苧麻修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展

吳文梅 張中華 楊燕 崔忠剛 李亞玲

摘? ? 要：隨著土壤污染情況越來(lái)越嚴(yán)重，人們的應(yīng)對(duì)措施也更加多種多樣。通過(guò)種植苧麻治理污染的土壤，原理是苧麻對(duì)于重金屬有耐受性、吸收性、富集性和轉(zhuǎn)移性等特點(diǎn)。這種治理方式相較于其他非生物治理方式來(lái)說(shuō)，具有獨(dú)特的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，所以研究苧麻修復(fù)重金屬污染土壤也是當(dāng)下的緊急任務(wù)。對(duì)苧麻修復(fù)優(yōu)勢(shì)品種篩選、抗逆響應(yīng)分子機(jī)制、苧麻-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)方式等進(jìn)行研究，不僅能促進(jìn)植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展，而且有利于綠色、安全、有效地解決污染土壤治理難題。

關(guān)鍵詞：苧麻;修復(fù);重金屬;污染土壤;研究進(jìn)展

文章編號(hào)： 1005-2690（2021）02-0022-02? ? ? ?中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)： X53? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

從社會(huì)各界人士對(duì)土壤污染的關(guān)注程度來(lái)看，大家對(duì)土壤重金屬污染問(wèn)題格外重視，所以各界都在尋找解決土壤重金屬污染的最佳方案。由2005年4月—2013年12月的土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，四川土壤污染總超標(biāo)率為28.7%，二者污染類(lèi)型主要是重金屬污染。工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、生活垃圾等是造成土壤重金屬污染的重要因素，其中最突出的因素是蓄電池生產(chǎn)廠。污染土壤的重金屬一般都是有毒性的，如汞、鎘、鉛、鉻或者鋅、銅、鎳等。土壤污染直接影響生態(tài)環(huán)境，進(jìn)一步為害食物鏈，危及人類(lèi)生命安全。也正是如此，社會(huì)各界對(duì)治理土壤污染問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注。

植物修復(fù)技術(shù)（Phytoremediation）就是利用自然生長(zhǎng)或經(jīng)過(guò)遺傳培育篩選的植物對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行固定、吸收、轉(zhuǎn)移、富集、轉(zhuǎn)化和根濾作用，同時(shí)保證土壤結(jié)構(gòu)完好，最終消除污染物或者降低土壤中的污染物濃度（降低到可接受的范圍內(nèi)）[1]。植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有很多，如成本低廉、操作簡(jiǎn)單、沒(méi)有二次污染、可操作性強(qiáng)，甚至對(duì)土壤自身的肥力也有巨大的好處，這種方式更易被社會(huì)接受。

苧麻可作為一種不進(jìn)入食物鏈且具有修復(fù)重金屬污染土壤功能的經(jīng)濟(jì)作物，是目前植物修復(fù)技術(shù)研究中潛力巨大的優(yōu)勢(shì)作物。

1? ?苧麻作為重金屬修復(fù)植物的特點(diǎn)及價(jià)值

苧麻（Boehmeria nivea L.）是多年生宿根性草本植物，屬蕁麻科苧麻屬，是我國(guó)古老的纖維用經(jīng)濟(jì)作物。與其他草本植物不同的是，該種植物的地上枝葉繁茂，生長(zhǎng)周期短，但是抗逆能力十分強(qiáng)，且苧麻對(duì)種植環(huán)境不挑剔，所以極易栽培養(yǎng)殖。我國(guó)苧麻的種植面積十分廣泛，種植技術(shù)相對(duì)成熟，有一定的種植管理系統(tǒng)。這種基礎(chǔ)為篩選適合修復(fù)重金屬污染土壤的苧麻提供了極大的便利，在已知的信息中，苧麻本身修復(fù)重金屬污染土壤是十分可行的，其本身所具有的耐受性和富集性都是其修復(fù)土壤的重要因素。所以，將苧麻選為修復(fù)土壤的重要備選植物是有科學(xué)依據(jù)的，其具備短暫的生長(zhǎng)周期及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，這是其他植物并不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其無(wú)疑是推動(dòng)植物修復(fù)污染土壤技術(shù)的一大助力。

