富集植物生物學(xué)特性及其對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)的研究進(jìn)展

摘要：在眾多修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)因具有成本低、環(huán)境友好、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)。富集植物在一定濃度范圍內(nèi)能夠吸收利用并積累耐受土壤中的重金屬離子，且不會(huì)發(fā)生中毒。主要綜述了富集植物的生物學(xué)特性及其在重金屬污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，同時(shí)展望了利用富集植物修復(fù)重金屬污染土壤領(lǐng)域的研究方向。

關(guān)鍵詞：富集植物；重金屬；土壤；修復(fù)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）01-0-03

Research Progress on Enriched Plant Biological Characteristics and Their Application in Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil

Abstract： Among numerous remediation techniques， plant remediation technology has become a research hotspot due to its advantages of low cost， environmental friendliness， and no secondary pollution. Enriched plants can absorb， utilize， and accumulate heavy metal ions in tolerant soil within a certain concentration range， without causing poisoning. This article mainly summarizes the biological characteristics of enriched plants and their research progress in the remediation of heavy metal contaminated soil. At the same time， it looks forward to the research direction of using enriched plants to remediate heavy metal contaminated soil..

Keywords： enriched plant; heavy metals; soil; remediation

隨著工業(yè)化水平不斷提高，人類生產(chǎn)活動(dòng)排放的重金屬不斷進(jìn)入土壤?！?022中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，影響我國(guó)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬。重金屬通過(guò)食物鏈最終在人體富集，會(huì)導(dǎo)致癌癥、腎衰竭、貧血等疾病，給人類健康造成威脅。土壤重金屬污染對(duì)人類健康、糧食安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。近年來(lái)，很多學(xué)者研究了各種物理、化學(xué)和生物修復(fù)方法，以期降低土壤中的重金屬含量。植物修復(fù)作為生物修復(fù)方法中的一種，具有對(duì)環(huán)境影響較小、運(yùn)用成本低的特點(diǎn)，是公認(rèn)的綠色經(jīng)濟(jì)的修復(fù)方法。以13種富集植物為研究對(duì)象，匯總其生物學(xué)特性，梳理其在重金屬污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并展望富集植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展方向。

1 富集植物的特點(diǎn)和耐受重金屬的機(jī)理

超富集植物是指其地上部分能夠超量吸收重金屬，對(duì)重金屬的積累量超過(guò)普通植物的100倍以上，且能夠在重金屬污染場(chǎng)地正常生長(zhǎng)，沒(méi)有明顯中毒現(xiàn)象的植物[1]。目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物主要有大葉井口邊草、蜈蚣草、印度芥菜等。富集植物與超富集植物的主要區(qū)別在于對(duì)重金屬的積累量和積累效率不同。?富集植物對(duì)重金屬的積累量相對(duì)較低，但仍高于普通植物。富集植物種類多，重金屬積累量有較大的提升空間，因此受到科研工作者的廣泛研究。

富集植物耐受重金屬的機(jī)理主要包括基因調(diào)控、細(xì)胞結(jié)構(gòu)作用和根系分泌物作用?；蛘{(diào)控作用是富集植物在重金屬污染土壤中生長(zhǎng)而不受毒害的重要機(jī)制，富集植物可以調(diào)控自身脫氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，其基因表達(dá)模式朝著適應(yīng)不利環(huán)境的方向改變[2]。細(xì)胞結(jié)構(gòu)作用是指富集植物的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)對(duì)重金屬具有較強(qiáng)化學(xué)交互作用。細(xì)胞壁將重金屬離子吸附到表面，減少其進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的量，還能分泌特殊的有機(jī)物質(zhì)與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，將其阻擋在細(xì)胞壁外。細(xì)胞膜含有的磷脂雙分子層能夠與重金屬離子發(fā)生作用抑制其進(jìn)入，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和離子通道能夠調(diào)節(jié)控制離子進(jìn)出。細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有蛋白質(zhì)、氨基酸等物質(zhì)，也可與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)降低其毒性。富集植物的根系在重金屬污染環(huán)境中會(huì)分泌氨基酸、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、配合物等物質(zhì)。氨基酸將重金屬穩(wěn)定于土壤，生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑與配合物促進(jìn)植物生長(zhǎng)[3]。

