工業大麻對重金屬污染土壤的治理研究進展

梁淑敏，許艷萍，陳裕，楊 明，郭鴻彥

云南省農業科學院經濟作物研究所，昆明 650205

土壤是人類賴以生存和發展的物質基礎，是農業生產的基本生產資料。但隨著我國工業化的不斷深入，多種含重金屬的污染物通過各種途徑進入土壤，造成了土壤的重金屬污染，從而導致土壤退化，并通過食物鏈危及人類健康和生命。如何減輕日益嚴重的重金屬對土壤污染，進而修復還原利用的問題已迫在眉睫，亟待研究。目前，有幾個清潔污染土壤的方法［1-2］，其中最理想的是植物修復技術［3-10］。植物修復技術是指利用植物吸收、提取、分解、轉化或固定等作用將土壤、沉積物、污泥、地表或地下水中的有毒有害物質去除或降低其毒性的技術總稱［11］。相對于其他的常規治理方法，植物修復以其廉價、清潔、不破壞環境、不會造成二次污染等優良特性已日益引起了學術界和政府部門的廣泛重視。

植物修復的前提是找到對某種或某些重金屬具有特殊吸收富集能力的植物種或基因型，即重金屬的“超富集植物”［12］。一直以來，人們比較關注超富集植物的篩選，并取得了一定的進展。但至今人們所發現的自然界中的超富集植物大多為野生型植物，生物量低、生長緩慢、植株矮小，因而限制了其對污染土壤重金屬的移除效率，也不利于大面積的機械化操作，造成實際應用性差［13-14］。另外，這些自然界的超富集植物對生物氣候條件要求較嚴格，區域性分布強，嚴格的適生性使成功引種受到限制，嚴重制約了其大規模的應用［14］。所以國內外專家不再局限于尋找超富集植物，而把目光轉移到對重金屬具有耐性，適應性強、分布廣泛和生物量高的栽培作物［10，15］，如大麻(Cannabis sativa L)、芥菜(Brassica juncea(Linnaeus)Czernajew)、亞麻(Linum usitatissimum)、玉米(Zea mays L)、大麥(Hordeum vulgare L)等農作物，這些作物與超富集植物相比體內重金屬含量很低，但因植物生物量及生長速度都遠遠大于超富集植物，即便體內重金屬含量未達到臨界含量標準，同樣時間內所積累的重金屬絕對量反而比超富集植物積累的絕對量大，對重金屬污染土壤的修復作用更大［13］。國外許多研究表明，工業大麻對重金屬有較強的耐性和富集能力［16-19］，相反，國內在這方面研究還很有限。因此有必要對工業大麻修復重金屬污染技術進行深入研究和總結，擴大其應用范圍，以便為工業大麻對重金屬污染的治理研究及耐重金屬或超富集工業大麻品種的選育和栽培技術研究提供指導。

1 工業大麻是一種修復重金屬污染土壤的優良作物

大麻是大麻科大麻屬1年生草本植物，工業大麻(本文出現的大麻一詞皆指工業大麻)屬于四氫大麻酚含量低于0．3%的符合各國法律規定的含量標準的，且已無毒品利用價值的大麻品種。它的優良特性有:栽培歷史悠久、分布廣泛、生物量大、抗逆性強、生長速度快、生育期短、根系龐大、碳匯能力強、易種植管理、耐密植和易于機械化操作，并且具有多種工業用途及廣泛的應用前景［20］。最早應用工業大麻去除重金屬污染物的是1998年The Phytotech公司，該公司利用種植大麻去除切爾諾貝利核電站的污染物，其治理結果顯著［21］。同時1999年Saint Louis推薦說工業大麻地上部分具有積累放射性U和Pb的作用［22］。諸多優良特性，使得越來越多的國內外學者把工業大麻作為理想的植物修復候選作物。

1．1 工業大麻修復重金屬土壤的年限

在重金屬污染的土壤上通過幾次(幾年)種植大麻，重金屬在土壤中的濃度將降低到滿意的(限定)水平［23］。而在相同的條件下，利用其它植物修復需要15a甚至更長時間才能清除土壤重金屬類污染［24］。但對于一些特殊的重金屬污染土壤，大麻也需較長的年限才能修復土壤。如將土壤中Pb濃度從1100mg/kg降至300mg/kg(86/278/EEC限定)，需要種植工業大麻約10—15a［25］。被某些重金屬污染的土壤可能要100—200a時間才能恢復［26］。

