楊樹修復(fù)土壤重金屬污染研究進(jìn)展

李曉宇

(遼寧省楊樹研究所,遼寧 蓋州 115213)

楊樹是我國平原地區(qū)重要的造林樹種。近年來，我國楊樹研究成果豐碩，在氮沉降、土壤鹽堿化、干旱脅迫、低溫脅迫、重金屬脅迫、病蟲害防治及楊樹生理和生化的響應(yīng)機(jī)制的研究都取得了很大的進(jìn)展，同時(shí)選育出一批具有抗旱、耐鹽堿、耐重金屬脅迫等優(yōu)良品種，這為楊樹成為理想的土壤重金屬污染修復(fù)植物提供了豐富的品種資源。同時(shí)，楊樹是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的樹種，在世界范圍內(nèi)分布廣泛，具有繁殖容易、生長速度快且生物量大等特點(diǎn)，同時(shí)其根系發(fā)達(dá)，對毒性物質(zhì)具有較強(qiáng)的耐性，對重金屬具有較強(qiáng)的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力。此外，楊樹是用材和綠化樹種，其生物產(chǎn)品不會(huì)進(jìn)入人體而造成傷害。因此，可采用與淺根系植物間種的模式來修復(fù)不同土壤深度的重金屬。楊樹上述優(yōu)良特性為其用于土壤重金屬污染修復(fù)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 土壤重金屬對楊樹生長及生理指標(biāo)的影響

土壤重金屬對楊樹生長及生理指標(biāo)的影響是多方面的。王新等[1]研究了楊樹、落葉松對土壤中重金屬的吸收積累及修復(fù)作用，研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)濃度下，重金屬脅迫下的楊樹總生物量與對照相比下降了26%；與落葉松相比，楊樹具有較高的重金屬吸收系數(shù)。類延寶[2]以青楊組楊樹為試驗(yàn)材料研究了其對土壤干旱和重金屬錳污染的生理生態(tài)響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)在相同的錳處理濃度下，濕潤種群的耐性指數(shù)較干旱種群的耐性指數(shù)低。張瑛[3]研究了用磁化水處理對鎘脅迫下107楊生長、生理特性及土壤微生態(tài)環(huán)境的影響，結(jié)果表明，鎘脅迫顯著降低植株高生長、生理活性及干物質(zhì)量；同時(shí)其對葉綠素b、類胡蘿卜素含量、凈光合速率、蒸騰速率和光合性能指數(shù)等指標(biāo)均有不同程度抑制作用。余洋[4]研究發(fā)現(xiàn)，鉛導(dǎo)致了銀腺楊、毛白楊與三倍體毛白楊葉片抗氧化酶系統(tǒng)活性的變化；并使3種楊樹根尖細(xì)胞微管骨架排布發(fā)生明顯變化。張亞轉(zhuǎn)[5]研究了3種楊樹幼苗對鎘脅迫的生理響應(yīng)，結(jié)果表明，不同濃度鎘脅迫下，根系對鎘的富集量均大于葉片，葉片可溶性蛋白含量小于根，隨著鎘處理濃度的增大幼苗體內(nèi)的非蛋白巰基、谷胱甘肽和植物螯合肽含量逐漸增加，且都大于對照。

