商陸屬植物對重金屬的富集特征及應(yīng)用現(xiàn)狀分析

謝琴 賀莉莎

摘要 商陸屬植物對多種重金屬具有較強(qiáng)的富集能力，在重金屬污染土壤修復(fù)中具有較大應(yīng)用潛力。本文分析了土壤重金屬的來源和危害，探討了重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理及進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上闡述了商陸屬植物對重金屬錳、鎘和鋅的富集作用及應(yīng)用現(xiàn)狀，為促進(jìn)商陸屬植物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 商陸屬植物；土壤；重金屬污染；富集特征；植物修復(fù)

中圖分類號(hào) X173；X53? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）10-0078-04

土壤是人類賴以生存的重要資源之一，土壤污染問題已引起一定的關(guān)注，其中土壤重金屬污染因其污染面積較大、危害較為嚴(yán)重等而備受關(guān)注[1]。土壤中過量的重金屬不僅會(huì)直接危害植物的生長發(fā)育，也可通過食物鏈進(jìn)入人體，威脅人類健康。因此，如何修復(fù)重金屬污染的土壤，為植物生長和人類健康提供良好的生態(tài)環(huán)境，是當(dāng)前重要的研究課題之一。近年來，有關(guān)學(xué)者提出植物修復(fù)技術(shù)治理重金屬污染土壤理論，植物修復(fù)技術(shù)是利用植物自身的新陳代謝、對重金屬的獨(dú)特耐性和富集能力等，達(dá)到降低土壤污染物濃度或徹底清除污染物的目的[2]。植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、操作簡單、安全清潔和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[3]，該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于尋找到生長快、生物量大、耐性強(qiáng)且對重金屬具有較強(qiáng)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的植物[4]。

商陸屬（Phytolacca sp.）植物是商陸科多年生宿根草本植物，具有地上部生物量大、生長周期短等特點(diǎn)[5]。商陸屬植物對土壤環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，其根系發(fā)達(dá)、枝葉茂盛，株高可達(dá)2 m，有較強(qiáng)的抵抗病蟲害能力，可入藥也可作肥料等。研究發(fā)現(xiàn)，商陸屬植物對重金屬有較強(qiáng)的富集能力，在重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)中具有較大應(yīng)用潛力[6]。基于此，本文分析了土壤重金屬的來源及危害，探討了重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理與進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上闡述了商陸屬植物對錳、鎘和鋅的富集作用及應(yīng)用現(xiàn)狀，為促進(jìn)商陸屬植物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用提供參考。

1 土壤重金屬的來源和危害分析

土壤是人類賴以生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤的安全與健康是保障人類居住環(huán)境和食品質(zhì)量安全的關(guān)鍵。重金屬具有毒性且半衰期較長，可在環(huán)境中積累且降解緩慢。釋放到土壤中的重金屬會(huì)通過生物積累和生物放大過程對生物產(chǎn)生不利影響，植物重金屬中毒會(huì)導(dǎo)致植物生長發(fā)育緩慢、產(chǎn)量降低和功能代謝異常等[7]。

土壤是植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物根系直接與土壤接觸，從土壤中吸收營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)也會(huì)吸收重金屬，因此，植物的根系是受重金屬毒害最直接的部位。重金屬會(huì)影響植物的正常生長發(fā)育，例如，鎘（Cd）會(huì)抑制植物根系的生長，從而使植物生長緩慢、生物量減少[8]；銅（Cu）會(huì)導(dǎo)致植物根尖彎曲、根冠細(xì)胞分裂停止、細(xì)胞畸形及根系功能下降等[9]。此外，重金屬對植物根系的毒害可能會(huì)影響植物對其他營養(yǎng)元素的吸收，從而影響植物的正常生長，例如，過量的Cu會(huì)抑制紫云英對氮（N）、磷（P）和鋅（Zn）等元素的吸收[10]。重金屬不僅會(huì)通過影響植物呼吸酶的活性影響植物的呼吸作用，還會(huì)影響植物的光合作用。例如，過量的錳（Mn）會(huì)抑制植物對葉綠素合成必需元素鎂（Mg）和鐵（Fe）的吸收，導(dǎo)致植物葉片中葉綠素含量降低；同時(shí)，高濃度Mn脅迫不僅會(huì)改變植物葉片氣孔的密度，其活性氧的積累還會(huì)對葉綠素造成一定的破壞[11]。

