亞麻修復重金屬污染土壤的研究與應用

王玉富，郭 媛，湯清明，邱財生，龍松華，鄧 欣，郝冬梅

(中國農業科學院麻類研究所，長沙 410205)

亞麻修復重金屬污染土壤的研究與應用

王玉富，郭 媛，湯清明，邱財生，龍松華，鄧 欣，郝冬梅

(中國農業科學院麻類研究所，長沙 410205)

亞麻是一種重金屬污染土壤修復的理想作物之一，不僅對重金屬具有較強的耐受性，而且對重金屬有很強的吸附作用，適當進行調節劑、水分、肥料、微生物、pH等外界條件使用或調節可以提高亞麻對重金屬的吸收、轉移及積累能力。為提高亞麻對重金屬污染土壤的修復能力，要加強亞麻品種培育及種質資源篩選，積極開展亞麻重金屬污染土壤修復技術研究，對亞麻進行規模化、機械化種植，促進重金屬污染土壤的治理。

亞麻；重金屬污染；土壤修復

土壤的重金屬污染是許多國家和地區可持續發展的主要障礙。中國環境保護部和國土資源部2014年4月17日聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出，所調查的耕地土壤污染物點位超標率為19.4%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環芳烴，可以看出土壤的主要污染物為重金屬。如何解決土壤重金屬污染尤其是大面積的農田土壤重金屬污染，是一個十分嚴峻且棘手的問題。

污染土壤修復可分為工程修復、物理修復、化學修復和生物修復四大類。生物修復以植物修復為主，根據修復的機理和過程，可將該技術分為植物提取、植物轉化、植物揮發和植物穩定4種類型[1]。其中植物提取即利用植物對重金屬進行富集。與物理及化學修復技術相比，植物修復具有成本低、來源廣等特點，尤其適用于低濃度重金屬的去除。超富集植物對重金屬污染土壤具有很好的修復效果，但大多數為野生型植物，存在生物量低、生長緩慢、植株矮小及難以進行引種等問題[2]。利用非食用及飼用作物的種植對重金屬污染耕地邊利用邊修復是一種比較理想的方法。亞麻是一種適應性非常強的作物，并且在南方可以冬季種植，與水稻輪作，是一種比較理想的重金屬污染耕地邊利用邊修復的作物。

1 亞麻對重金屬具有較高的耐受性

亞麻對重金屬具有較高的耐受性，低濃度情況下一般不會對亞麻生長造成影響。不同品種對鎘的耐受性也不同，如中亞麻1號在土壤中鎘濃度為25 mg/kg時生長正常。Marie Bjelkováa 等[3]利用4個油用和6個纖維用兩種類型的亞麻品種在含鎘10～1 000 mg/kg的土壤中試驗，結果表明，亞麻植株在1 000 mg/kg濃度的鎘污染土壤中仍可正常生長。Soudek等[4]利用23個亞麻品種研究重金屬對亞麻種子發芽的毒性試驗，以發現不同亞麻品種對特定重金屬元素的反應。結果證實，雖然沒有一個品種對所有重金屬都具有抗性或耐受性，但品種與金屬元素具有明顯的互作性，一般情況下重金屬的毒性順序是：As3+>As5+>Cu2+>Cd2+>Co2+>Cr6+>Ni2+>Pb2+>Cr3+>Zn2+。劉巖等[5]研究認為，較低濃度鉻(25 mg/kg)處理對亞麻的分枝數影響不顯著，高濃度鉻(≥125 mg/kg)脅迫顯著降低了亞麻的分枝數(p<0.05)；鉻濃度的增加顯著降低了亞麻的蒴果數(p<0.05)；較低濃度的鉻脅迫能促進亞麻株高、葉片葉綠素濃度的增加，所以較低濃度的鉻脅迫處理在一定程度上能夠促進亞麻的生長。安建平等[6]研究認為，當Cd2+濃度低于100 mg/L時，亞麻種子發芽率降低的幅度較小，當Cd2+濃度高于100 mg/L時，發芽率迅速降低。低濃度Cd2+可提高亞麻脂肪酶的活性，而高濃度的Cd2+則顯著降低脂肪酶的活性；Cd2+濃度為50 mg/L時硝酸還原酶活性降低，而Cd2+濃度為100 mg/L時又升至最高，但小于對照，之后隨濃度的升高而逐漸降低。根系活力和硝酸還原酶活性呈現出完全相同的趨勢。Douchiche等[7]研究顯示，在2.6 mM鎘脅迫下，亞麻幼苗生長受到抑制，多數組織增大，但是下胚軸的體積沒有發生明顯變化，結構的改變是由于細胞壁增厚和下表皮明顯折疊等導致。他們又在0.5 mM鎘的脅迫下，在10 d苗齡的次生壁變厚時，研究亞麻纖維細胞壁的超微結構和果膠特性，鎘處理在纖維數量、細胞壁厚度方面加速纖維分化，細胞壁結構發生變化，多糖與纖維素間的連接被改善，鎘影響著高度甲基化半乳糖醛酸聚糖在細胞交聯處以及初生壁和次生壁的靠近外部區域的分布[8]。 從以上研究可以看出，亞麻對重金屬具有很強的耐受性，而且亞麻會產生一些應激機制，降低鎘的影響，所以一般污染農田的重金屬不會對亞麻生長造成影響，在重度重金屬污染的耕地上亞麻都可以正常生長。