楊素丹[6]對Zn、Cu脅迫下楊樹的生理響應(yīng)及體內(nèi)積累進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)楊樹對兩者的忍耐力較強(qiáng)，Zn在低濃度時(shí)基本不影響楊樹的正常生長，但隨著兩者濃度的升高及脅迫時(shí)間的延長，將會(huì)對楊樹生長產(chǎn)生毒害作用。楊葉[7]測定了鍶與柴油脅迫下青楊、白楊和俄羅斯楊幼苗的生長指標(biāo)、生理生化指標(biāo)和富集特征等，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單一鍶脅迫下，在鍶濃度較低時(shí)，其對3種幼苗的株高和葉面積有促進(jìn)作用，但是濃度較高時(shí)則出現(xiàn)抑制現(xiàn)象；隨著鍶處理濃度的增加3種幼苗對其富集濃度增加，其中鍶主要富集在根和葉上；富集濃度表現(xiàn)為白楊>俄羅斯楊>青楊。在兩者的復(fù)合脅迫下，3種幼苗的生長指標(biāo)都顯著降低，其中青楊與俄羅斯楊的降幅大于白楊。譚靈杰[8]采用盆栽實(shí)驗(yàn)的方式研究了美洲黑楊在鹽鎘復(fù)合脅迫下形態(tài)生長、生物量積累與分配、光合能力、抗氧化能力以及有毒離子積累情況的差異，結(jié)果表明雄株可積累更高的Cd，但其它方面其與雌株并未達(dá)到顯著水平，說明美洲黑楊雄株具有更強(qiáng)的鹽鎘復(fù)合脅迫的耐受性，可適當(dāng)增加雄株在鹽鎘復(fù)合污染區(qū)域的種植范圍以獲得良好的修復(fù)效果。王曉湘[9]通過對砷脅迫下外源GSH對楊樹生理代謝的研究發(fā)現(xiàn)，砷脅迫對楊樹苗高生長產(chǎn)生了抑制作用，但是隨著外源GSH的加入，這種抑制作用能夠得到緩解，甚至在砷濃度較低時(shí)可以解除抑制作用，恢復(fù)楊樹苗高生長量到正常水平。張凱[10]在3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重金屬Cd和Cu的土壤中扦插楊樹，研究了重金屬脅迫對楊樹幼苗生物量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd和Cu處理無論是對楊樹幼苗的莖、根和總生物量的鮮重還是干重均有抑制作用，且抑制強(qiáng)度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)。

2 重金屬在楊樹體內(nèi)富集規(guī)律

劉乃聞[11]通過ICP-OES法分析銅陵某礦區(qū)內(nèi)楊樹和泡桐內(nèi)不同部位重金屬鎘、鋅、銅的含量。研究發(fā)現(xiàn)，三者在楊樹各器官的分布規(guī)律分別是葉>根>枝>干，葉>枝>干>根，根>枝>葉>干。袁成等[12]以江蘇省宿遷市境內(nèi)楊樹為材料，調(diào)查了其對Cu、Mn、Zn的吸收和累積特征。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上述重金屬在楊樹各器官中呈現(xiàn)一定的趨勢，其中葉片中為Zn>Mn>Cu；木質(zhì)部中為Mn>Zn>Cu；根系中為Mn>Cu>Zn。鄭慧芳[13]以97號(hào)楊為試驗(yàn)材料研究發(fā)現(xiàn)，在低氮處理時(shí)，鎘離子主要集中在楊樹根系中，地上部分相對較少，且葉片和根部細(xì)胞結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化；恢復(fù)正常施氮后，莖皮層細(xì)胞中鎘離子含量增大，說明地上器官對根部鎘的吸收和轉(zhuǎn)移效率有所增強(qiáng)，提高了對鎘污染的修復(fù)效率。李舒琦[14]以楊樹為試驗(yàn)材料，研究了器官、樹齡以及二者的交互作用對吸收4種重金屬的影響。結(jié)果表明，Cu、Pb和Ca在楊樹中的分配規(guī)律基本一致，均按照皮、葉>枝>樹干木質(zhì)部的順序分配。對凋落葉中Cu和Pb的含量進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，其含量隨著樹齡的增加而顯著增加，且二者含量均顯著高于生長期樹葉中的含量。

齊洪濤等[15]利用盆栽的方法研究了堆肥污泥對楊樹幼苗各器官重金屬富集的影響。結(jié)果表明，Cd主要富集在葉部，其余4種重金屬則主要富集在根部；5種重金屬在不同器官含量由大到小的順序是Cd基本表現(xiàn)為葉>根>莖，Hg基本表現(xiàn)為根>莖>葉，Cu、Zn和As的富集基本特征均為根>葉>莖。各器官中重金屬富集量隨著污泥用量的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢。胡亞虎[16]采用野外調(diào)查的方法，研究了干旱區(qū)礦區(qū)周圍重金屬污染的鈣質(zhì)農(nóng)田土壤上廣泛分布的木本植物新疆楊、灌木白刺和草本植物駱駝蓬對土壤中Cd、Cu、Pb和Zn的吸收和富集特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植物不同器官對重金屬的積累是由重金屬種類決定，而非植物種類決定；除Cd主要積累在3種植物的地上部外，其他3種則主要積累在根部。