1．2 工業大麻修復重金屬土壤的費用

比較植物修復費用與常規治理費用，植物修復費用要遠低于常規治理。據美國實踐，種植管理費用在每200—10000美元/hm2之間，即每年每1m3的處理費用為0．02—1．00美元，比物理化學處理的費用低幾個數量級［3］。由于高昂的修復費用，相對應美國對有毒廢物污染場所的生物修復項目費由1994年的2億美元提高到2000年的28億美元，6a內增長達14倍之多［27］。由此可預見，大麻修復重金屬土壤的費用可能較低。

1．3 工業大麻修復重金屬土壤可產生的經濟效益

經研究表明:種植在Zn污染土壤上的大麻，其種子可以加工為生物柴油，生物柴油已被認為是替代石化燃料、惠及農業生產的最佳選擇［28-29］，同時其修復重金屬土壤時生產的大量生物質在冶金回收上能產生可觀的經濟效益，由于我國研究大麻修復重金屬土壤剛起步，相應的經濟效益比較研究也較少，但通過參考其他的超富集植物，可以預見大麻修復重金屬土壤的經濟效益很可觀。如Nicks等［30］研究認為，通過超富集植物回收重金屬Ni產生的直接經濟價值為539美元/hm2。如果采用焚燒法，植物生物質燃燒產生的25%熱能能夠得到回收利用，便可以產生額外的利潤219美元/hm2。這就是說通過植物修復能產生的總經濟效益為758美元/hm2，若總經濟效益減去整個過程所耗費用，凈利潤為379美元/hm2，而種植小麥的凈利潤僅為309美元/hm2。因此，種植超富集植物比種植小麥的經濟價值還要高70美元/hm2［31］。

另外，工業大麻不僅是一種修復重金屬污染土壤的優良作物，而且是另一種常用材料，可利用其有效地去除或改變自然界中或者污染水域中的Cr3+，Cu2+，Ag+，Cd2+，Pb2+的存在形態［32-35］，被用于治理澳大利亞的灰水，其纖維被羅馬尼亞的亞西用來去除廢水中的二價鋅離子。在我國，2009年連惠山等研究表明，工業大麻桿芯對亞甲基藍染料有較好的吸收和去除功能，其作為染料廢水吸收劑具有良好的開發應用前景［36］。

2 重金屬對工業大麻的影響及其在大麻不同部位的分布

雖然大麻對重金屬有較強的耐性，但把大麻種植在重金屬污染的土壤中時，不僅要考慮大麻對土壤的修復，還要考慮重金屬對工業大麻的影響以及在大麻不同部位的分布。這樣才能更好利用其修復重金屬污染的土壤，同時能對收獲后的大麻產品做后續的處理。

2．1 重金屬對工業大麻生長發育和產量的影響

(1)對大麻生長發育和產量有利

當在土壤中施入濃度小于25mg/kg的Cd，在某種程度上對大麻生長有一定促進作用［28］;在土壤中施入濃度小于200mg/kg的Zn也有類似的促進作用，不同的是促進了大麻的根系生長。當研究者利用西歐河道的鈣質疏浚泥沙派生的表層土壤做土壤基質，發現大麻生長良好，單株生物干重為10g/株［19］。這些研究者還在土壤中添加低劑量的含重金屬污泥，發現大麻的株高和干物重顯著增加，但大劑量的添加污泥對大麻的株高和干物重沒有顯著影響［23，37-38］。因此認為，大麻是一個適宜在重金屬污染土壤生長的植物，能適應不同的氣候條件，可生產出品質優良的非食品產品［17］。

(2)對大麻生長發育和產量無影響

當Cd，Ni和Cr的含量分別在82，115，139 μg/g時大麻的生長和形態沒有顯著改變，表現為根長和分枝長及地上部分干重和根干重與對照差異不顯著［17］。若人為增加重金屬濃度導致大麻吸收重金屬量增加，但無明顯減產或收獲產品質量降低［39］。因此認為，種植在重金屬污染土壤中，大麻生長受影響很小［40］，低濃度重金屬不對大麻產生影響［18］，也不影響其發育［41］，其莖和種子的產量未受到較大影響［42-48］。

