雷 平

（湖南省微生物研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410009）

微生物-油料作物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染耕地技術(shù)探討

雷 平

（湖南省微生物研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410009）

重金屬污染已經(jīng)成為我國(guó)，特別是湖南污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問(wèn)題。微生物作為土壤中最活躍的生物因子，可協(xié)助植物抵抗重金屬的迫害，提高植物對(duì)重金屬的吸收；而油料作物對(duì)重金屬富集能力強(qiáng)、且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。兩者在土壤修復(fù)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。綜述了微生物和油料作物如油菜、向日葵、花生、大豆、蓖麻等在重金屬污染土壤修復(fù)中的研究進(jìn)展，并探討兩者聯(lián)合修復(fù)重金屬污染耕地的可行性。

微生物；油料作物；重金屬污染；耕地

自20世紀(jì)50年代中期日本“水俁病”和“骨痛病”發(fā)生以來(lái)，重金屬污染問(wèn)題引起了全世界的普遍關(guān)注。來(lái)自中國(guó)環(huán)保部和國(guó)土資源部的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)重金屬污染面積廣、危害大。湖南作為著名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，采礦、冶煉、電鍍等重工業(yè)企業(yè)眾多，重金屬的長(zhǎng)期累積和過(guò)去粗放式的發(fā)展方式，導(dǎo)致湖南重金屬污染嚴(yán)重。據(jù)估測(cè)，湖南被重金屬污染的耕地面積達(dá)94.67萬(wàn)hm2以上，現(xiàn)狀不容樂(lè)觀。

傳統(tǒng)的重金屬污染修復(fù)方法成本高、工程量巨大，還將打破土壤原有的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此不適合長(zhǎng)期用來(lái)治理大面積的重金屬污染。植物修復(fù)作為一種新的綠色環(huán)保修復(fù)技術(shù)，因其成本低、修復(fù)潛力大、且可保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)和區(qū)系生物群落，還能營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境，已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)［1］。自1977年Brooks提出超積累植物的概念以來(lái)，至今已有700多種重金屬超積累植物被發(fā)現(xiàn)［2］。部分超積累植物如印度芥菜、蜈蚣草等已在美歐、中國(guó)等地用于重金屬污染土壤的修復(fù)。盡管超積累植物重金屬積累能力強(qiáng)，但在實(shí)際應(yīng)用中由于其自身的一些特性，如植株矮小、生長(zhǎng)緩慢且生物量低，區(qū)域性分布較，修復(fù)周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益低等，而限制了其發(fā)展。近年來(lái)，人們開(kāi)始尋找與開(kāi)發(fā)生物量大、重金屬富集能力強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)作物，并通過(guò)添加螯合劑、微生物等加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)作物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)［3］。其中，微生物在植物修復(fù)中已發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

研究顯示，油菜、向日葵、花生等油料作物均具有較強(qiáng)的重金屬耐性和積累特性，且地上部分生物量大，雖然其種籽中也將積累一定的重金屬，但因?yàn)橹亟饘僦饕c種籽中的蛋白質(zhì)絡(luò)合，而脂肪中的重金屬含量甚微［4-5］，因此油料作物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用前景樂(lè)觀。

1 微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用

微生物作為土壤中最活躍的生物因子，雖然不能降解和破壞重金屬，但它能通過(guò)自身或其代謝活動(dòng)改變土壤的理化性質(zhì)，主要利用微生物吸附、絡(luò)合、沉淀或溶解、吸收和富集重金屬，從而影響環(huán)境中重金屬的形態(tài)分布和植物有效性，協(xié)助植物抵抗重金屬的協(xié)迫，提高或降低植物對(duì)重金屬的吸收，達(dá)到協(xié)助植物清除土壤重金屬或鈍化土壤重金屬促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)的目的［6］。夏娟娟、盛下放等［7-8］研究小組篩選的對(duì)不同重金屬具有高效抗性的芽孢桿菌和黃單胞菌，能顯著增加土壤有效鎘濃度，提高番茄和油菜等植物對(duì)重金屬的吸收。Mastretta等從煙草種子中分離出的鎘抗性內(nèi)生菌可通過(guò)增強(qiáng)植物吸收鋅和鐵來(lái)降低鎘的毒性。Lodewyckx等從水稻組織中分離出的Methylobacteriumoryzae和Burkholderia sp.可使番茄種子在高鎳和鎘的環(huán)境中生長(zhǎng)發(fā)芽［9］。

