?商陸修復土壤重金屬污染研究進展?

摘 要：介紹了商陸的特性、栽培、利用價值，重點闡述了其對土壤重金屬錳、鎘、鈾、鎳、銫、鋅、砷、銅、鉛等富集的研究現狀、存在問題及今后的發展趨勢，旨在為商陸在土壤重金屬污染修復的應用提供理論參考。

關鍵詞：商陸;土壤;重金屬污染;植物修復

中圖分類號：Q949.745.4， X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）01-0119-04

Progress of Phytolacca acinosa on Soil Polluted by Heavy Metal

GU Yu1，JIANG Ping2，LI Ming-de1，LI Zhi-ming2，WU Hai-yong1，LIU Qiong-feng1

（1. Hunan Soil and Fertilizer Research Institute， Changsha 410125， PRC; 2. Hunan Soil and Fertilizer Station， Changsha 410006， PRC）

Abstract：In order to provide theoretical reference for the application of Phytolacca acinosa in remediation of heavy metal pollution in soil， this paper introduced its characteristics， cultivation， and utility value， and mainly summarized the research status of Phytolacca acinosa on soil heavy metal accumulating manganese， cadmium， uranium， nickel， cesium， zinc， arsenic， copper， and lead， excisting problems and future development trend.

Key words：Phytolacca acinosa; soil; heavy metal pollution; phytoremediation

隨著工農業的快速發展，土壤重金屬污染問題日趨嚴重。土壤重金屬污染對作物產量和作物品質均產生不利影響，并通過進入食物鏈危害人體健康[1-2]。

通過種植植物將收獲物移走以移除土壤中的重金屬，以此來修復土壤重金屬污染的植物修復技術以其安全、廉價的特點正成為研究和開發的熱點。超富集植物的研究是土壤重金屬污染植物修復的重點，然而一種植物由具有富集重金屬特性到應用于實際中土壤重金屬污染修復并非易事[3-4]。目前世界發現的重金屬超富集植物約有450種以上，占所有已知物種的比例小于0.2%[5]。因此，尋求具有多種重金屬抗性與積累性能的植物對于修復土壤重金屬污染具有重要意義[6]。

商陸（Phytolacca acinosa）是一種生物量大、生長速度快、分布范圍廣、適應性強的超積累植物，在全國大部分地方都可生長，是實施植物修復的良好材料，在重金屬污染土壤的修復中具有潛在的應用前景[7-8]。一些研究者對商陸富集錳、鎘的特征進行了驗證，大多以盆栽、水培等試驗為主，其中商陸對錳礦區錳的富集研究較多，主要顯示了植物富集重金屬的能力和趨勢。然而對治理土壤中多種重金屬復合污染的實際效果研究相對較少[9-10]。筆者就近些年關于商陸修復土壤重金屬污染的研究進展做一綜述，為將它應用于土壤重金屬污染治理提供科學參考。

1 商陸的概述

1.1 商陸的特性

商陸是商陸科、商陸屬多年生粗壯型宿根草本植物。我國現有品種包括商陸（野蘿卜）和垂序商陸（美商陸、美洲商陸、十蕊商陸），主要分布于湖南、江西、湖北、浙江、河南和山東等的低山丘陵地區，常生長于路旁、林間、山腳、溝谷等地，對土壤適應性廣，病蟲害較輕，繁殖能力強。其根系發達，枝葉茂盛，高達1.3～3.0 m，最佳生長時間為3個月，一年可收割兩季。花期5～8月，果期6～10月。商陸喜溫暖、濕潤的氣候，耐寒不耐漬，適宜生長溫度為14～30 ℃，在富含腐殖質的砂壤土中生長較好[11-12]。

1.2 商陸的栽培

商陸繁殖方法有種子直播、育苗移栽、肉質根定植、分株繁殖及組織培養等[13]。每年8～9月，當果實變成紫黑色時采摘，浸在清水中搓去外皮，濾凈晾干后存于陰涼干燥處備用。播種前，種子先行曬種1～2 d。因商陸種皮過厚，硬實率達80%～90%，發芽率較低，播種前需采用濃硫酸浸種處理40 min，再用100 mg/mL赤霉素處理1 h，以增強種子萌發效果[14]。