(3)對大麻生長發育和產量有害

在魏塞埃爾斯特河，一些研究者把大麻種植在重金屬含量超標的河床沉積污泥上，盡管大麻可以完全正常的發芽，但播種后1周的大麻葉片部分變色、變形和干枯，最終約95%的植株死亡。而幸存的大麻分枝短，比未受污染的土壤上生產低得多的生物量［49］。另有一些研究者對盆栽和水培大麻進行研究，與對照相比，含重金屬的基質中，植株矮小、葉片枯萎，生物量下降，高死亡率和生育遲緩，抑制大麻生長的原因是低pH和多個可移動有毒金屬的協同作用［49］。還有一些研究者把大麻種植在Zn、Cu、Ni污染的土壤上，發現隨著重金屬的濃度增加生物量下降及根干重降低［23，50］。因此認為，大麻是一個不適宜在重金屬污染土壤生長的植物［35］，但可通過水楊酸預處理緩解高濃度Cd對大麻幼苗的毒害［28］。

經統計，現有84．2%研究表明重金屬對大麻生長發育和產量有利或無影響，僅15．8%的研究表明重金屬對大麻生長和產量有害。這說明大部分研究者認為大麻對重金屬的耐受性很強，僅少部分研究者表明大麻耐受性差。經分析出現這樣研究結果的原因可能是:低濃度的重金屬(10-10—10-3mol/L)對大麻的生長和產量有促進作用或影響不顯著，高濃度(10-1—10-2mol/L)對大麻生長會產生抑制作用或致命［51］，但不排除土壤的吸收能力、土壤的pH值、氧化還原條件、有機質、土壤的質地及土壤通透性等物理性狀的影響［52］。

另外，當濃度特別高的條件下，重金屬還對大麻的葉、葉綠素及光合能力產生影響;對大麻纖維品質和根無影響，但能吸收比在未受污染土壤高得多的重金屬(尤其是Zn、Cd和Ni)［18］。雖然對大麻生長及產量沒有顯著影響，但大麻植株體內的植物絡合素和DNA數量增加［17］。在重金屬Ni2+、Cd2+和Cr6+誘導下大麻DNA的甲基化發生改變，且5-methylcytosine(胞核嘧啶，5mC)濃度下降20%—40%［53］。

2．2 重金屬對工業大麻性別的影響

大麻是雌雄異株作物，雌雄株比例接近1∶1，由于雌雄株成熟期不一致，造成生產上操作困難，管理不一致，并且雌雄株的產品不同。大麻栽培和育種研究的目的是力爭收獲雌麻種子和雄麻纖維(纖維雄麻品質和產量最好)，以收獲麻籽為主的希望雌株比例高，以收獲纖維為主的希望雄株為主，而現實收獲時由于雄麻占近半的比例，無形中就造成麻籽產量不高，而收獲纖維雌麻纖維還未成熟。因重金屬對工業大麻性別影響存在差異性特點，所以在重金屬污染的土壤種植大麻根據生產需要就要考慮這方面的影響。

研究者發現，重金屬鹽通過改變大麻植物荷爾蒙平衡赤霉素和玉米素的比例來影響大麻的性別表達［51］，赤霉素與大麻雄性表達有關而細胞分裂素與大麻雌性表達有關，植物激素和遺傳共同作用從而決定了植株的性別表達［54-55］。

(1)Cu和Zn鹽提高了植物的玉米素水平，使大麻雌性化，其機理是由于缺Zn導致含氮化合物的水溶性非蛋白氮的積累:酰胺和氨基酸。許多研究表明，缺Zn會抑制RNA合成，從而影響蛋白質的合成［51］。

(2)Pb(NO3)2降低了玉米素水平和增加了赤霉素水平，導致大麻明顯雄性化。其機理是Pb元素使許多酶失活，其與高含硫配體的親和力緊密相連。當Pb滲透進入細胞，它與巰基反應導致酶失活。在細胞表面或細胞內，Pb2+可以與功能蛋白質，核酸，多糖，和其他化合物反應和取代與許多功能團結合的其他金屬離子，致使細胞代謝受到各種干擾。同時，在Pb的影響下攝取減少，導致硝酸還原酶活性的降低和干擾植物氮代謝。由于減少了玉米素前體的形成，玉米素含量也減少，因此，性別表達轉移［51］。