2 富集植物的生物學(xué)特性

選取13種富集植物分析其生物學(xué)特性，分別是紫萼、酸模、麥冬草、萱草、地膚、向日葵、毛蕨、龍葵、薔薇、美人蕉、吉祥草、雞冠花以及東南景天。從生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)看，植株高度較低的為麥冬草（15～40 cm）、吉祥草（10～20 cm）、東南景天（10～20 cm），植株高度較高的為向日葵（70～300 cm）和薔薇（200～300 cm）。除吉祥草外，其他富集植物根莖粗短而發(fā)達(dá)。從繁殖方式看，薔薇為扦插繁殖或嫁接繁殖，美人蕉為根莖繁殖，其他多為分株繁殖和播種繁殖。這些富集植物合適的栽培季節(jié)主要在春季和秋季，其次為夏季。從生長(zhǎng)習(xí)性看，向日葵能夠同時(shí)耐寒、耐堿、耐干旱，東南景天耐瘠薄、干旱及強(qiáng)光，其他多喜溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境，多生長(zhǎng)在林下、路旁、溝邊等陰濕地帶。總體上看，均體現(xiàn)出適應(yīng)性強(qiáng)的特性。

3 富集植物的重金屬污染土壤修復(fù)研究現(xiàn)狀

王成聰?shù)萚4]在模擬酸雨與Cd復(fù)合污染對(duì)紫萼的影響的研究中發(fā)現(xiàn)，紫萼對(duì)低強(qiáng)度酸雨和低濃度Cd污染有一定耐受性，可作為酸雨區(qū)土壤Cd污染修復(fù)植物的選擇。王娟[5]研究發(fā)現(xiàn)紫萼對(duì)Pb的富集能力較強(qiáng)，根長(zhǎng)在Pb2+濃度為125 mg/kg時(shí)達(dá)到最大，Pb2+在一定濃度范圍內(nèi)可以促進(jìn)紫萼葉片數(shù)量增加和葉柄生長(zhǎng)，可將紫萼作為Pb污染地區(qū)的修復(fù)植物。

何閃英等[6]研究發(fā)現(xiàn)酸模對(duì)Cu具有一定吸收積累作用，在酸雨地區(qū)Cu污染土壤的修復(fù)中具有很好的應(yīng)用潛力。吳漢福等[7]發(fā)現(xiàn)酸模對(duì)煤矸石風(fēng)化土壤中重金屬Zn具有顯著吸收和富集能力，其地上部分和地下部分中Zn含量分別為60.97 mg/kg和57.31 mg/kg。

謝建春[8]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期生長(zhǎng)在高濃度Cu環(huán)境下的麥冬草表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性，可優(yōu)先作為尾礦廢棄地修復(fù)植物的選擇。

王碩等[9]研究萱草對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效果發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb、Zn在一定濃度范圍內(nèi)促進(jìn)萱草生長(zhǎng)。萱草對(duì)Cd、Pb、Zn單一污染有明顯的耐性，可用于土壤中低濃度Cd、Pb、Zn（Cd不超過(guò)20 mg/kg、Pb不超過(guò)1 000 mg/kg、Zn不超過(guò)1000 mg/kg）單一污染修復(fù)，對(duì)Cd的修復(fù)效果更佳。

