商陸屬植物對重金屬的富集特征及應用現狀分析

謝琴 賀莉莎

摘要 商陸屬植物對多種重金屬具有較強的富集能力，在重金屬污染土壤修復中具有較大應用潛力。本文分析了土壤重金屬的來源和危害，探討了重金屬污染土壤的植物修復機理及進展，在此基礎上闡述了商陸屬植物對重金屬錳、鎘和鋅的富集作用及應用現狀，為促進商陸屬植物在重金屬污染土壤修復中的應用提供參考。

關鍵詞 商陸屬植物；土壤；重金屬污染；富集特征；植物修復

中圖分類號 X173；X53? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）10-0078-04

土壤是人類賴以生存的重要資源之一，土壤污染問題已引起一定的關注，其中土壤重金屬污染因其污染面積較大、危害較為嚴重等而備受關注[1]。土壤中過量的重金屬不僅會直接危害植物的生長發育，也可通過食物鏈進入人體，威脅人類健康。因此，如何修復重金屬污染的土壤，為植物生長和人類健康提供良好的生態環境，是當前重要的研究課題之一。近年來，有關學者提出植物修復技術治理重金屬污染土壤理論，植物修復技術是利用植物自身的新陳代謝、對重金屬的獨特耐性和富集能力等，達到降低土壤污染物濃度或徹底清除污染物的目的[2]。植物修復技術具有成本低、操作簡單、安全清潔和環境友好等優點[3]，該技術應用的關鍵在于尋找到生長快、生物量大、耐性強且對重金屬具有較強的吸收和轉運能力的植物[4]。

商陸屬（Phytolacca sp.）植物是商陸科多年生宿根草本植物，具有地上部生物量大、生長周期短等特點[5]。商陸屬植物對土壤環境的適應能力強，其根系發達、枝葉茂盛，株高可達2 m，有較強的抵抗病蟲害能力，可入藥也可作肥料等。研究發現，商陸屬植物對重金屬有較強的富集能力，在重金屬污染土壤的植物修復技術中具有較大應用潛力[6]?；诖耍疚姆治隽送寥乐亟饘俚膩碓醇拔：?，探討了重金屬污染土壤的植物修復機理與進展，在此基礎上闡述了商陸屬植物對錳、鎘和鋅的富集作用及應用現狀，為促進商陸屬植物在重金屬污染土壤修復中的應用提供參考。

1 土壤重金屬的來源和危害分析

土壤是人類賴以生存和社會經濟可持續發展的物質基礎，土壤的安全與健康是保障人類居住環境和食品質量安全的關鍵。重金屬具有毒性且半衰期較長，可在環境中積累且降解緩慢。釋放到土壤中的重金屬會通過生物積累和生物放大過程對生物產生不利影響，植物重金屬中毒會導致植物生長發育緩慢、產量降低和功能代謝異常等[7]。

土壤是植物生長的物質基礎，植物根系直接與土壤接觸，從土壤中吸收營養物質的同時也會吸收重金屬，因此，植物的根系是受重金屬毒害最直接的部位。重金屬會影響植物的正常生長發育，例如，鎘（Cd）會抑制植物根系的生長，從而使植物生長緩慢、生物量減少[8]；銅（Cu）會導致植物根尖彎曲、根冠細胞分裂停止、細胞畸形及根系功能下降等[9]。此外，重金屬對植物根系的毒害可能會影響植物對其他營養元素的吸收，從而影響植物的正常生長，例如，過量的Cu會抑制紫云英對氮（N）、磷（P）和鋅（Zn）等元素的吸收[10]。重金屬不僅會通過影響植物呼吸酶的活性影響植物的呼吸作用，還會影響植物的光合作用。例如，過量的錳（Mn）會抑制植物對葉綠素合成必需元素鎂（Mg）和鐵（Fe）的吸收，導致植物葉片中葉綠素含量降低；同時，高濃度Mn脅迫不僅會改變植物葉片氣孔的密度，其活性氧的積累還會對葉綠素造成一定的破壞[11]。