1.3 商陸的利用價值

商陸具有多種用途，如：根可做藥材，嫰莖葉可做食物和飼料，可用做肥料（綠肥和鉀肥）、工業原料、觀賞植物、保水保土等[11-12]，尤其對土壤中鎘、錳等重金屬有較強的富集能力，能有效應用于修復重金屬污染的土壤。

2 商陸在土壤修復中的作用

2.1 對錳的富集

錳是植物生長必需的微量元素，然而過量的錳會引起錳中毒，造成土壤污染，危害環境中生物，影響植物的生長發育等。隨著染料、油漆、塑料、農藥、

電池等工廠生產及錳的采礦場、冶煉廠等開采，土壤的

錳污染日益引起關注[15]。薛生國等[7，16]2003年在中國湖

南湘潭首次發現的錳超積累植物——商陸（Phytolacca acinosa Roxb.），其在錳含量高達114 000 mg/kg的錳礦廢棄尾礦區仍生長良好，葉片錳含量最高達19 300 mg/kg;

在不同錳濃度下，商陸吸收的錳有87%～95%被轉移到地上部分。鐵柏清等[8]2004年在湖南湘潭錳礦區研究發現一種新的錳積累植物——美洲商陸（Phytolacca acinosa L.），其葉片中錳含量為5 160～8 000 mg/kg，平均為6 490 mg/kg;對生長介質中錳有很強忍耐能力，地上部錳含量及其積累量均隨生長介質中錳濃度的增加而增加，當生長介質中錳濃度為50 mmol/L時，葉片錳含量達到47.06 g/kg。趙盈麗等[17]研究發現商陸能將土壤中的錳轉運到地上部分，葉片中錳含量最高，平均值為17 043 mg/kgDW（干重），遠遠大于莖和根的錳含量均值;單株的平均富集量在濃度500 mg/kgDW時達到最高，一棵商陸可富集平均13 mg的錳。任立民等[18]通過對比研究水蓼、小飛蓬、杠板歸和美洲商陸對錳毒的耐性，發現美洲商陸的耐錳性最強。劉茜[19]、高陳璽[20]、余光輝[21]、熊云武等[22]在湖南錳礦區的研究和羅亞平[23]、張學洪[24]、楊勝香等[25]在廣西錳礦區的研究均表明商陸對錳有較強的吸收富集能力，可用于錳污染土壤的植物修復。

植物修復可影響土壤重金屬的存在形態。因錳尾渣重金屬含量高、營養成分貧乏[26]。向言詞[27-28]采用盆栽法研究栽培美洲商陸和大豆進行植物修復后，錳尾渣污染土壤特性發生變化，改善了土壤營養，增加了土壤酶活性，調節了土壤錳和鎘的形態分布，降低了土壤錳和鎘的總含量，減少了土壤水溶性錳和鎘的含量，減阻了錳和鎘等污染物的遷移。并且研究發現經美洲商陸修復2～3 a，可顯著減弱污染土壤的毒性，有利于后茬植物大豆和綠豆生長，增加含氮量，促進其他植物生長，維持錳尾渣污染區植被持續發展。

重金屬污染可影響土壤酶活性。植物修復可改善土壤，并可調節土壤酶活性[29]。陳燕珍等[30]研究錳脅迫對商陸保護酶的影響，發現Mn2+脅迫中，過氧化物酶發揮更重要的作用。唐清暢等[31]研究表明商陸根際土壤各種酶的活性顯著大于非根際土壤，可提高土壤各種酶的活性，有效改善土壤環境。陳國慶等[32]研究表明美洲商陸幼苗可耐受較高濃度的重金屬錳脅迫，可通過抗氧化酶活性的增強來加速消除氧自由基，抵抗重金屬污染的危害。