張家洋等[10]發(fā)現(xiàn)地膚能積累和忍受一定濃度的Zn、Cd，具有修復(fù)Zn和Cd污染土壤的潛能。

張守文[11]發(fā)現(xiàn)向日葵對(duì)土壤中的Cd表現(xiàn)出一定的積累能力。向日葵各部位的Cd含量隨著土壤Cd濃度的增加而增加，但超過(guò)限值就會(huì)對(duì)植株造成傷害。王永芬等[12]研究發(fā)現(xiàn)向日葵地上部分對(duì)土壤中的Cu有較高的積累。另外，向日葵對(duì)Cr污染具有一定的修復(fù)作用，其根部對(duì)Cr的吸收效果非常明顯，但向其他部位的轉(zhuǎn)移速度較慢。

丁曦寧[13]研究發(fā)現(xiàn)毛蕨對(duì)Pb有良好的富集能力。在一定濃度范圍內(nèi)，毛蕨體內(nèi)的Pb含量隨著土壤中Pb濃度的增加而持續(xù)增加，且主要集中在地上部分，說(shuō)明毛蕨對(duì)Pb的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力很強(qiáng)，可作為Pb污染土壤植物修復(fù)的潛力物種。另外，沈羽等[14]發(fā)現(xiàn)毛蕨的羽葉和根能吸收較高濃度的Cu。

魏樹(shù)和等[15]研究發(fā)現(xiàn)龍葵對(duì)Cd和Zn有良好的富集作用。龍葵地上部Cd和Zn的富集系數(shù)均大于1，且地上部分的Cd和Zn的濃度大于根部。

李香君[16]在研究銅、鎘、鉛脅迫對(duì)薔薇的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，薔薇對(duì)重金屬Cd有很強(qiáng)的富集與轉(zhuǎn)移能力，可以作為Cd污染修復(fù)植物。

莊靜靜等[17]在研究Pb、Cd復(fù)合脅迫下美人蕉的生長(zhǎng)及富集特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，美人蕉對(duì)低濃度Pb、Cd富集及遷移系數(shù)較高，且在單一Pb脅迫下，低濃度Pb（Pb濃度不超過(guò)500 mg/kg）會(huì)促進(jìn)美人蕉生長(zhǎng)，因此可在低濃度Pb、Cd污染土壤中種植美人蕉進(jìn)行修復(fù)。

起莎莎[18]研究發(fā)現(xiàn)吉祥草對(duì)Cd和Pb有一定的富集作用，同樣表現(xiàn)為低濃度下的Cd和Pb對(duì)吉祥草的生物量、株高、葉長(zhǎng)等有促進(jìn)作用。隨著Cd、Pb濃度的增加，吉祥草生長(zhǎng)受到抑制。

查應(yīng)琴[19]在研究鎘脅迫下雞冠花生理生化響應(yīng)及鎘富集規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，雞冠花對(duì)Cd有一定的富集作用。不同濃度Cd脅迫（濃度在5～100 mg/kg）處理雞冠花種子，低濃度會(huì)提高種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率，并表現(xiàn)出“低促高抑”的現(xiàn)象。

戴超等[20]研究東南景天對(duì)Cd污染農(nóng)田修復(fù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，東南景天對(duì)土壤中的Cd具有超積累作用，對(duì)土壤Cd的去除率為11%，具有一定的土壤Cd污染修復(fù)效果。

4 結(jié)論

富集植物修復(fù)重金屬污染土壤是一種綠色友好的技術(shù)，主要利用富集植物對(duì)重金屬的富集能力，將重金屬?gòu)耐寥擂D(zhuǎn)移至植物體內(nèi)，從而達(dá)到修復(fù)目的。然而，富集植物多表現(xiàn)為在一定低濃度重金屬污染環(huán)境中，對(duì)生物量生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，在高濃度環(huán)境中植物生長(zhǎng)受到抑制，并且不同植物的富集能力差異較大。增加植物富集重金屬的種類，降低復(fù)合污染的脅迫作用，拓寬植物耐受濃度范圍，是未來(lái)富集植物修復(fù)技術(shù)的研究方向。

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