cd污染土壤進行修復[1,8]。此外，楊姝等[9]對大量苜蓿品種的篩選發(fā)現(xiàn)，一些品種可作為農田安全生產的低積累植物進行種植利用。這些研究表明牧草類植物對重金屬具有一定耐性，但不同牧草的耐性和積累能力不同，對不同金屬脅迫的響應也存在顯著差異，可分為高積累牧草和低積累牧草應用于重金屬污染地區(qū)種植。利用牧草對重金屬積累能力的不同，篩選、種植重金屬積累差異的品種，已成為治理土壤重金屬污染、保障食品安全的有效策略之一[10]。為此，在金屬污染土壤治理和綜合利用中，牧草的研究現(xiàn)狀、對金屬的積累與響應機制等相關研究具有重要的理論意義和實踐應用價值。

1 牧草對重金屬的耐性及積累特征

重金屬污染對牧草的生長、產量和品質等均有較大影響。牧草地上部生長直接影響著產量的多少。牧草品質主要取決于蛋白質、礦物質及纖維素含量的多少，蛋白質、礦物質含量越高，纖維素含量越低，牧草的營養(yǎng)價值就越高，反之就越低，而各類氨基酸含量是用于評價牧草飼用價值的重要指標[11]。牧草在刈割后對于家畜重要的營養(yǎng)成分是蛋白質和水溶性碳水化合物，金屬與蛋白質的巰基綁定，通過與其他離子產生拮抗或協(xié)調作用，抑制酶的活性和蛋白功能，干擾牧草根系對 Ca、Mg、P、K等營養(yǎng)元素的吸收，可溶性糖、纖維素、蛋白質、葉綠素和氨基酸含量發(fā)生變化，牧草品質受到影響[12-14]。

優(yōu)良牧草類植物以禾本科、豆科為主，菊科、莎草科、藜科較少。我國對治理重金屬污染土壤具有潛力的優(yōu)良禾本科和豆科飼用牧草見表1[15-32]。不同牧草的耐性和積累能力不同，對重金屬的外在耐性響應多表現(xiàn)在生長勢、生物量、品質、產量、株高和根長等形態(tài)指標上。多數(shù)情況下，地下部分根系形態(tài)會最先發(fā)生響應，可表現(xiàn)為主根伸長受到抑制，根尖粗短，側根及根毛數(shù)量減少，根毛伸長受限，根系分泌物增加等[33-34]。地上部分生長發(fā)育受到影響，生理生化指標以及光合作用發(fā)生顯著改變[35]。細胞膜透性增大，植物結構蛋白與功能蛋白改變，植物信號傳導受到影響，光合速率通常會降低[36]，葉綠素[13]、丙二醛 (MDA)[37]、脯氨酸[38]和可溶性糖[39]含量等均受到重金屬脅迫的影響。由于活性氧的增加，牧草體內抗氧化酶系統(tǒng)啟動，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等生理指標均發(fā)生不同程度的變化[40]。一般情況下，SOD、POD和CAT活性在一定濃度范圍內隨脅迫濃度的增加呈先增加后下降趨勢[41]，非酶系統(tǒng)中谷胱甘肽還原酶(GR)活性被改變，谷胱甘肽(GSH)、抗壞血酸(AsA)等會被大量消耗[42]。

2 牧草對重金屬耐性及積累差異的影響因素

2.1 不同牧草對重金屬的耐性和積累差異

對土壤重金屬吸收和積累較強的主要牧草類植物多為禾本科和豆科，這些牧草類植物經濟價值高，大多可作為生物質能源植物和污染土壤修復的先鋒植物，對Cd、Pb、Zn和Cu等重金屬具有較高的耐性和積累能力，但大多為草種中的單一品種。

重金屬含量是反映牧草積累能力的重要指標，大多數(shù)耐性牧草吸收積累土壤中重金屬總量高于土壤中重金屬含量，根部重金屬含量高于莖葉中重金屬含量，常見于高積累植物修復；但不同牧草的莖葉及根系積累量具有差異性，當植株吸收重金屬總量較低、莖葉中重金屬含量較少時，可作為低積累植物安全生產[43]。不同植物對重金屬的耐性、吸收和積累效應不同，這種影響存在種間、種內差異。在不同物種的牧草比較中，黑麥草對Cu的耐受性要高于狼尾草、高丹草和紫花苜蓿，其中，苜蓿耐受性較差[44]，與魚小軍等[32]研究中發(fā)現(xiàn)苜蓿對Cu、Cd和Pb的耐受性較差的結果相似，但與韓曉姝等[45]研究的紫花苜蓿對Cd2+耐性較好的結果不同。張麗等[7]在研究10種不同牧草對重金屬吸附效果時發(fā)現(xiàn)，雜交狼尾草、多年生黑麥草對Cd、As吸收及富集能力高于試驗中其他物種，而紫花苜蓿對Cd的吸收能力也較強。這與牧草的品種參照以及不同物種的自身差異性有關。在比較同一種牧草不同品種積累能力時，賈樂等[46]對20個紫花苜蓿品種進行篩選時發(fā)現(xiàn)“甘農1號”為耐Cd且高積累品種，而“陜北”為Cd低積累品種，表明同一物種中不同品種對重金屬的吸收積累存在明顯差異。對此，可將牧草分為低積累型、中等積累型和高積累型，對同一物種不同品種進行分類再做應用研究。