2．3 重金屬對工業大麻中四氫大麻酚含量的影響

工業大麻種植在重金屬污染土壤保持較低的四氫大麻酚含量水平，這是大麻修復污染土壤的一個先決條件。如Sandra等研究表明土壤中Cd、Ni和Cr的含量分別在82，115，139 μg/g以下時，工業大麻的四氫大麻酚含量水平均在歐盟的毒品管制標準(干物質0．2%)之下［17］。但目前，不同氣候條件及土壤質地的重金屬土壤對大麻中四氫大麻酚含量影響的研究還很缺乏，有待進一步深入探討。

2．4 重金屬在工業大麻中不同部位的分布

研究重金屬在大麻器官中的分布，對收獲后大麻產品的后續處理至關重要。根據相關研究，各類重金屬在大麻不同器官的分布存在明顯差異。由表1可以看出，這些研究結論也不是完全一致的，不同的研究也有所不同，有的甚至完全相反［45，49］。據統計80%的研究表明，最大濃度的重金屬積累在大麻的根和葉中，部分重金屬積累在大麻的次要部位(末梢部位)。50%的研究表明纖維中含量很少或不含，種子中的含量存在分歧。另外某些元素如Cu最大的積累部分也存在分歧［28，58，59］。統計現有的研究，得到了大麻不同部位的重金屬的分布:

(1)重金屬在大麻根中的分布 大部分的Zn、Ni、Cr、Cu和Cd積累在大麻根部［28，39，59］。而且過量的肥料或除草劑，也可以被吸收至大麻根部［60］。

(2)重金屬在大麻葉中的分布 Cu最大量的累積在大麻葉片中［58，60］，在冶金企業地區，Pb仍然附著在葉片表面，而Zn、Cu和Cd可部分滲透到葉片［61］。

(3)重金屬在纖維中的分布 纖維似乎不受Cu污染的影響。

(4)重金屬在種子中的分布 重金屬積累在種子中比纖維中多［39，46］。這與Spaite等和Schubert的研究結果相符，他們認為土壤中甚至很低濃度的Cd都積累在種子中［39，62］。Kamishentzev的研究認為Pb，Zn沒有積累在種子中［39］。

(5)重金屬在大麻雄花中的分布 重金屬在大麻花中的含量超過地上及地下器官。這可以解釋為持續時間較長的花期，使氣溶膠(懸浮微粒)吸收重金屬在大麻花中［39］。

重金屬在大麻不同部位之所以有這樣的分布，是與植物吸收重金屬的機制有關。根據研究，植物吸收重金屬不僅通過根，而且還通過葉［63］。在冶金企業地區，環境污染對種植作物產生了復雜的影響。如植物根從土壤中吸收重金屬，而植物葉片吸收粘在其表面的氣溶膠污染物。另外，諸多研究還明確證實重金屬的吸收和分布明顯存在不同的基因型［64-66］。一個有趣的發現是，這些基因型差異僅限于Cd，并不是庫源轉運微量元素的普遍現象，例如，必需金屬Zn和Cu［67］。

表1 重金屬在工業大麻不同器官中的積累分布研究進展Table 1 A review of the distribution of heavy metals in different organs of industry hemp

3 工業大麻對重金屬的吸收能力

據研究，影響植物移除重金屬的量由年生物量和重金屬在生物質中的含量決定，因此生物量的大小對于植物修復至關重要。生物量越大，大麻移除的重金屬越多［69］。研究者篩選14種農作物［15］和10種能源作物［70］，并比較了不同輪作體系，包括(玉米-冬小麥)和(冬豌豆-冬小麥-冬大麥-大麻-冬小麥)兩套輪作體系［71］。發現年平均大麻的干物質產量是11．2t/hm2，并通過根系從土壤中去除相當量的重金屬［71-72］，結果其吸收的Pb、Cd、Cu和 Zn最高［71］，同時很少使用農藥［70］。所以大麻是最有效的清潔土壤重金屬的修復作物［15］，其去除重金屬的能力很強。