苧麻作為修復(fù)作物，其自身還包含了一定的生態(tài)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一方面，苧麻依靠自身的特性，對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，除此之外，其對(duì)水土保持、綠化環(huán)境、凈化空氣功不可沒(méi)。另一方面，纖用苧麻不進(jìn)入食物鏈，可作為紡織、造紙、建筑材料等工業(yè)原料，且種植、管理成本相較于其他修復(fù)植物較低[2]。

2? ?苧麻對(duì)重金屬耐受性的研究

植物本身所具備的耐性與修復(fù)重金屬污染土壤息息相關(guān)，植物對(duì)重金屬的耐性越強(qiáng)，對(duì)修復(fù)重金屬污染土壤越有利。研究中通常用耐性指數(shù)（Ti）來(lái)反映植物對(duì)逆境的忍耐能力，其計(jì)算公式為各處理植物的多個(gè)農(nóng)藝性狀與對(duì)照的比值[3]。曾有研究報(bào)道，苧麻的耐Cd閾值能達(dá)到700 mg/kg。張翔等綜合分析評(píng)價(jià)了8個(gè)野生苧麻種質(zhì)資源對(duì)Cd的耐性，結(jié)果表明，興安貼毛苧麻耐Cd能力最強(qiáng)。黃閨等研究發(fā)現(xiàn)，“湘苧三號(hào)”對(duì)Pb的耐受濃度可達(dá)到800 mg/kg。劉莉蓉等對(duì)礦區(qū)野生苧麻的耐Cu性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，苧麻在Cu濃度高達(dá)9 262 mg/kg礦土中依然保持正常生長(zhǎng)。除此之外，研究報(bào)道礦區(qū)野生苧麻可能對(duì)Hg、Zn、Mn形成了高耐生態(tài)型。

根據(jù)以上的研究情況，佘瑋將苧麻的耐性分為高、中、低3種，以此區(qū)分不同苧麻品種對(duì)不同重金屬的耐受程度[4]。

3? ?苧麻對(duì)重金屬富集性的研究

所謂植物富集性，是指植物從沉積物中吸收、富集重金屬的特性。植物本身的富集程度也各不相同，主要通過(guò)富集系數(shù)表明，富集系數(shù)（Bioconcentration Factors，BCF）也叫作吸收系數(shù)，其計(jì)算公式為植物地上部重金屬含量（g）/土壤重金屬含量（g），富集系數(shù)與該種植物對(duì)此種重金屬的富集能力呈現(xiàn)正相關(guān)。林欣等用濃度為175 mg/L的Cd溶液脅迫7個(gè)苧麻品種，結(jié)果顯示，富順清麻的Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)較高，富集系數(shù)3.5左右、轉(zhuǎn)移系數(shù)0.25左右，在脅迫濃度為250 mg/L時(shí)，湘苧三號(hào)品種全株Cd積累量可達(dá)到1 000 mg/kg左右。石朝艷等采集3個(gè)不同礦區(qū)野生苧麻，分別測(cè)量其地上部分的重金屬積累量，結(jié)果顯示，Pb、Cd、Mn、Zn的積累量分別高達(dá)209.53 mg/kg、5.62 mg/kg、590.12 mg/kg、110.60 mg/kg。李榜江等用重金屬Cd脅迫處理川苧11號(hào)發(fā)現(xiàn)，植株不同部位重金屬Cd含量存在顯著差異，含量總趨勢(shì)表現(xiàn)為根>莖>葉。

除此之外，在相關(guān)的研究報(bào)告中還表明，種植苧麻的土壤，其所含有的重金屬（包括Hg、Cd、Cu）含量明顯降低。因此，大量研究表明，苧麻對(duì)重金屬具有富集和轉(zhuǎn)移能力，且品種不同，金屬元素不同，植株不同部位富集、轉(zhuǎn)移能力存在著一定差異。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的評(píng)估，將苧麻分為4類(lèi)，包括高耐低吸收、高耐高吸收、低耐低吸收和低耐高吸收。在多次試驗(yàn)之后，不難得出高耐高吸收類(lèi)型植物是最適合修復(fù)污染土壤植物的結(jié)論。