2 亞麻對重金屬的耐受性機理與吸附作用

2.1 亞麻對重金屬的耐受性機理

目前亞麻對重金屬的耐受性機理研究比較少。Hradilova等[9]利用液體培養的方法，對比高積累耐鎘品種Jitka和低積累鎘敏感品種Tabor的蛋白質變化，發現14種蛋白質與防御、代謝、能量和細胞結構有關。亞麻品種Jitka在鎘誘導下，鐵蛋白、谷氨酰胺合成酶(谷胱甘肽生物合成的關鍵酶)兩種蛋白質上調。可以說耐鎘機制是鐵蛋白和小分子的巰基肽與鎘結合，使亞麻少受或免受鎘的危害。Douchiche等[7]通過免疫學和生物化學的方法證實，重金屬引起細胞壁超微結構的變化和優化細胞壁外層果膠的重新分配，通過細胞壁的理化調節形成適應重金屬脅迫的應答機制。他們通過試驗證明亞麻品種Hermes的幼苗具有耐性，鎘對生物量、薄壁組織、抗氧化酶和陽離子的分布有小的影響。Hermes對鎘的耐性是由于細胞壁膠質的交叉連接使其生長適應性和組織的內聚力增強所致[10]。雖然亞麻對重金屬的耐受性機理已有一些研究，但是還不全面透徹，有待進一步加強。

2.2 亞麻對重金屬的吸附作用

亞麻不僅對重金屬具有較好的耐受性，而且能較好地吸收。國外關于重金屬污染土壤植物修復的研究比較多。Broadley等[11]依據公開發表的數據，分析被子植物對重金屬積累的變化，其中亞麻莖中鎘的含量在108種栽培作物及野生植物中排22位，在51種作物、草和蔬菜中排第4位。這說明亞麻地上部對鎘的積累在所研究的作物中排在前列。

超富集植物葉片或地上部(干重)鎘元素臨界含量參考值為100 mg/kg[12]。亞麻從土壤中能吸收并在其植株體內積累較高濃度的鎘。亞麻莖中鎘的濃度比玉米和向日葵的高3～5倍，其原因在于亞麻莖生長速率比較低，以及根對鎘的吸收以及從根向莖的輸送[13]。Moraghan等[14]研究認為，亞麻對鎘的富集系數大于1。Olfa Douchiche等[15]的研究結果顯示，在沙質基質11.24 mg/kg鎘的條件下，亞麻品種Hermes生長4個月后，分成3段莖和根，根和基部莖鎘含量最高，分別為750和360 mg/kg(DW)，莖的富集系數為13.3，遠超過超富集植物的門檻。