2 重金屬污染土壤的植物修復機理及進展探討

針對土壤重金屬污染問題，學者已提出了多種污染土壤修復方式。其中，植物修復技術是利用植物自身的新陳代謝，對重金屬較強的耐性和富集能力，達到降低土壤重金屬濃度或徹底清除重金屬的目的。植物修復主要的作用方式有6種類型：植物提取、植物降解、植物凈化、植物揮發、植物固定和根際圈生物降解[2]。Brooks等[12]提出超富集植物概念，即能夠在被重金屬污染的土壤上特定生長的植物。Chaney等[13]提出將超富集植物應用到重金屬污染的土壤修復上，開啟了對重金屬污染土壤的植物修復技術的研究。魏樹和等[14]研究認為，超富集植物應該具備兩個基本特征：一是富集系數（Enrichment coefficien，EC）大于1，即植物中的重金屬含量高于其生長土壤中該重金屬的含量；二是植物在生長發育過程中不會受到明顯的毒害作用，能夠在重金屬污染土壤上完成正常的生活史。在實際植物修復技術應用中，還需要考慮超富集植物的生物量、生長周期和經濟價值等因素。因此，植物修復技術的關鍵是尋找生長速度快、生物量大、生長周期短、適應能力強、耐性強且對重金屬具有較強的吸收和轉運能力的植物。

據統計，當前已發現的超富集植物已有500余種，廣泛分布在植物界40多個科。實踐中部分超富集植物生長緩慢、生物量小、生長周期長，且部分超富集植物多生長在特定的環境中，環境適應能力較差，實際應用中修復周期較長、成本較高。目前，超富集植物在重金屬污染土壤的植物修復中的應用暫時具有一定的局限性，有待進一步深入探究。

3 商陸屬植物對重金屬的富集作用分析

3.1 商陸屬植物對Mn的富集作用

Mn是植物生長發育必需的微量元素，是植物葉綠體的組成成分之一，直接參與植物的光合作用。而土壤中積累過量的Mn可能會造成土壤污染，植物吸收過量的Mn可能會影響其生長發育，甚至中毒死亡。因此，Mn是影響植物生長的一個重要因素。Xue等[15]通過測定多種植物中的Mn含量，發現美洲商陸（Phytolacca americana L.）地上部Mn的含量達到12 180～19 300 mg/kg，且葉片中的Mn含量高于根部，Mn的富集系數大于1，表明美洲商陸是一種Mn超富集植物。鐵柏清等[16]通過野外試驗發現，美洲商陸對土壤中高含量的Mn具有很強的吸收和耐受能力，葉片中Mn含量5 160～8 000 mg/kg；水培試驗結果表明，當Mn處理濃度10 mmol/L時，美洲商陸仍能正常生長，葉片中Mn的含量達11.76 g/kg，當Mn處理濃度50 mmol/L時，葉片中Mn的含量高達47.06 g/kg。Yuan等[17]明確提出美洲商陸是Mn超富集植物。豆長明等[18]分析了美洲商陸各部位的Mn含量，發現次級根和根表的Mn含量明顯高于主根和地上部莖、葉中的Mn含量，說明美洲商陸體內的Mn主要積累在側根和次生根中。趙盈麗等[19]研究發現，商陸（Phytolacca acinosa Roxb.）能將土壤中的Mn轉運到地上部分，葉片中Mn含量最高，平均為17 043 mg/kg，遠高于莖和根的Mn含量均值；單株的平均富集量在土壤Mn濃度500 mg/kg時達到最高，一棵商陸可富集約13 mg的Mn。

3.2 商陸屬植物對Cd的富集作用

土壤重金屬污染中Cd污染面積較大[20]。Cd在植物生長發育中屬于非必需微量元素，正常條件下，植物體內Cd含量一般不超過1 mg/kg。與其他重金屬相比，Cd的半衰期較長，對植物具有強毒性且可在植物體內發生遷移，可能會通過食物對人體的健康造成損害[21]。Liu等[22]通過野外調查和室內試驗分析發現，美洲商陸在污染土壤和室內水培條件下均能在地上部富集大量的Cd，最高分別可達402和637 mg/kg，其中蒸騰作用在美洲商陸富集Cd過程中發揮了很大作用。Peng等[23]發現，在Cd存在下，加入Mn可以抑制美洲商陸對Cd的吸收，促進其生長，說明美洲商陸體內Cd和Mn存在一定的相互影響。聶發輝[24]研究表明，美洲商陸同屬植物商陸對Mn和Cd均有超富集能力，在土壤Cd濃度水平高于50 mg/kg的條件下，商陸莖和葉中的Cd含量均超過100 mg/kg，地上部Cd的富集系數大于1，符合Cd超富集植物的基本特征，是一種理想的土壤Cd污染修復植物。傅曉萍[25]對美洲商陸進行100 μmol/L Cd水培處理，發現Cd對美洲商陸植株的毒害癥狀較輕，地上部和根系中Cd含量分別可達966.9和8 179.1 mg/kg；美洲商陸積累Cd能力較強，根系中的Cd含量比地上部高，在低濃度Cd處理下，美洲商陸仍具有較高的Cd吸收富集能力。吳雙桃等[26]對鉛鋅冶煉廠周圍污染土壤修復發現，商陸能大量富集Cd且地下部向地上部轉運能力較強。