2 幾種典型油料作物對(duì)重金屬的吸附特性

2.1 油 菜

油菜是湖南第二大經(jīng)濟(jì)作物，其種子是我國(guó)第一大食用植物油原料，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。同時(shí)，油菜種質(zhì)資源多，生物量大，且對(duì)多種重金屬具有較強(qiáng)的抗性和吸附性，是重金屬污染土壤修復(fù)的重要資源之一。

王激清等［10］從22個(gè)芥菜型油菜品種中篩選出了3個(gè)鎘高積累品種，分別是川油II-10、白芥、綿陽(yáng)蠻油菜，其中川油II-10在40 mg/kg鎘含量土壤中地上部鎘吸附量達(dá)51 μg/株，為印度芥菜的1.6 倍。向言詞等［11-13］發(fā)現(xiàn)，在含41.3 mg/kg鎘土壤中培養(yǎng)60 d，甘藍(lán)型油菜生物量和鎘吸附總量均是芥菜型油菜的2倍左右，且植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、螯合劑等能顯著促進(jìn)油菜對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)及富集，植株鎘積累量最高可達(dá)379.8 μg。此外，Cl-肥料與間作鷹嘴豆也能提高油菜對(duì)鎘的吸收，可使油菜對(duì)鎘吸附總量高達(dá)783.72 μg/株，大幅度提高了油菜對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)效率［14］。

此外，蘇德純等［15-16］通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油菜的種植能減少下茬大白菜、水稻對(duì)鎘或鉛的吸收。但于玲玲等［17-18］采用田間小區(qū)試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，油菜提高了下茬水稻對(duì)鎘的吸收，不過(guò)，在油菜-水稻輪作第二年，水稻對(duì)鎘的吸收量明顯低于第一年。這些研究結(jié)果表明，油菜能有效修復(fù)鎘污染土壤，但盆栽和田間修復(fù)效果存在差異，要確保污染土壤上生產(chǎn)出安全、健康的農(nóng)產(chǎn)品，油菜和其他作物的輪作模式和田間試驗(yàn)還需要進(jìn)一步摸索。

2.2 向日葵

向日葵是一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的油料作物。它種植簡(jiǎn)便，易于收割，適應(yīng)范圍廣，耐鹽堿旱，在世界油料作物生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，僅次于大豆，居世界第二位。研究表明，向日葵對(duì)鎘、鉛等重金屬具有富集特性［4，12］。張守文［12］研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘能促進(jìn)向日葵新葵雜四號(hào)的生長(zhǎng)，高濃度鎘卻能抑制其生長(zhǎng)。5 mg/kg 鎘處理下，每盆向日葵鎘吸附量超過(guò)100 μg。鎘在低濃度時(shí)在向日葵體內(nèi)分布規(guī)律為：葉＞根＞籽實(shí)＞莖。此外，螯合劑能有效提高向日葵根、莖、葉中的鎘含量，而籽實(shí)中的重金屬含量增加遠(yuǎn)沒(méi)有其他部位明顯。100 mg/L鉻，200 mg/L鉛處理下向日葵地上部鉻、鉛積累量分別為141.2、138.4 μg/株［4］。

2.3 花 生

花生對(duì)鎘、鉛、鉻等重金屬都能富集，但對(duì)鎘的富集系數(shù)最高［4-5，19］。蔡葵等［19］在含0.078 mg/kg 鎘、28.0 mg/kg的鉛、pH值6.3的土壤上進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同品種花生對(duì)重金屬的富集程度不同，對(duì)鎘、鉛的富集量分別為33.78～78.62和142.41～240.18 μg/株；兩種重金屬在根中的富集濃度最高，而在莖葉中的富集量最大。但花生在重金屬污染土壤上生長(zhǎng)，其籽仁重金屬很容易超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此重金屬污染土壤上收獲的花生不建議用作人體植物蛋白的來(lái)源，但可以用來(lái)提取植物油脂。

2.4 大 豆

研究顯示，大豆對(duì)重金屬鎘、鉻、鉛和汞等均具有一定的耐受性和吸附性，各部位對(duì)鎘、鉛的吸收能力表現(xiàn)為：根＞秸稈＞葉＞果實(shí)［4，20-21］。大豆對(duì)鉻具有較高的遷移率，在100 mg/L鉻處理下，遷移率為54.2%，地上部鉻積累量可達(dá)1 533.7 μg/株；大豆對(duì)鉛的積累量較花生少，但比向日葵和蓖麻高，為184.2 μg/株［4］。

