苧麻修復(fù)重金屬污染土壤研究進展

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越嚴重，人們的應(yīng)對措施也更加多種多樣。通過種植苧麻治理污染的土壤，原理是苧麻對于重金屬有耐受性、吸收性、富集性和轉(zhuǎn)移性等特點。這種治理方式相較于其他非生物治理方式來說，具有獨特的環(huán)保優(yōu)勢，所以研究苧麻修復(fù)重金屬污染土壤也是當下的緊急任務(wù)。對苧麻修復(fù)優(yōu)勢品種篩選、抗逆響應(yīng)分子機制、苧麻-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)方式等進行研究，不僅能促進植物修復(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;研究進展

文章編號： 1005-2690（2021）02-0022-02? ? ? ?中國圖書分類號： X53? ? ? ?文獻標志碼： A

從社會各界人士對土壤污染的關(guān)注程度來看，大家對土壤重金屬污染問題格外重視，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，全國土壤污染總超標率為16.1%，四川土壤污染總超標率為28.7%，二者污染類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，進一步為害食物鏈，危及人類生命安全。也正是如此，社會各界對治理土壤污染問題越來越關(guān)注。

植物修復(fù)技術(shù)（Phytoremediation）就是利用自然生長或經(jīng)過遺傳培育篩選的植物對土壤中的污染物進行固定、吸收、轉(zhuǎn)移、富集、轉(zhuǎn)化和根濾作用，同時保證土壤結(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)點有很多，如成本低廉、操作簡單、沒有二次污染、可操作性強，甚至對土壤自身的肥力也有巨大的好處，這種方式更易被社會接受。

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

1? ?苧麻作為重金屬修復(fù)植物的特點及價值

苧麻（Boehmeria nivea L.）是多年生宿根性草本植物，屬蕁麻科苧麻屬，是我國古老的纖維用經(jīng)濟作物。與其他草本植物不同的是，該種植物的地上枝葉繁茂，生長周期短，但是抗逆能力十分強，且苧麻對種植環(huán)境不挑剔，所以極易栽培養(yǎng)殖。我國苧麻的種植面積十分廣泛，種植技術(shù)相對成熟，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，其具備短暫的生長周期及對環(huán)境的適應(yīng)能力，這是其他植物并不具備的獨特優(yōu)勢，其無疑是推動植物修復(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)濟價值。一方面，苧麻依靠自身的特性，對重金屬污染土壤進行修復(fù)，除此之外，其對水土保持、綠化環(huán)境、凈化空氣功不可沒。另一方面，纖用苧麻不進入食物鏈，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)，植物對重金屬的耐性越強，對修復(fù)重金屬污染土壤越有利。研究中通常用耐性指數(shù)（Ti）來反映植物對逆境的忍耐能力，其計算公式為各處理植物的多個農(nóng)藝性狀與對照的比值[3]。曾有研究報道，苧麻的耐Cd閾值能達到700 mg/kg。張翔等綜合分析評價了8個野生苧麻種質(zhì)資源對Cd的耐性，結(jié)果表明，興安貼毛苧麻耐Cd能力最強。黃閨等研究發(fā)現(xiàn)，“湘苧三號”對Pb的耐受濃度可達到800 mg/kg。劉莉蓉等對礦區(qū)野生苧麻的耐Cu性進行研究，結(jié)果表明，苧麻在Cu濃度高達9 262 mg/kg礦土中依然保持正常生長。除此之外，研究報道礦區(qū)野生苧麻可能對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)分不同苧麻品種對不同重金屬的耐受程度[4]。

3? ?苧麻對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，湘苧三號品種全株Cd積累量可達到1 000 mg/kg左右。石朝艷等采集3個不同礦區(qū)野生苧麻，分別測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，含量總趨勢表現(xiàn)為根>莖>葉。

除此之外，在相關(guān)的研究報告中還表明，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。通過對各項數(shù)據(jù)的評估，將苧麻分為4類，包括高耐低吸收、高耐高吸收、低耐低吸收和低耐高吸收。在多次試驗之后，不難得出高耐高吸收類型植物是最適合修復(fù)污染土壤植物的結(jié)論。

4? ?促進苧麻對重金屬污染土壤修復(fù)效應(yīng)的方法

為提高植物對重金屬的修復(fù)效率，可通過篩選或轉(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、時間長等問題。因此，近年來不少研究者通過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，從而促進植物修復(fù)作用。在發(fā)展苧麻修復(fù)土壤技術(shù)的過程中，高俊逸等用適量的EDTA和EGTA處理含Cd、Pb土壤，此類螯合劑可促進土壤中Cd、Pb的酸可提取態(tài)含量增加，在不斷吸收積累Cd、Pb的同時不影響苧麻的正常生長。沈莉萍等通過向泥炭中加入含Cd土壤的方式，改變土壤理化性質(zhì)，由此提高苧麻生物量，從而進一步促進苧麻對含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苧麻對重金屬吸收、轉(zhuǎn)移的重要因素。苧麻—化學(xué)聯(lián)合修復(fù)方式能強化苧麻對重金屬污染土壤的修復(fù)，在植物修復(fù)領(lǐng)域具有重要研究價值。

5? ?苧麻抗重金屬脅迫的分子機制研究

一般植物在受到重金屬為害時，都會產(chǎn)生相應(yīng)的反抗機制保全自身，防止自身被重金屬毒害?，F(xiàn)階段，研究的側(cè)重點主要有以下6個方面，分別是吸收轉(zhuǎn)運、離子區(qū)隔化、螯合作用、脅迫蛋白、抗氧化系統(tǒng)、細胞修復(fù)機制。朱守晶等對Cd脅迫下“中苧1號”根部基因表達譜測序分析發(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（抗壞血酸過氧化物酶）基因存在差異表達，對Cd的響應(yīng)較為明顯，在轉(zhuǎn)錄組搜尋到一個編碼PCS（植物螯合肽合成酶）基因，通過克隆苧麻BnPCS1基因構(gòu)建植物表達載體，獲得轉(zhuǎn)基因擬南芥陽性植株，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”差異表達基因，并通過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，如依賴金屬水解酶類、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，苧麻在重金屬脅迫下通過不同的分子響應(yīng)機制，可提高植株對重金屬的耐受能力和富集能力。因此，加強對苧麻抗逆分子機制的研究，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)濟效益等優(yōu)勢，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)展趨勢來看，苧麻治理土壤重金屬污染的各項研究仍然處于初步階段。

目前，各界學(xué)者仍然對苧麻重金屬耐性、富集性材料的選擇，抗逆境分子機制的研究，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;從多方位角度對苧麻抗逆分子機制進行研究，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;加強對苧麻植株體內(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：

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

[ 2 ] 揭雨成，羅中欽，佘瑋.苧麻抗重金屬污染研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].作物研究，2009，23（4）：283-286.

[ 3 ] 曹詣，佘瑋，孫敬釗，等.苧麻修復(fù)重金屬污染土壤研究現(xiàn)狀[J].作物研究，2014，28（6）：775-779.

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