3.3 商陸屬植物對Zn的富集作用

Zn是植物生長發育必需的微量元素之一，但過量的Zn可能會引起植物中毒，一般植物中Zn的含量為20～150 mg/kg，商陸對Zn也有較強的富集作用。黃五星等[27]通過野外采樣發現，商陸可在錳礦廢棄土壤中正常生長，而錳礦廢棄土壤中Zn的含量是周邊普通土壤背景值的3.01倍；進一步通過水培試驗研究發現，1 mmol/L Zn處理濃度下，商陸地上部分生物量仍高于對照組，其根、莖和葉中Zn的含量分別為24 276、880和1 490 mg/kg，Zn在商陸地上部分的積累量接近于Zn超積累植物東南景天，表明商陸對Zn也具有很強的耐受性和積累性。劉益貴等[28]通過對鋅冶煉廠尾渣堆周圍的植物采樣發現，美洲商陸體內Zn含量高達2 590 mg/kg。薛生國等[29]通過水培試驗發現，50 μmol/L Zn處理時，垂存商陸（Phytolacca americana L.）根中的Zn含量為2 750 mg/kg，當Zn處理濃度為200 μmol/L時，其根中Zn的含量高達7 194 mg/kg，在10 d內，垂存商陸對水體中Zn的去除率為38.1%～40.0%。

4 商陸屬植物在重金屬污染土壤修復中的應用現狀分析

商陸屬植物分布廣泛，其植株高大、地上部生物量大且生長周期短，在重金屬污染土壤的植物修復技術中具有應用潛力較大。向言詞等[30]通過盆栽試驗發現，美洲商陸可使Mn尾渣污染的土壤特性發生變化，可一定程度上增強土壤酶活力，改善土壤營養，同時可調節土壤中Mn和Cd的形態分布，降低土壤中Mn和Cd的含量，減阻Mn和Cd等污染物的遷移；此外，研究發現，美洲商陸可明顯降低Mn尾渣污染土壤的毒性，有利于促進其他植物的生長，維持Mn尾渣污染區植被的可持續發展。陳國慶等[31]研究表明，美洲商陸可通過增加抗氧化酶的活性來消除氧自由基，增強美洲商陸對Mn的耐受性。張玉秀等[32]研究了商陸對Cd脅迫的響應，結果表明，抗氧化酶可清除Cd毒害產生的活性氧自由基，進而提高商陸對Cd的耐受性。薛生國等[29]研究發現，垂序商陸通過植株吸收和根系吸附作用去除重金屬，可用于治理重金屬污染水體，垂存商陸10 d內對Cd和Zn的清除率分別為50.8%～53.7%和38.1%～40.0%。

5 結語

植物修復作為經濟有效的方法在重金屬污染土壤的修復領域受到廣泛關注。植物修復的關鍵是尋找生長速度快、生物量大、生長周期短、適應能力強、耐性強且對重金屬具有較強的吸收和轉運能力的植物。目前，大多數超富集植物存在生物量小、生長周期長等缺點，在植物修復應用中具有一定的局限性。本文分析了土壤重金屬的來源和危害，探討了重金屬污染土壤的植物修復機理及進展，在此基礎上闡述了商陸屬植物對Mn、Cd和Zn的富集作用及應用現狀。商陸屬植物分布廣泛，植株高大、地上部生物量大且生長周期短，對Mn、Cd和Zn等均有較強的富集作用，在重金屬污染土壤的植物修復應用中具有巨大潛力。未來需進一步研究商陸屬植物吸收和轉運重金屬的機制，進一步豐富商陸屬植物富集重金屬的理論基礎，為重金屬污染土壤的植物修復提供植物資源和參考。

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（責編：何 艷）