2 重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理及進(jìn)展探討

針對土壤重金屬污染問題，學(xué)者已提出了多種污染土壤修復(fù)方式。其中，植物修復(fù)技術(shù)是利用植物自身的新陳代謝，對重金屬較強(qiáng)的耐性和富集能力，達(dá)到降低土壤重金屬濃度或徹底清除重金屬的目的。植物修復(fù)主要的作用方式有6種類型：植物提取、植物降解、植物凈化、植物揮發(fā)、植物固定和根際圈生物降解[2]。Brooks等[12]提出超富集植物概念，即能夠在被重金屬污染的土壤上特定生長的植物。Chaney等[13]提出將超富集植物應(yīng)用到重金屬污染的土壤修復(fù)上，開啟了對重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)的研究。魏樹和等[14]研究認(rèn)為，超富集植物應(yīng)該具備兩個(gè)基本特征：一是富集系數(shù)（Enrichment coefficien，EC）大于1，即植物中的重金屬含量高于其生長土壤中該重金屬的含量；二是植物在生長發(fā)育過程中不會(huì)受到明顯的毒害作用，能夠在重金屬污染土壤上完成正常的生活史。在實(shí)際植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中，還需要考慮超富集植物的生物量、生長周期和經(jīng)濟(jì)價(jià)值等因素。因此，植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是尋找生長速度快、生物量大、生長周期短、適應(yīng)能力強(qiáng)、耐性強(qiáng)且對重金屬具有較強(qiáng)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的植物。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物已有500余種，廣泛分布在植物界40多個(gè)科。實(shí)踐中部分超富集植物生長緩慢、生物量小、生長周期長，且部分超富集植物多生長在特定的環(huán)境中，環(huán)境適應(yīng)能力較差，實(shí)際應(yīng)用中修復(fù)周期較長、成本較高。目前，超富集植物在重金屬污染土壤的植物修復(fù)中的應(yīng)用暫時(shí)具有一定的局限性，有待進(jìn)一步深入探究。

3 商陸屬植物對重金屬的富集作用分析

3.1 商陸屬植物對Mn的富集作用

Mn是植物生長發(fā)育必需的微量元素，是植物葉綠體的組成成分之一，直接參與植物的光合作用。而土壤中積累過量的Mn可能會(huì)造成土壤污染，植物吸收過量的Mn可能會(huì)影響其生長發(fā)育，甚至中毒死亡。因此，Mn是影響植物生長的一個(gè)重要因素。Xue等[15]通過測定多種植物中的Mn含量，發(fā)現(xiàn)美洲商陸（Phytolacca americana L.）地上部Mn的含量達(dá)到12 180～19 300 mg/kg，且葉片中的Mn含量高于根部，Mn的富集系數(shù)大于1，表明美洲商陸是一種Mn超富集植物。鐵柏清等[16]通過野外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，美洲商陸對土壤中高含量的Mn具有很強(qiáng)的吸收和耐受能力，葉片中Mn含量5 160～8 000 mg/kg；水培試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Mn處理濃度10 mmol/L時(shí)，美洲商陸仍能正常生長，葉片中Mn的含量達(dá)11.76 g/kg，當(dāng)Mn處理濃度50 mmol/L時(shí)，葉片中Mn的含量高達(dá)47.06 g/kg。Yuan等[17]明確提出美洲商陸是Mn超富集植物。豆長明等[18]分析了美洲商陸各部位的Mn含量，發(fā)現(xiàn)次級(jí)根和根表的Mn含量明顯高于主根和地上部莖、葉中的Mn含量，說明美洲商陸體內(nèi)的Mn主要積累在側(cè)根和次生根中。趙盈麗等[19]研究發(fā)現(xiàn)，商陸（Phytolacca acinosa Roxb.）能將土壤中的Mn轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分，葉片中Mn含量最高，平均為17 043 mg/kg，遠(yuǎn)高于莖和根的Mn含量均值；單株的平均富集量在土壤Mn濃度500 mg/kg時(shí)達(dá)到最高，一棵商陸可富集約13 mg的Mn。

3.2 商陸屬植物對Cd的富集作用

土壤重金屬污染中Cd污染面積較大[20]。Cd在植物生長發(fā)育中屬于非必需微量元素，正常條件下，植物體內(nèi)Cd含量一般不超過1 mg/kg。與其他重金屬相比，Cd的半衰期較長，對植物具有強(qiáng)毒性且可在植物體內(nèi)發(fā)生遷移，可能會(huì)通過食物對人體的健康造成損害[21]。Liu等[22]通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，美洲商陸在污染土壤和室內(nèi)水培條件下均能在地上部富集大量的Cd，最高分別可達(dá)402和637 mg/kg，其中蒸騰作用在美洲商陸富集Cd過程中發(fā)揮了很大作用。Peng等[23]發(fā)現(xiàn)，在Cd存在下，加入Mn可以抑制美洲商陸對Cd的吸收，促進(jìn)其生長，說明美洲商陸體內(nèi)Cd和Mn存在一定的相互影響。聶發(fā)輝[24]研究表明，美洲商陸同屬植物商陸對Mn和Cd均有超富集能力，在土壤Cd濃度水平高于50 mg/kg的條件下，商陸莖和葉中的Cd含量均超過100 mg/kg，地上部Cd的富集系數(shù)大于1，符合Cd超富集植物的基本特征，是一種理想的土壤Cd污染修復(fù)植物。傅曉萍[25]對美洲商陸進(jìn)行100 μmol/L Cd水培處理，發(fā)現(xiàn)Cd對美洲商陸植株的毒害癥狀較輕，地上部和根系中Cd含量分別可達(dá)966.9和8 179.1 mg/kg；美洲商陸積累Cd能力較強(qiáng)，根系中的Cd含量比地上部高，在低濃度Cd處理下，美洲商陸仍具有較高的Cd吸收富集能力。吳雙桃等[26]對鉛鋅冶煉廠周圍污染土壤修復(fù)發(fā)現(xiàn)，商陸能大量富集Cd且地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)。