3 提高楊樹修復(fù)重金屬污染土壤強(qiáng)化措施

3.1 轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用

何佳麗[17]在研究楊樹對重金屬鎘脅迫的分子生理響應(yīng)機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因楊樹的地上部分富集了更多的Cd，可溶性糖和淀粉在轉(zhuǎn)基因楊樹中也顯著積累，除ROS在轉(zhuǎn)基因材料的含量較低外，總硫醇、GSH和GSSG以及可溶性酚和游離脯氨酸含量較高，葉中GR的活性較大。這說明與野生型楊樹相比，轉(zhuǎn)基因楊樹對Cd具有更高的耐受性。趙思雯[18]從小黑楊葉片中克隆得到2條楊樹真核翻譯起始因子基因的同源基因(PsneIF5A2/4)。該基因在根、莖、葉及花序中均有表達(dá)，并且在成熟葉中轉(zhuǎn)錄水平最高。分別用ABA、CdCl2、CuSO4、NaHCO3、ZnSO4、甘露醇、NaCl和PEG6000脅迫小黑楊幼苗，通過熒光定量PCR檢測發(fā)現(xiàn)上述脅迫均能誘導(dǎo)該基因的表達(dá)，其中重金屬脅迫和鹽脅迫下表達(dá)量較多。

3.2 聯(lián)合微生物修復(fù)

近年來很多研究發(fā)現(xiàn)，微生物尤其是真菌在植物修復(fù)土壤重金屬過程中起到了非常重要的作用。楊樹易被菌根(真)菌侵染，并通過其獲得更多的水分及豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。豆青[19]研究了兩株外生菌根真菌(ECMF)對青楊鉛耐受性的影響。研究表明，在相同濃度鉛脅迫下，接種ECMF的青楊與不接種ECMF的青楊相比，其株高和生物量均顯著提高，且這種效果在高濃度鉛脅迫下更為顯著，說明接種ECMF能提高青楊對鉛脅迫的耐受性。通過對比兩株外生菌根真菌對青楊的侵染率發(fā)現(xiàn)，草地大馬勃更容易侵染青楊，能更好地提高青楊對鉛脅迫的耐受性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然接種ECMF使青楊增加了對鉛的吸收，但主要集中在根系，抑制其向地上敏感葉片中轉(zhuǎn)移，從而降低了鉛對青楊的損傷。

3.3 投加螯合劑

近年來，許多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)添加螯合劑對提高土壤中重金屬的生物有效性有很大幫助，因而常常使用螯合劑來強(qiáng)化重金屬污染土壤的植物提取修復(fù)。李舒琦[14]對鈣質(zhì)土壤上楊樹修復(fù)Cu和Pb的機(jī)制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)的3種螯合劑均可以顯著提高Cu和Pb在土壤中有效態(tài)的含量，只是活化能力略有不同。其中施用EDTA和EGTA可以顯著增加根和葉中Cu的含量，而EDTA還可顯著提高葉中Pb的含量。金誠等[20]以新疆楊為試驗(yàn)材料，研究了3種螯合劑強(qiáng)化下其對干旱區(qū)農(nóng)田土壤中Pb的吸收和富集特征。結(jié)果表明，螯合劑的增加顯著提高了土壤中Pb的含量，其活化效果表現(xiàn)為EDTA>EGTA>CA。3種螯合劑均顯著提高了楊樹根中Pb的含量，均未顯著提高楊樹樹干中Pb的含量，但在EDTA的2個(gè)投加水平作用下，楊樹葉中Pb的含量和對照相比則顯著增加，其增幅分別為125%和332%。Pb主要積累在楊樹根部，3種螯合劑處理下楊樹根中Pb的積累量占楊樹總Pb積累量的比例由對照的88%增至94%～98%?？傮w而言，EDTA相比于EGTA和CA，更有助于楊樹對土壤中Pb的吸收和積累。

4 展 望

為提高楊樹在修復(fù)土壤重金屬污染中的應(yīng)用，提高其對重金屬的耐受性及修復(fù)效率，今后可以從以下幾方面開展研究：一是近年來?xiàng)顦溆N成果豐碩,可以進(jìn)一步擴(kuò)大楊樹品種對修復(fù)土壤重金屬污染的篩選范圍，針對不同區(qū)域來選擇修復(fù)能力強(qiáng)的楊樹品種；二是開展楊樹對重金屬脅迫的生理和分子機(jī)制的研究，挖掘出楊樹重金屬解毒的關(guān)鍵基因，利用基因表達(dá)調(diào)控來提高楊樹對重金屬耐性，或利用基因的克隆轉(zhuǎn)化來提高重金屬向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)能力及在莖部貯存能力；三是進(jìn)一步探索提高楊樹修復(fù)土壤重金屬污染的強(qiáng)化措施。