表1 主要牧草類植物對重金屬的耐性及積累特征

2.2 不同重金屬對牧草的影響

在單一金屬脅迫下，雜交狼尾草在供試4種草本植物中雖為非超積累植物，但對As的富集能力較強[47]；MEHARG等[48]研究發(fā)現(xiàn)絨毛草(HolcuslanatusLinn.)中抗性品種As的積累速率遠低于敏感品種。此外，重金屬Cu對紫花苜蓿、黑麥草、狼尾草、高丹草種子萌發(fā)及幼苗生長有著不同影響，黑麥草種子對重金屬Cu的耐性較強[44]。與單一污染條件相比，在復合污染條件下，牧草中重金屬含量更為復雜。黑麥草地上部分Cu含量受土壤中Zn、Si的抑制，但Zn、Si促進了黑麥草根部Cu含量；Zn活性隨著土壤中Cu、Si投加量的提高而增大；Cd活性受到Cu、Zn的抑制[49]。土壤環(huán)境中同時存在Cd和As復合污染時，As有促進苜蓿吸收Cd的功能[50]；在研究Cd-Zn相互作用時發(fā)現(xiàn)適量Zn能夠顯著降低黑麥草和三葉草中總Cd濃度[51]；此外，在復合污染下品種差異選擇方面，雜交狼尾草、高丹草和蘇丹草是修復Cd、As復合污染土壤的先鋒植物[7]；在評估不同草本緩沖帶吸收金屬的能力試驗中，紫花苜蓿中Cu和Pb含量明顯高于黑麥草和印度大麥[52]。

2.3 其他因素

牧草在重金屬脅迫下，除受品種、金屬元素種類的影響外，還受季節(jié)變化、苗齡、溫度、光照、供水量、土壤肥力、前期儲備碳水化合物管理水平、有機質組成，以及牧草落葉程度和速率等環(huán)境因子的影響。據(jù)報道，牧草的生長能力受到季節(jié)和肥料效應的影響，而金屬形態(tài)沒有因季節(jié)變化而發(fā)生重大變化[53-54]。一些研究者報道，隨著植物成熟度的增加，金屬含量會降低；而另一些研究者報道，生長年限更長的草本植物金屬含量更高[55]。并且，多數(shù)牧草類植物葉片面積較大，蒸騰作用作為礦物質移動的驅動力更有利于蒸騰速率高的葉片積累[56]。此外，壓力也會影響牧草葉片的元素含量[54]。

3 牧草對重金屬脅迫的響應機制

3.1 牧草對重金屬響應的生理機制

3.2 牧草對重金屬響應的酶學機制

抗氧化系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)是牧草在金屬脅迫下做出自我響應的重要機制，能夠避免過高濃度活性氧(ROS)對牧草產生的毒害，也是牧草重要的解毒防御系統(tǒng)。多年生黑麥草SOD、POD和CAT活性等在Cd脅迫下呈先升高后降低再升高的響應趨勢[60]，與根系內超氧化物酶基因(Mn-sod)、過氧化氫酶基因(Cat)、抗壞血酸過氧化物酶基因(Apx)、谷胱甘肽過氧化物酶基因(Gpx)等表達在抗逆代謝中的作用有一定關系，在持續(xù)的重金屬脅迫下，Mn-sod、Cat和 Gpx等基因的表達迅速被誘導，ROS對抗氧化酶相關基因均產生了積極影響[61]。