由此可見，商陸和美洲商陸對土壤中高含量的錳都有很強的忍耐、吸收和積累能力，對錳污染土壤的修復具有很大潛力。

2.2 對鎘的富集

鎘是一種毒性很強的重金屬，在土壤中不易遷移。重金屬污染土壤后，就能導致重金屬有害物質在農作物體內富集，影響農產品食用安全，間接危害人體健康。土壤中重金屬鎘污染主要來源是人類工農業生產活動，受工業“三廢”、農田污灌、污泥的農業化利用、化肥農藥和農膜大量使用的影響，我國土壤重金屬鎘污染日益嚴重[33]。聶發輝等[34-35]研究發現商陸是一種很好的鎘修復植物，對鎘也具有超富集作用，在鎘污染水平大于50 mg/kg條件下，商陸莖及葉的鎘含量均超過了100 mg/kg。吳雙桃等[36]通過盆栽試驗，也發現商陸對土壤中鎘有很強的吸收富集能力，且富集濃度與土壤鎘濃度成正相關，其富集能力符合超富集植物標準，初步確定商陸是重金屬鎘的超富集植物。

界定超富集植物的兩項重要指標是植物的富集系數（BCF）和轉運系數（BTF，即S/R）。富集系數是指植物地上部重金屬濃度與土壤中同種重金屬濃度之比，反映植物對該重金屬的富集能力;轉運系數是指植物地上部重金屬濃度與地下部該重金屬濃度之比，反映植物吸收重金屬后，從根向莖、葉的轉移能力。國際上對鎘超富集植物界定為植物葉片或地上部（干重）鎘含量達到100 mg/kg，轉運系數S/R>1[37]。

嚴明理等[38]采用盆栽方法，研究發現隨著土壤鎘離子濃度的升高，美洲商陸地上部和根系中鎘含量也增加，相關系數大于0.99;在鎘處理濃度為65 mg/kg

的土壤中，植株地上部和根部的鎘含量均超過了100 mg/kg，達到鎘超富集量的標準。Xu等[39]研究發現當土壤中鎘的濃度為130 mg/kg時，垂序商陸根、莖、葉含量分別為60.44、37.74和116.93 mg/kg，BTF為1.28。吳雙桃等[40]對株洲鉛鋅冶煉廠土壤污染研究也表明商陸能大量富集鎘，具有地下部向地上部轉運能力強、生物量大、富集總量高的特點。薛生國等[41]通過溫室實驗發現，10 d內垂序商陸對Cd2+的去除率為50.8%～53.7%，垂序商陸對水體重金屬的去除能力表現為植株吸收和根系吸附作用的復合，可利用垂序商陸種苗實施低濃度重金屬廢水的植物修復。張玉秀等[42]研究商陸對鎘脅迫的抗氧化酶響應，結果表明抗氧化酶在清除鎘毒害產生的活性氧自由基和提高鎘耐性中有重要作用。

由此可見，商陸對鎘有很強的耐受性和富集性，可用于鎘污染土壤的修復。

2.3 對其他重金屬的富集

土壤重金屬污染種類繁多，具有多樣性和復雜性。商陸作為一種超富集植物，除對錳和鎘具有較強的富集作用外，對其他重金屬也有一定的富集作用。王佳等[43]通過盆栽試驗，發現美洲商陸對鈾有顯著的富集效應，成熟時根、莖和葉的最大鈾富集量分別為131.69、9.87和45.33 μg，是一種較為理想的修復鈾尾礦的植物。朱業安[44]、向陽等[45]對鈾礦區污染土壤的研究中也發現，商陸在該區生長茂盛，形成群落，植物個體較非礦區自然狀態下的生物量更大，對鈾礦區污染土壤具有一定的修復作用。羅緒強等[46]對貴陽市高雁城市生活垃圾衛生填埋場幾種植物的重金屬富集特征進行研究，發現商陸的莖部對鎳富集程度最高。廖上強等[47]利用盆栽試驗研究一株具有重金屬耐性的伯克霍爾德氏菌（D54）對美洲商陸生長及對銫富集的影響，結果表明接種菌株D54，美洲商陸總干