植物的根是首先與重金屬接觸的器官，所以一般情況下根中積累的重金屬的濃度高于地上部[16]。Jitka Najmanova等[17]研究認為，亞麻品種AGT952在鎘含量50～500 μM情況下生長12 d，67%～74%的鎘積累在根中，使根的生長受到抑制，100 μM鎘根長減少50%，在50 μM鎘時，根中鎘的濃度比莖中的高3.5倍，500 μM鎘時，根中鎘的濃度比莖中的高9.6倍。許多研究表明，一般情況下亞麻植株體內重金屬的積累濃度是：根>莖>蒴果>種子[18，19]。Grabowska等和Baraniecki等發現，鉛和銅的最高含量部分是蒴果，而鋅是在種子里[20，21]。Grzebisz等[22]發現，鉛的濃度梯度是：根>莖>種子>蒴果，銅是：蒴果>根>種子>莖。Marie Bjelkováa等認為，亞麻植株對重金屬的富集能力是：根>莖>葉>籽。不同的亞麻品種對鎘從根到地上部位的轉運能力不同，總體來講，纖用亞麻品種對重金屬鎘的富集能力比油用亞麻品種強。不同品種及不同類型鎘的積累不同，纖維類型的大于油用類型的。鎘在根部的積累高于地上部[3]。

不同的重金屬在亞麻體內的轉移不同。Bipasha Chakravarty[23]研究根中鎘的含量遠高于莖中，而鋅卻相反，被從根輸送到莖中。鎘的積累主要在細胞質中，而鋅在細胞壁與細胞質的量基本相同。鎘在不同品種植株體內的轉移也不同，亞麻品種Jitka與Merkur具有較好的從根部向地上部轉移的特性，可以生長在較高濃度的重金屬污染的土壤上，并且不影響其產量[3]。

在湖南安化鎘污染土壤上種植亞麻，證實亞麻對鎘有一定的富集作用，對重金屬污染的耕地有一定的修復能力。對于整株亞麻鎘含量表現為：地下根>地上莖葉。若土壤含鎘量21.4 mg/kg，恢復到背景值0.068 mg/kg，約需18～20年[24]。這僅是在沒有進行品種篩選和沒有采取任何調控措施的情況下的試驗結果。通過品種篩選以及其他調控措施的研究與利用，可以大幅度提高亞麻對重金屬污染耕地的修復效果。

2.3 亞麻吸附重金屬的調控手段

通過亞麻的生長條件以及一些調節劑的使用，可以促進亞麻對重金屬的吸收。Acha Belkadhi等[25]進行了乙酰水楊酸處理試驗，發現在鎘脅迫下，在亞麻苗期用乙酰水楊酸處理后脂質膜更加穩定，可促進亞麻的光合作用，使其適應鎘脅迫下的環境條件。徐嚴等[26]研究認為，外源NO可緩解鎘脅迫造成的亞麻幼苗膜質過氧化產物丙二醛含量的升高，促進脯氨酸積累，提高超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶的活性，并能抑制過氧化氫和超氧陰離子的產生。這種保護效應與NO的濃度明顯相關，其中0.1 mmol/L SNP處理效果顯著優于1.0 mmol/L SNP處理。李宇潔研究顯示，NO對亞麻的鉛脅迫有同樣的效果[27]。Lukipudi S[28]利用3個亞麻品種在重金屬污染的土壤上進行試驗，分別降低土壤的pH至6.1，6.0，5.9，5.5，5.0，4.8，亞麻對銅、鎘、鉛的吸收及積累能力逐漸增強。

Amna等[29]試驗在濃度為250～500 ppm的情況下，通過24 d試驗，發現亞麻對鎘的積累率為90%～95%，對鉻的積累率為61%～86%，亞麻的生長及光合作用分別減少21%和45%。然而在接種叢枝菌根真菌(Glomusintraradices)后，即使在鎘脅迫下，植株的生物質仍明顯增加。叢枝菌根真菌可以使亞麻對鎘和鉻的吸收分別增加23%和33%。由于重金屬鎘和鉻的脅迫，葉綠素含量分別減少27%和45%，脯氨酸含量分別增加84%和71%，說明叢枝菌根真菌可極大增加亞麻對重金屬的耐性與積累的潛力。