3.3 商陸屬植物對Zn的富集作用

Zn是植物生長發(fā)育必需的微量元素之一，但過量的Zn可能會(huì)引起植物中毒，一般植物中Zn的含量為20～150 mg/kg，商陸對Zn也有較強(qiáng)的富集作用。黃五星等[27]通過野外采樣發(fā)現(xiàn)，商陸可在錳礦廢棄土壤中正常生長，而錳礦廢棄土壤中Zn的含量是周邊普通土壤背景值的3.01倍；進(jìn)一步通過水培試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，1 mmol/L Zn處理濃度下，商陸地上部分生物量仍高于對照組，其根、莖和葉中Zn的含量分別為24 276、880和1 490 mg/kg，Zn在商陸地上部分的積累量接近于Zn超積累植物東南景天，表明商陸對Zn也具有很強(qiáng)的耐受性和積累性。劉益貴等[28]通過對鋅冶煉廠尾渣堆周圍的植物采樣發(fā)現(xiàn)，美洲商陸體內(nèi)Zn含量高達(dá)2 590 mg/kg。薛生國等[29]通過水培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50 μmol/L Zn處理時(shí)，垂存商陸（Phytolacca americana L.）根中的Zn含量為2 750 mg/kg，當(dāng)Zn處理濃度為200 μmol/L時(shí)，其根中Zn的含量高達(dá)7 194 mg/kg，在10 d內(nèi)，垂存商陸對水體中Zn的去除率為38.1%～40.0%。

4 商陸屬植物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

商陸屬植物分布廣泛，其植株高大、地上部生物量大且生長周期短，在重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)中具有應(yīng)用潛力較大。向言詞等[30]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，美洲商陸可使Mn尾渣污染的土壤特性發(fā)生變化，可一定程度上增強(qiáng)土壤酶活力，改善土壤營養(yǎng)，同時(shí)可調(diào)節(jié)土壤中Mn和Cd的形態(tài)分布，降低土壤中Mn和Cd的含量，減阻Mn和Cd等污染物的遷移；此外，研究發(fā)現(xiàn)，美洲商陸可明顯降低Mn尾渣污染土壤的毒性，有利于促進(jìn)其他植物的生長，維持Mn尾渣污染區(qū)植被的可持續(xù)發(fā)展。陳國慶等[31]研究表明，美洲商陸可通過增加抗氧化酶的活性來消除氧自由基，增強(qiáng)美洲商陸對Mn的耐受性。張玉秀等[32]研究了商陸對Cd脅迫的響應(yīng)，結(jié)果表明，抗氧化酶可清除Cd毒害產(chǎn)生的活性氧自由基，進(jìn)而提高商陸對Cd的耐受性。薛生國等[29]研究發(fā)現(xiàn)，垂序商陸通過植株吸收和根系吸附作用去除重金屬，可用于治理重金屬污染水體，垂存商陸10 d內(nèi)對Cd和Zn的清除率分別為50.8%～53.7%和38.1%～40.0%。

5 結(jié)語

植物修復(fù)作為經(jīng)濟(jì)有效的方法在重金屬污染土壤的修復(fù)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。植物修復(fù)的關(guān)鍵是尋找生長速度快、生物量大、生長周期短、適應(yīng)能力強(qiáng)、耐性強(qiáng)且對重金屬具有較強(qiáng)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的植物。目前，大多數(shù)超富集植物存在生物量小、生長周期長等缺點(diǎn)，在植物修復(fù)應(yīng)用中具有一定的局限性。本文分析了土壤重金屬的來源和危害，探討了重金屬污染土壤的植物修復(fù)機(jī)理及進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上闡述了商陸屬植物對Mn、Cd和Zn的富集作用及應(yīng)用現(xiàn)狀。商陸屬植物分布廣泛，植株高大、地上部生物量大且生長周期短，對Mn、Cd和Zn等均有較強(qiáng)的富集作用，在重金屬污染土壤的植物修復(fù)應(yīng)用中具有巨大潛力。未來需進(jìn)一步研究商陸屬植物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的機(jī)制，進(jìn)一步豐富商陸屬植物富集重金屬的理論基礎(chǔ)，為重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供植物資源和參考。

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（責(zé)編：何 艷）