2.5 蓖 麻

蓖麻對(duì)鎘、鋅、銅、鉻、鉛等具有較強(qiáng)的耐受性，其生物量隨著重金屬濃度升高而下降。在150～200 mg/kg 鎘、100 mg/L 鉻、200 mg/L 鉛處理下，蓖麻地上部對(duì)鎘、鉻和鉛的富集量分別達(dá)410、54.4、82.3 μg/株［4，22］。

3 微生物-油料作物在重金屬污染耕地修復(fù)中的可行性分析

油料作物具有重金屬富集能力強(qiáng)、生物量大、能加工成健康的植物食用油或生物柴油、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)勢(shì)，因此非常適合應(yīng)用于湖南的重金屬污染耕地修復(fù)。然而，與超積累植物相比較，油料作物對(duì)重金屬的吸附和轉(zhuǎn)運(yùn)性能還有待加強(qiáng)。而微生物作為土壤中非常活躍的生物因子，與植物關(guān)系密切，可協(xié)助植物抵抗重金屬的迫害，促進(jìn)重金屬在植物中的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。Sheng等［23］研究發(fā)現(xiàn)，一批耐鎘土壤微生物和2株油菜內(nèi)生細(xì)菌不僅能促進(jìn)油菜根部和地上部分的生長(zhǎng)，還能分別提高油菜植株對(duì)鎘和鉛的吸收，提高比例分別為16%～74%，59%～131%。Wang等［24］發(fā)現(xiàn)木霉突變株可明顯提高滬油20對(duì)Cd污染土壤的凈化率。楊繼飛等［25］研究發(fā)現(xiàn)菌肥的施用能促進(jìn)玉米、蓖麻、高粱、向日葵等對(duì)鉛的吸收，大大降低土壤鉛含量。因此，進(jìn)一步篩選高效活化重金屬的微生物或油料作物特異的根際微生物和內(nèi)生菌，研究微生物-油料作物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)，摸索油料作物與水稻、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物輪作模式，有望為湖南中重度重金屬污染耕地修復(fù)提供一套可行的模式。

但目前，利用微生物-油料作物修復(fù)重金屬污染土壤依然存在以下難點(diǎn)：（1）與油料作物互作的根際或內(nèi)生、具有重金屬耐受且能有效促進(jìn)作物對(duì)重金屬吸收的功能微生物還有待大批量篩選；（2）收獲的高含量重金屬作物的安全利用途徑有待同步開(kāi)發(fā)。

［1］ 凌 輝，謝水波，唐振平，等. 重金屬污染土壤的修復(fù)方法及其在幾類典型土壤修復(fù)中的應(yīng)用［J］. 四川環(huán)境， 2012，31（1）：118-122.

［2］ Suresh B， Ravishankar G A. Phytoremediation—A novel and prom ising approach for environmental clean-up［J］. Critical Review s in Biotechnology，2004， 24（2-3）：97-124.

［3］ 周振民， 朱彥云. 土壤重金屬污染大生物量植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展［A］. 第三屆全國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］. 天津，中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所， 2009， 468-472.

［4］ 王 帥， 呂金印， 李鷹翔，等. 幾種油料作物對(duì)鉻、鉛的耐受性與積累研究［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（7）：1310-1316.

［5］ 王姍姍， 王顏紅， 張 紅. 鎘脅迫對(duì)花生籽實(shí)品質(zhì)的影響及響應(yīng)機(jī)制［J］. 生態(tài)學(xué)雜志， 2007，26（11）：1761-1765.

［6］ 薛高尚， 胡麗娟， 田 云，等. 微生物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染治理中的研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2012， 28（11）：266-271.

［7］ Sheng X， Xia J， Jiang C， et al. Characterization of heavy metal-resistant endophytic bacteria from rape （Brassica napus） roots and their potential in promoting the Growth and lead accumulation of rape［J］. Environ Pollut， 2008，156（3）：1164-1170.

［8］ 夏娟娟，盛下放，江春玉. 重金屬鎘抗性菌株的篩選及其對(duì)鎘活化作用的研究［J］. 生態(tài)學(xué)雜志， 2005， 24（11）：1357-1360.

［9］ Li H Y， Wei D Q， Shen M， et al. Endophytes and their role in phytoremediation［J］. Fungal Diversity， 2012，54（1）： 11-18.