土壤中的鎘雖然明顯影響亞麻健康，但不影響亞麻生長。叢枝菌根真菌在含鎘的土壤中為根系創造生長環境，促進亞麻的生長與健康。雖然叢枝菌根真菌抵消了含鎘對蒴果和種子的負面影響，但是根、蒴果、種子中鎘的含量還是有所增高[30]，鎘對亞麻的健康以及鎘的積累的影響程度受植株與叢枝菌根真菌共生關系的影響。叢枝菌根真菌在耕地中的應用可以消除重金屬對種子產量的影響，但增加了食物中重金屬積累的風險。

亞麻對重金屬的吸收除受上述調控劑以及微生物影響外，還受土壤環境以及肥料的影響。Cieglifiski等[31]研究發現，亞麻植株體內鎘的積累與分布受土壤類型和品種的影響很大；不同生長階段，根、莖、葉中鎘的含量不同；亞麻生長在黑鈣土上，其種子的鎘含量高于生長在灰色淋溶土上。Cynthia等[32]試驗結果顯示，亞麻種在油菜之后相對于種在春小麥之后具有較低的鋅含量和積累量，較高的鎘含量和鎘鋅比。磷肥有增加亞麻組織和種子中鎘的含量和鎘鋅比及降低鋅含量的作用。利用亞麻和小麥進行8年試驗，結果顯示：磷肥可以增加鎘的吸收，但是也受到土壤特性、環境條件的影響[33]。這說明可以通過作物輪作和磷肥管理來調節鎘、鋅的含量。雖然不同濃度的鋅和鎘對亞麻具有毒害作用，但兩種離子在相同摩爾濃度的時候可以相互作用消除毒害。亞麻植株在含有這兩種離子的培養基上能夠再生[23]，說明鋅肥有利于鎘的吸收。Grant CA等[34]研究認為，在土壤含鎘較高的情況下，氮肥可以提高亞麻組織及種子中鎘的含量，但在土壤鎘背景值較低的情況下則無效。土壤高水分含量可以增加鎘的流動性，因此增加濕度可以增加亞麻鎘的積累和從組織向種子的轉移。

上述試驗說明，通過適當進行調節劑、水分、肥料、微生物、pH等外界條件使用或調節可以提高亞麻對重金屬的吸收、轉移及積累能力。

3 亞麻修復重金屬污染耕地治理的應用

自20世紀80年代起，植物就被用作土壤重金屬污染的修復手段。蜈蚣草、魚腥草、大花月見草、西芹、黑麥草、早熟禾、李氏禾、蔗茅、籽粒莧等[35]被認為是重金屬的超富集植物，但這些植物經濟價值比較低，種植推廣比較困難。為此，應調整用于植物提取的植物種類，種植非食用和非飼用農作物應成為重金屬污染嚴重地區產業結構調整的基本方向。

亞麻用途廣泛，其纖維強度高，吸濕散熱能力好，并且具有防靜電的特性，是優良的紡織原料。近幾年亞麻纖維又用于復合材料、汽車內裝飾等，使世界亞麻紡織品市場需求不斷擴大。我國亞麻原料仍然非常短缺，70%以上依賴進口，嚴重制約著亞麻紡織產業及其相關產業發展。

作為重金屬污染土壤進行植物修復的候選作物，亞麻有著不可比擬的優勢。首先，亞麻纖維不進入食物鏈，保證了食品安全。其次，亞麻收獲時，重金屬含量最高的部分亞麻根與莖也一起被收獲，可以提高亞麻對重金屬污染土壤的修復能力。另外，我國南方冬季的光熱水資源能滿足亞麻一個生育期的需要。在南方不同程度污染區，亞麻都可以與水稻或其它夏季替代作物輪作，實現重金屬污染土壤的邊修復邊利用，利用亞麻對重金屬污染土壤進行植物修復具有廣闊前景，是實現亞麻發展和農田可持續利用的雙贏戰略。為實現這一戰略，應加強以下各方面的研究和政策支持。

