利用楊樹修復重金屬污染土壤的研究進展

侯 庚

(遼寧省楊樹研究所，遼寧 蓋州 115213)

1 楊樹用于修復土壤重金屬污染的優勢

目前，土壤重金屬污染治理技術主要有物理治理技術、化學治理技術、生物治理技術(包括植物修復法、微生物修復法、農業生態修復法)等。植物修復法是一種新興的重金屬污染土壤修復技術，具有經濟和環境友好等特點[1]。

楊樹作為我國平原地區重要的造林樹種，分布范圍廣泛，具有易于繁殖、生長快、根系發達、生物量大等特點，為重金屬的富集及轉運提供了可能。楊樹品種豐富，尤其近年來，楊樹育種成果頗豐[2]，選育出了大量具有抗寒、抗病蟲、耐鹽堿和耐重金屬脅迫的優良品種，為修復土壤重金屬污染提供了豐富的楊樹品種。楊樹作為綠化和用材樹種，其生物產品不會進入食物鏈，從而不會進入人體而造成人體重金屬中毒。關于楊樹在修復土壤重金屬污染的應用，許多學者做了相關研究，并取得了較好的修復效果[3-5]。上述優良特性為楊樹應用于修復土壤重金屬污染提供了可能。

2 楊樹品種間修復能力的差異

在利用楊樹進行土壤重金屬修復時，需進行品種篩選。關于楊樹品種修復能力的比較，研究者們采用了水培培養、組織培養、土壤培養等方法做了大量實驗。吳鳳霞[6]采用水培的試驗方法研究了3個砷(As)脅迫水平下9個楊樹品種的光合參數以及不同楊樹材料吸收、富集砷的特征，篩選出砷耐型楊樹中林2025楊和砷敏感型楊樹1-45/51楊。胡亞瓊[7]采用離體培養的方法，研究了不同二價鎘離子(Cd2+)濃度脅迫對銀灰楊和84K楊試管苗生長和抗氧化酶活性的影響，通過比較二者的生長指標、不同Cd2+濃度脅迫抗氧化酶，表明銀灰楊和84K楊都有一定抗重金屬Cd污染的能力，但銀灰楊的抗鎘污染能力更強。張春燕等[8]采用土培的方法研究了3種重金屬復合污染下14個楊、柳樹品種的生物量、重金屬含量和總吸收量、富集系數和轉運系數，研究結果表明，綜合考慮上述指標，61-1和南林95具有較強的富集能力，是理想的修復材料。魯凡[9]以榆陽煤礦和榆樹灣煤礦的復墾區為研究對象，通過比較沙蒿、沙柳、楊樹、柳樹和松樹對重金屬的富集能力，對修復重金屬污染的優勢樹種進行了篩選，發現楊樹對Cd具有較強的富集能力，可以用于土壤Cd污染修復的首選植物。這些研究表明，楊樹對土壤重金屬污染的修復能力存在品種差異，可以針對污染源篩選修復能力強的楊樹品種應用于實踐。

3 重金屬污染對楊樹生理生化及生長的影響

很多學者都做過重金屬對楊樹生理生化及生長影響的研究。2011年余洋[10]通過對鉛(Pb)脅迫下楊樹生理生化和根尖細胞骨架變化的研究發現，鉛導致了葉片抗氧化酶系統活性及根尖細胞微管骨架排布的變化；并增加了根尖細胞胼胝質的沉積。張凱等[11]研究銅(Cu)、鎘(Cd)脅迫對楊樹葉片中防御蛋白活性的影響發現：其變化規律性與重金屬質量分數和時間有關，高質量濃度Cd、Cu處理下試驗葉片中的防御蛋白的活性在脅迫30～40 d后顯著高于對照，并在第40 d時最大，之后隨著處理時間的延長其活性顯著低于對照；低質量分數Cd、Cu處理與對照相比差異不顯著，在第60 d的時降到最小。譚靈杰[12]研究了鹽鎘復合脅迫下美洲黑楊多方面的性狀差異，發現雄株對Cd具有更高的吸收能力，但在其它方面與雌株的差異未達到顯著水平。楊葉[13]研究了3種楊樹幼苗在鍶(Sr)與柴油脅迫下的差異，結果表明，在鍶脅迫下，低濃度鍶對幼苗的株高等有促進作用，但隨著處理濃度的升高則會表現出抑制作用；在復合脅迫下，則均表現為抑制作用，且與白楊相比，青楊與俄羅斯楊的降幅更大。