［10］ 王激清， 茹淑華， 蘇德純. 用于修復(fù)土壤超積累鎘的油菜品種篩選［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003， 8（1）： 67-70.

［11］ 向言詞，官春云，黃 璜，等. 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑IAA、GA和6-BA對(duì)芥菜型油菜和甘藍(lán)型油菜富集鎘的強(qiáng)化［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2010， 31（4）： 504-507.

［12］ 張守文. 重金屬鎘污染土壤的植物修復(fù)研究［D］. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2009.

［13］ 陳亞華， 沈振國(guó)， 宗良綱. EDTA 對(duì) 2 種芥菜型油菜幼苗富集Pb的效應(yīng)［J］. 環(huán)境科學(xué)研究， 2005， 18（1）： 67-71.

［14］ 譚國(guó)湛. 間作及伴隨陰離子肥料對(duì)油菜鎘吸收積累的影響［D］. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2013.

［15］ Su D C， JiaoW P， Zhou M， et al. Can cadm ium uptake by Chinese cabbage be reduced after grow ing Cd-accumulating rapeseed［J］. Pedosphere， 2010，20：90-95.

［16］ Wu F L， Lin D Y， Su D C. The effect of planting oilseed rape and compost application on heavy metal forms in soil and Cd and Pb uptake in rice［J］. AgricSci China， 2011， 10：267-274.

［17］ Yu L L， Zhu J Y， Huang Q Q， et al. Application of arotation system to oilseed rape and rice fields in Cd-contaminated agricultural land to ensure food safety［J］. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2014，108：287-293.

［18］ 于玲玲，朱俊艷，黃青青，等. 油菜-水稻輪作對(duì)作物吸收累積鎘的影響［J］. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2014，37（1）：1-6.

［19］ 蔡 葵，于秋華， 趙征宇，等. 花生對(duì)土壤中鉛和鎘的吸收分配規(guī)律［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)， 2010， 12（3）：119-124.

［20］ 趙本行，陳康姜，何楚斌，等. 大豆作物對(duì)污染土壤中重金屬鎘的富集研究［J］. 天津農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013，19（10）：15-17.

［21］ 王崇臣，王 鵬，黃忠臣. 盆栽玉米和大豆對(duì)鉛、鎘的富集作用研究［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2008， 36（24）：10383，10386.

［22］ 羅瀟陽(yáng). 不同蓖麻品種在鎘脅迫下的耐性和富集特征研究［D］. 成都： 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2013.

［23］ Sheng X F，Xia J J. Improvement of rape （Brassica napus） plant Growth and cadm ium uptake by cadm ium-resistant bacteria［J］. Chemosphere.2006， 64（6）：1036-1042.

［24］ Wang B，Liu L，Gao Y，et al. Improved phytoremediation of oilseed rape （Brassica napus） by Trichodermamutant constructed by restriction enzyme-mediated integration （REM I） in cadm ium polluted soil［J］. Chemosphere.2009，74（10）：1400-1403.

［25］ 楊繼飛，郭卓杰，李 濤，等. 不同肥料不同作物對(duì)鉛污染土壤修復(fù)及酶活性的影響［J］. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013，41（12）： 1347-1349，1375.

（責(zé)任編輯：賀 藝）

Study on M icroorganism-Oil Crops Com bined Rem ediation Technology in Heavy M etals Contam inated Cultivated Land

LEI Ping
（Hunan Institute of Microbiology， Changsha 410009， PRC）

Heavy metal contam ination has been the environmental problems with the most polluted areas and greatest harm. As the most active biological factor in soil， m icroorganism can help p lants resist the toxicity by high concentration of heavy metals， and increase the uptake of heavy metals by plant. And oil crops always exhibit strong accumulation capability to heavy metals and high economic value. Both of microorganism and oil crops showed more and more important position on soil remediation. This paper w ill describe the research progress of m icroorganism and oil crops， as oil rape， sunf ow er， peanut， soybean， Ricinus communis L.，etc.， on the remediation of soil contaminated with heavy metals， and discuss the probability of the combined remediation of both microorganism and oil crops.

microorganism； oil crops； heavy metal contamination； cultivated land

X53

A

1006-060X（2016）09-0121-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.09.032

2016-07-05

農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部“長(zhǎng)株潭”耕地重金屬污染修復(fù)及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整子項(xiàng)目（農(nóng)辦財(cái)函［2016］6號(hào)）

雷 平（1965-），男，湖南常德市人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)微生物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。