3.1 品種的培育及種質資源篩選

國內外亞麻育種工作在過去極少涉及亞麻對重金屬吸收和積累的研究，相反主要是針對健康方面，選育種子中重金屬(主要是鎘)含量低的品種[31，36，39]。一些針對重金屬吸收和轉移的品種間比較試驗有所開展，例如在土壤鎘濃度為0.12 mg/kg的情況下，亞麻品種McGregor吸收的92%的鎘在根中，只有8%被運輸到莖中，然而品種Marigold吸收的61%的鎘在根中，有39%的被運輸到莖中[37]。Becher等[38]也獲得類似結果：亞麻品種McGregor的種子中積累很少的鎘。亞麻不同品種對鎘的吸收差異很大，Li等[39]進行了74個亞麻品系的種子中鎘測定，變幅在 0.14～1.37 mg/kg(DW)。這種變化說明亞麻不同品種對鎘的吸收與轉移能力不同，選育低鎘或高鎘吸收的品種都是可行的。Miroslava Vrbova[40]利用轉基因技術使亞麻中鎘的含量提高，在土壤中添加20和360 mg/kg鎘的情況下，亞麻莖中鎘的含量分別提高了3.3和1.9倍。

上述結果都說明通過育種可以大大提高亞麻對重金屬的吸收與積累。應該以國外(主要是法國、捷克等國)相關研究為基礎，引進重金屬富集作用好的品種或種質資源，篩選適用重金屬污染冬閑田植物修復的亞麻品種及種質資源，并結合基因工程手段進行重金屬高富集或超富集品種的選育。

3.2 亞麻在重金屬污染土壤上利用的修復技術

應開展亞麻在不同類型重金屬污染土壤的種植試驗。此外，螯合劑EDDS和EDTA可以顯著增加蘇丹草、玉米、大豆、茼蒿、青菜等植物地上部銅、鉛、鋅和鎘的含量及積累量[41]，也應開展螯合劑使用技術試驗。在試驗的基礎上，結合已經建立的適合南方冬閑田種植亞麻的一整套栽培技術，不斷優化條件，建立起適用于重金屬污染的冬閑田亞麻種植的栽培技術體系。

3.3 開展亞麻規模化、機械化種植

勞動力成本上升成為影響我國國民經濟的重要因素，也成為影響農業生產的主要因素。在農業勞動力轉移、農村人口遷移的背景下，農業有效勞動力供給已經大幅度減少[42]。人工種植亞麻成本過高，應開展適合南方土壤規模化種植的亞麻免耕播種機及收獲機械研制，實現規模化、全程機械化種植。同時，規模化生產有利于重金屬污染耕地上生產亞麻原料加工廢料的集中處理。

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Study Progress in Flax Remediation of Soil Contaminated by Heavy Metals and Its Application Prospect

WANG Yu-fu，GUO Yuan，TANG Qing-ming，QIU Cai-sheng，LONG Song-hua，DENG Xin，HAO Dong-mei

(Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha，Hunan 410205，China)

Flax is an industrial material for multipurpose，it can be used to textile，composite，paper making，edible oil，oil paint etc.Moreover，flax is one of the practicable crops for phytoremediation of soil contaminated by heavy metals.In this paper，the impact of heavy metals to flax growth，the uptake and tolerance mechanism of flax to heavy metals and its regulation，the accumulation and organ distribution of heavy metals in the flax plants are introduced.It is expounded that development prospect about the phytoremediation of heavy metal polluted soil by flax，so as to provide certain reference for remediation of soil contaminated by heavy metals.

flax；heavy metals pollution；soil remediation

2015-03-21

王玉富(1962-)，男，山東泰安人，研究員，主要從事麻類作物栽培、育種研究，Email：chinaflax@126.com。

國家科技創新工程(ASTIP-IBFC06)；國家麻類產業技術體系(CARS-19-E14)。

S156；S563.2

A

1001-5280(2015)04-0443-06

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.04.30