物質重比對照增加19.8%～33.4%，地上部和根部銫含量分別增加4.9%～22.4%、6.8%～15.7%，有效提高美洲

商陸對銫的吸收量。黃五星等[6]以水培方法研究了商陸對鎘鋅銅脅迫的生理響應與金屬積累特性，結果表明商陸對鋅表現出較強的抗性和積累特性，葉片中鋅的積累達到2 753 mg/kg，接近鋅超積累植物東南景天。

土壤重金屬污染多是2種或2種以上元素形成的復合污染，具有伴生性和綜合性[48]。李江遐等[49]對銅陵礦區的土壤重金屬污染研究發現，商陸對砷、銅、鉛、鋅的轉移系數均大于1，表明商陸對重金屬復合污染土壤有較好的耐性。張然然等[50]在對銅、鋅、鎘、鉛為主的大冶銅綠礦山區土壤研究中，發現商陸對重金屬銅、鉛復合污染具有較強的耐性，是一種優勢草本植物，可作先鋒植物對礦區進行植被重建。劉益貴等[51]對湖南湘西鉛鋅礦區廢棄地的研究發現，美洲商陸能積累多種較高濃度的重金屬，生物量大，生長旺盛，可用于重金屬污染的植物提取。李順等[52]通過對株洲霞灣港野外采樣調查發現，商陸對銅、鎘、鉛、鋅的富集能力很強，可作為治理這4種重金屬污染土壤的富集植物。趙剛等[53]對蘇州七子山垃圾填埋場超富集植物對錳、鋅、鉛、鎘、鉻和鎳等6種重金屬含量測定的研究中發現，商陸對錳有較高的吸收轉移能力，其地上部鋅、鉛也有較高的含量和較高的富集、轉

移系數，用于治理垃圾場中重金屬污染具有較大潛力。

由此可見，商陸對鈾、鎳、銫、鋅、砷、銅和鉛等重金屬也有較好的富集作用。

3 展 望

植物提取修復技術具有高效、環保、成本低等特點，逐漸成為了治理重金屬污染土壤的重要手段，因此超富集植物的篩選顯得尤為重要，也是該項技術的基礎和核心問題[54]。近年來的相關研究表明商陸對重金屬錳、鎘、鈾、鎳、銫、鋅、砷、銅和鉛等都有較強的富集作用，在修復重金屬污染土壤方面表現出巨大的潛力，但也存在一些不足：①商陸的研究大多是在實驗室和溫室進行，采用盆栽、水培等方式，與自然界的實際條件還是存在一些差異;②對單一重金屬元素的富集研究較多，對修復多種重金屬復合污染土壤研究較少;③商陸修復重金屬污染土壤后，收獲物的后續處理有待完善。邢前國等[55]研究表明，富含鎘、鉛的超積累植物采用焚燒、直接利用底灰來冶煉回收不可行，煙氣中的鎘、鉛可能產生二次污染。

商陸是一種優良的超富集植物，為了更好的將它應用于土壤重金屬污染治理，筆者認為今后還可在以下方面繼續深入研究：①根據實際的自然條件對商陸的修復進行科學評估，采用田間試驗方法，或結合盆栽試驗和水培試驗等，探索商陸修復的實際效果。②加強商陸對多種重金屬土壤復合污染的富集機制研究，包括對重金屬鎘、錳等富集的生理機理，商陸體內保護酶在多種重金屬脅迫時如何相互配合，以及相關響應機制等。③加強對商陸后續處理措施研究，通過收獲物的綜合利用增加經濟效益。④優化商陸協同研究，因地制宜，選擇合適植物搭配種植，既能修復重金屬污染，又能改良土壤，提高地力。⑤加強商陸修復效果措施研究，如聯合微生物、改變農藝措施、加強水分管理、加入植物修復劑等，提高修復效果。⑥應用分子生物學和基因技術，培育出適應我國各地栽培、能夠轉化為生物能源燃料，可大面積推廣應用的超富集植物。

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