為了在重金屬毒性環(huán)境中生存，牧草通過體內高度親和配體與重金屬在胞液中發(fā)生絡合作用來實現(xiàn)重金屬解毒機制，主要通過兩種類型多肽金屬配體——植物螯合肽(phytochelatins， PCs)和金屬硫蛋白(metallothioneins，MTs)。重金屬與 PCs或 GSH 螯合后，被轉運到液泡中進一步解離(圖2[62])。LI等[63]將狗牙根〔Cynodondactylon(L.)Pers.〕中 PCs 基因cdPCS1轉至煙草中，發(fā)現(xiàn)轉基因煙草中 PCs 含量是野生型的3.88倍，Cd 積累量增加 3.21 倍。對此，通過改變或表達 PCs 的合成來積累更高水平的 PCs似乎是增強重金屬積累能力的一個有效方法。一些研究者通過氨基酸序列分析和進化樹分析，發(fā)現(xiàn)MsMT1基因與其他植物的1型金屬硫蛋白基因具有較高的同源性，MsMT1基因在轉基因苜蓿的根和子葉中能夠高效表達，增加苜蓿對脅迫的抗性[64]。今后可利用MT上的巰基與牧草中重金屬離子結合成無毒或低毒復合物，以增強牧草的耐性。

3.3 牧草對重金屬響應的分子機制

金屬毒性和抗性分子機制方面的研究大多集中在單子葉作物如小麥、玉米和水稻，以及雙子葉作物如擬南芥等，而對牧草類植物的研究較少。目前，有關植物重金屬相關轉運蛋白的研究中發(fā)現(xiàn)了大量重金屬響應基因家族，包括ABC載體、YSL蛋白家族、NRAMP基因家族、P 型 ATP酶、ZIP 家族以及上述大量涉及PCs和 MTs 基因的小分子螯合物等，能夠在不同重金屬脅迫下被激活。如模式植物擬南芥中P 型 ATP酶中HMA 基因亞族能夠轉運有毒金屬穿越細胞膜，HMA3、HMA4、HMA9 等HMA 基因已被證實與 Cd 吸收轉運相關[65]。在Al脅迫下，紫花苜蓿ABC轉運子跨膜域的基因MsSTAR2能夠在根莖葉中大量表達，誘導激活Al對苜蓿的損傷保護機制，是ABC載體中Al脅迫響應的重要基因[66]。在紫云英中，脂質轉運蛋白基因nsLTP1 中的2個AsE246、AsIB259僅在低濃度Cd處理下根瘤中高效、特異表達，在莖葉組織中不表達，而在高濃度Cd處理下維持在較低表達水平上，表明重金屬脅迫與豆科植物的根瘤發(fā)育和固氮功能密切相關，與“低促高抑”的生理響應相吻合，nsLTP1可能影響著根瘤的固氮能力和植株生長[67]。在高羊茅(FestucaelataKeng ex E. Alexeev)中，通過導入紫花苜蓿中Hsp23基因表達載體，MsHsp23在As脅迫下高水平表達，Hsp的積累可以穩(wěn)定膜蛋白，并較對照植株表現(xiàn)出較低的H2O2含量，MsHsp23可能會增強高羊茅對As脅迫的抗性[68]。

盡管不同的物種可能擁有不同的逆境響應基因和機制，但許多牧草的編碼序列與研究頗多的作物有很高的遺傳相似性，如目前擁有豐富的遺傳和基因組資源的紫花苜蓿與重要的農業(yè)豆科植物大豆等有著同源性，可使其成為研究豆科植物鋁毒的有效系統(tǒng)[69]。

4 不同牧草在重金屬污染土壤中應用效益的評估

現(xiàn)階段修復植物的選擇主要集中于超積累植物、高生物量植物和能源植物。牧草在重金屬污染土壤中應用潛力巨大。多數(shù)牧草具有較高生物量和生長率，較強的競爭力以及生態(tài)適應性，并且一些牧草有利于改變土壤結構，增強肥力，是非常理想的植物修復資源。目前，國內外約有10余種牧草可用于重金屬污染土壤修復(結合表1)，主要代表種類有紫花苜蓿、多年生黑麥草、一年生黑麥草、葦狀羊茅、雜交狼尾草、高丹草、香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(PaspalumnotatumFlugge)、狗牙根、柳枝稷(Panicumvirgatum)、荻〔Triarrhenasacchariflora(Maxim.)Nakai〕、蘆竹(Arundodonax)等，這些牧草吸收的重金屬總量大，對單一或復合重金屬污染土壤均能起到一定程度的修復作用[3,47,70-71]。