4? ?促進(jìn)苧麻對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)效應(yīng)的方法

為提高植物對(duì)重金屬的修復(fù)效率，可通過(guò)篩選或轉(zhuǎn)基因培育更高耐性的超富集植物，但其存在篩選、培育難度大、時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，近年來(lái)不少研究者通過(guò)外源添加土壤改良劑及一些提高植物耐性和富集性的化學(xué)試劑，從而促進(jìn)植物修復(fù)作用。在發(fā)展苧麻修復(fù)土壤技術(shù)的過(guò)程中，高俊逸等用適量的EDTA和EGTA處理含Cd、Pb土壤，此類(lèi)螯合劑可促進(jìn)土壤中Cd、Pb的酸可提取態(tài)含量增加，在不斷吸收積累Cd、Pb的同時(shí)不影響苧麻的正常生長(zhǎng)。沈莉萍等通過(guò)向泥炭中加入含Cd土壤的方式，改變土壤理化性質(zhì)，由此提高苧麻生物量，從而進(jìn)一步促進(jìn)苧麻對(duì)含Cd土壤的修復(fù)效率。

除此之外，還有數(shù)據(jù)表明，植物根際促生菌也是促進(jìn)苧麻對(duì)重金屬吸收、轉(zhuǎn)移的重要因素。苧麻—化學(xué)聯(lián)合修復(fù)方式能強(qiáng)化苧麻對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)，在植物修復(fù)領(lǐng)域具有重要研究?jī)r(jià)值。

5? ?苧麻抗重金屬脅迫的分子機(jī)制研究

一般植物在受到重金屬為害時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反抗機(jī)制保全自身，防止自身被重金屬毒害。現(xiàn)階段，研究的側(cè)重點(diǎn)主要有以下6個(gè)方面，分別是吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、離子區(qū)隔化、螯合作用、脅迫蛋白、抗氧化系統(tǒng)、細(xì)胞修復(fù)機(jī)制。朱守晶等對(duì)Cd脅迫下“中苧1號(hào)”根部基因表達(dá)譜測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，編碼參與AsA-GSH循環(huán)（抗壞血栓-谷胱甘肽循環(huán)）的GR（谷胱甘肽還原酶）和APX（抗壞血酸過(guò)氧化物酶）基因存在差異表達(dá)，對(duì)Cd的響應(yīng)較為明顯，在轉(zhuǎn)錄組搜尋到一個(gè)編碼PCS（植物螯合肽合成酶）基因，通過(guò)克隆苧麻BnPCS1基因構(gòu)建植物表達(dá)載體，獲得轉(zhuǎn)基因擬南芥陽(yáng)性植株，是該基因能夠提高Cd耐性的有力證明。

佘瑋等篩選Cd脅迫下“中苧1號(hào)”差異表達(dá)基因，并通過(guò)富集分析的方式研究其功能，發(fā)現(xiàn)這些基因序列主要包括具有結(jié)合功能的轉(zhuǎn)錄因子，如依賴(lài)金屬水解酶類(lèi)、鋅指蛋白等，具有催化作用的活性酶，如氧化還原酶、蛋白磷酸酶等。可見(jiàn)，苧麻在重金屬脅迫下通過(guò)不同的分子響應(yīng)機(jī)制，可提高植株對(duì)重金屬的耐受能力和富集能力。因此，加強(qiáng)對(duì)苧麻抗逆分子機(jī)制的研究，將有助于篩選、培育綜合性狀更好的修復(fù)重金屬污染土壤的苧麻品種。

6? ?總結(jié)與展望

苧麻因生物量大、修復(fù)成本低、具有經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢(shì)，在重金屬污染土壤治理方面具有很大的應(yīng)用潛力。就如今的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，苧麻治理土壤重金屬污染的各項(xiàng)研究仍然處于初步階段。

目前，各界學(xué)者仍然對(duì)苧麻重金屬耐性、富集性材料的選擇，抗逆境分子機(jī)制的研究，修復(fù)材料的處置方式等存在欠缺。因此，可以綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)基因等現(xiàn)代育種技術(shù)加快高耐高富集苧麻種質(zhì)資源篩選;從多方位角度對(duì)苧麻抗逆分子機(jī)制進(jìn)行研究，主要包括植物生理學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)等多學(xué)科知識(shí);加強(qiáng)對(duì)苧麻植株體內(nèi)重金屬遷移規(guī)律的研究，從而防止二次污染，提高修復(fù)效率。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 白玉超，楊瑞芳，李雪玲，等.苧麻根系研究進(jìn)展[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2016，6（7）：19-23.

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[ 4 ] 佘瑋.苧麻對(duì)重金屬吸收和積累特征及鎘脅迫響應(yīng)基因表達(dá)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.