3．1 自然狀態下工業大麻對不同重金屬吸收能力

現有的研究表明，工業大麻主要通過植物化學合成和植物提取過程來實現對重金屬的吸收［39，73］，其對Pb、Zn、Cu、Ni、Cd 等有不同程度的吸收［19，25，74］，并且可以減少銅礦開采和加工地區的土壤 Cu、Zn、Cd 和 Pb 含量［39］。大麻對重金屬Cd、Cr和Ni的富集能力和超富集植株相比低100倍，其超高的生物量對Cd、Cr和Ni吸收也是相當可觀，甚至比同樣面積的超富集植株還要多［17］。此外，大麻還具有修復有機化合物(多環芳烴、蒽和苯并［a］芘)污染土壤的能力［23，75］。

由上述可知工業大麻對多種重金屬都有一定的吸收能力，但不同的研究對大麻吸收不同重金屬能力的結果不一致，甚至是截然相反的。2005年，Linger等研究了大麻對Ni、Pb、Cd的吸收能力，認為大麻具有很強的和積累高濃度的重金屬［92］。雖然這方面的研究還有待深入，但其卻有相當大的植物修復潛力，除了大麻的高生物量，它也被證明有能力將銅從根轉移到地上部分，屬于積累機制，這達到了一條植物修復必須滿足的標準［60］。

(3)目前還沒有很好的方法處理和處置這些高重金屬含量的生物質［17，93］當前的主流處理方法包括:焚燒法(焚燒發電法和焚燒利用底灰回收重金屬)［94］和固體壓縮填埋法［11］，但這些方法存在二次污染的可能，因此今后的處置方向應向非食品工業，如紡織、紙漿和造紙、建筑和家具，生物柴油及化學工業等產業發展，對其進行深加工。由于大麻在污染土壤、空氣或水體中生長所生產的種子和纖維，大部分都超出了The WHO和FAO/WHO及MPC的限量［95］，所以取消了大麻種子或葉用于食品生產的資格。但大麻油可用于油漆或工業用油生產。同時纖維中重金屬含量超過了?ko-Tex-Initiative(Hohenstein)的限定［96］，不能用作服裝生產，但可用來做高級復合材料等。目前，雖然這兩種辦法可以被使用，但無形中在一些工業產品中增加了重金屬，因此期待更進一步的深入研究來處理這些高金屬含量的生物質。

(4)大麻的解毒機制還不明確。有研究表明，植物液泡是有機酸的一個主要儲存位置［97］，金屬和有機酸的相關性是涉及液泡的金屬解毒機制［98］。在Laura等的研究中，Cu也被發現存在于葉綠體內部結構，這導致了，可能不存在一個大麻金屬解毒策略［60］。但也有研究表明，與對照相比，工業大麻根和莖產生的谷胱甘肽(GSH)和PC2要多，此外在重金屬脅迫下，根中會產生一種新的植物絡合素(PC3)［17］，植株能產生高濃度的谷胱甘肽(GSH)和植物絡合素(PCs)是植物耐受重金屬脅迫的證據［99］，利用其保護對重金屬敏感的酶。因此，目前對大麻的解毒機制還存在分歧，沒有一個明確的認識［10］，有待進一步深入研究。

總之，目前，國外對工業大麻修復重金屬污染土壤進行了諸多研究，而我國在這方面研究僅處于探索階段。但隨著各方面研究和實踐的深入，以及科學技術的飛速發展，工業大麻修復重金屬治理土壤污染新思路將逐步引起更多人關注，從而更好的結合對工業大麻收獲產品的處理加工，達到既為農民增加一定的收入，又妥善處理污染物，避免產生二次污染效果，實現雙贏目標，繼而產生良好的經濟、生態和社會效益。另外還可以應用現代分子生物學手段進行相關基因的分離與分子克隆，將篩選、培育出的超富集植物和微生物基因導入到大麻的植株體中，從而產生適合人們需求的高富集重金屬轉基因植物。可以預見，在不久的未來，工業大麻將在重金屬污染土壤修復中發揮其巨大的作用，為我國的環境治理和保護工作以及農民增收帶來新的希望。

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