在重度污染場地中，通常不種植飼用作物，利用一些物理、化學等方法結合高生物量植物進行土地修復和生態(tài)恢復。在用于礦區(qū)生態(tài)恢復的植被中，芒草被公認為是十分具有前景的生物燃料和污染場地植物修復的高生物量能源植物。據(jù)報道，3倍奇崗(Miscanthusxgiganteus)這一品種的生物量年產量可高達61 t·hm-2，可用于污染場地種植來實現(xiàn)增加生物質在可再生能源生產中所占份額的生物經濟目標[72-73]。ZHANG等[74]研究結果表明，雜交狼尾草對Zn和Cd吸收量雖低于超富集植物對Zn和Cd吸收量標準，但每株雜交狼尾草地上部分吸收Zn、Cd的總量分別為9 039、624 μg，相當于Zn超富集植物東南景天富集的總量，分別是Cd超富集植物天藍遏藍菜(Thlaspicaerulescens)和龍葵(Solanumnigrum)吸收Cd量的2.6倍和1.2倍。黑麥草對多種重金屬具有較強的耐受性，GHOLINEJAD等[75]研究表明多年生黑麥草具有較強的富集Pb能力，適用于重金屬污染(質量含量達1 000 mg·kg-1)的土地上播種。在中度或輕度污染場地中，常常通過選育耐性牧草結合改良劑、農藝措施等進行污染土壤的修復和安全生產。其中，一些對重金屬耐受且低累積的牧草十分適用于輕度污染場地的飼用種植利用。楊姝等[9]篩選出的Cd 低累積苜蓿品種“四季旺”和Pb 低累積苜蓿品種“WL525HQ”十分適合輕度污染場地的種植和生產利用。刈割、合理灌溉、調節(jié)土壤pH值、施肥以及應用植物種子包衣技術等合理的農藝措施被認為是清潔、低風險、無二次污染的提高植物修復效果的理想途徑。LI等[76]研究發(fā)現(xiàn)，一些牧草經過2次收割后，地上部分生物量均顯著高于單次收割量，生物量平均值從4.1 t·hm-2增加至71.4 t·hm-2，累積的重金屬總量也明顯提高，如籽粒莧吸收Cd的含量從0.53 g·hm-2增加至0.95 kg·hm-2。改良劑生物炭(BC)配合高磷肥(P)的投入可以提高紫花苜蓿產量，降低Cd濃度，達到牧草安全利用標準的要求[77]；XIAO 等[78]研究還表明施用BC和P肥時，白三葉也是一種適宜在低濃度Cd污染土壤上種植的牧草品種。肥料、鈍化劑等與重金屬的相互作用可以影響土壤對重金屬的吸附解吸過程，改變土壤重金屬形態(tài)，從而影響作物對重金屬的吸收和積累。此外，還有一些微生物聯(lián)合修復技術，如PGPR菌株(粘性擬青霉)和抗Cu根瘤菌共接種對可生物降解螯合劑(EDDS)在改善苜蓿生長和提高對金屬脅迫的耐受性方面具有巨大潛力，增加了放線菌和芽孢桿菌的相對豐度以及土壤養(yǎng)分含量，促進了植物生長，提高了土壤的生化活性，減輕重金屬毒性[79]。WU等[80]研究表明，在10～70 μmol·L-1Cd脅迫下，獲得的突變菌株“BM18-2”具有更強的耐Cd能力和更強的除Cd能力，對雜交狼尾草中Cd積累和植物生長有促進作用，可作為潛在的Cd污染土壤生物修復菌劑。但目前有關微生物研究多是在實驗室使用人工污染土壤進行，實際應用仍存在一定困難，仍需進一步深入研究。

5 小結與展望

如何利用牧草類植物自身的優(yōu)勢有效解決重金屬污染現(xiàn)狀，是當前研究的熱點。目前已發(fā)現(xiàn)多種對土壤重金屬污染治理具有潛力的牧草類植物，利用高積累高生物量的能源牧草進行污染土壤的修復和重金屬提取，聯(lián)合附加產業(yè)，進行產業(yè)化推廣，可以創(chuàng)造一定的經濟價值，形成一條牧草非飼用性修復重金屬污染土壤的綜合利用技術體系。對低積累品種的篩選和研究，為在輕度污染土壤上種植滿足畜牧業(yè)發(fā)展和安全生產利用的牧草提供了可能，也是一種全新的土壤治理方法。未來仍需擴大對低積累的不同牧草不同品種的篩選和機制研究。關于轉基因的抗性牧草育種仍待研發(fā)，重金屬積累差異品種間的評判指標尚未統(tǒng)一，亟待完善。今后可重點圍繞不同積累能力的牧草在重金屬脅迫下的差異性研究，進一步探索發(fā)現(xiàn)重金屬脅迫下牧草相關轉運、信號傳導等途徑的調控及牧草積累特性基因表達的差異，以期為今后提高牧草在重金屬污染土壤中凈化、修復作用及牧草食品安全等問題提供理論基礎和技術支持。