4 重金屬在楊樹體內的富集規律

關于重金屬在楊樹體內的富集，很多研究人員做過相關工作。劉乃聞[14]研究了礦區3種重金屬在楊樹中富集發現，鎘在楊樹體內的分布規律是葉>根>枝>干，樹干中的含量則以靠近樹根部分為最高，越往上其含量越低。李舒琦[15]采用雙因素實驗設計，研究器官、樹齡對楊樹吸收重金屬的影響，研究發現凋落葉中Cu和Pb的含量是隨著樹齡的增加而顯著增加的，與生長期葉片中含量相比達到了顯著水平。齊洪濤等[16]研究了堆肥污泥對5種重金屬在楊樹幼苗中分布情況的影響，Cu、Zn和As在幼苗中的分布基本一致，表現為根>葉>莖，Cd主要富集在葉片中，Hg除富集在根部外還依次富集在莖和葉片中。鄭慧芳[17]研究發現不同施氮量也會影響重金屬在體內的富集，當施氮量較低時，楊樹葉、根的細胞結構會產生變化，Cd更多地富集在根系中；當施氮量達到正常水平時，Cd在莖中含量增大，說明施氮量可影響楊樹對鎘污染的修復效率。

5 提高重金屬污染土壤楊樹修復技術的強化措施

目前，關于強化修復技術的研究主要集中在微生物聯合修復、轉基因技術和螯合劑的使用3個方面。

5.1 微生物聯合修復

近年來研究發現，楊樹可通過菌根(真)菌侵染獲得更加豐富的水養物質，微生物在楊樹修復土壤重金屬污染的過程中也起到非常重要作用。豆青[18]研究發現，與不接種外生菌根真菌的青楊相比，在相同的鉛脅迫濃度下，接種外生菌根真菌的青楊的株高和生物量均明顯提高，且在高濃度鉛脅迫下這種現象更加顯著。同時發現，不同的外生菌根菌對青楊的侵染率不同，草地大馬勃對青楊有更高的侵染率，可更好的提高鉛脅迫的耐受性。

5.2 轉基因技術

隨著分子生物學實驗技術的成熟，轉基因技術越來越多的應用于各種研究。在研究楊樹對重金屬鎘脅迫的分子生理響應機制時，何佳麗[19]發現相比于野生型楊樹，過表達γ-glutamylcysteine synthetase基因楊樹在地上部分富集了更為豐富較多的鎘，除ROS外，總硫醇、GSH、GSSG以及可溶性酚和游離脯氨酸均是轉基因楊樹中含量較高，說明轉基因楊樹比野生型楊樹具有更高的鎘耐受性。趙思雯[20]從小黑楊葉片中克隆得到PsneIF5A2和PsneIF5A4基因，研究發現其在多個部位均有表達，在成熟葉片中轉錄水平最高。在重金屬脅迫、鹽脅迫和干旱脅迫時，熒光定量PCR檢測發現，上述脅迫條件均誘導了該基因的表達，且以重金屬脅迫和鹽脅迫下表達量較多。

5.3 螯合劑的配合使用

近年來，研究學者開展了螯合劑添加對土壤中重金屬生物有效性影響的研究，發現其可提高重金屬在土壤中的有效性，因此常常采用投加螯合劑的方法來提高修復效率。李舒琦[15]研究表明，試驗中的3種螯合劑均能顯著促進土壤中Cu和Pb有效態的含量，但是活化能力略有不同。EDTA即可提高根和葉中Cu的含量又可提高葉片中Pb的含量，EGTA僅能增加根和葉中Cu的含量。金誠等[21]研究了干旱區農田土壤中Pb在投加3種螯合劑后吸收和富集特征。研究表明，EDTA、EGTA和CA均可顯著提高土壤中水提態Pb的含量，活化強度從強到弱為EDTA>EGTA>CA。

6 展望

近年來，重金屬污染問題凸顯，植物修復土壤重金屬污染應注重其對重金屬的耐受性及修復效率。楊樹作為一種優良的修復樹種，首先應開展品種選育研究，針對不同區域選育出修復能力強的品種；其次應拓展楊樹修復土壤重金屬污染的強化措施；最后應從機理機制角度開展研究，挖掘楊樹修復重金屬污染的關鍵基因，利用基因表達調控來提高楊樹對重金屬的耐性等。