曾 星，李偉亞，陳 章，陳國梁，陳遠其，李志賢,4

（1. 湖南科技大學生命科學學院，湖南 湘潭 411201；2. 中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；3. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；4. 湖南景翌湘臺環(huán)保高新技術開發(fā)有限公司，湖南 湘潭 411201）

重金屬污染物排放和擴散進入環(huán)境，從而造成環(huán)境污染日趨嚴重。據(jù)統(tǒng)計我國19.4%的耕地受到鎘、銅、汞、鉛等重金屬污染，污染耕地總面積達 2.3 × 107hm2[1]。而土壤重金屬污染中，以鎘污染最為嚴重[2]，鎘是公認的毒性較大的非必需金屬元素之一，它能夠被作物吸收，并在地上部(包括可食用部位)進行積累，從而對動物及人類的健康構成威脅[3]，鎘污染土壤的植物修復治理迫在眉睫。

植物修復是利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)、轉化和降解等作用來清除污染環(huán)境中的污染物質，與物理和化學途徑相比，植物修復手段更廉價、高效，且對環(huán)境的副作用少，其修復模式包括植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和植物降解4種[4]，其中植物提取是利用植物對重金屬的吸收，通過收獲地上部來達到降低土壤重金屬濃度的目的，是解決重金屬污染問題的理想途徑之一，已在學術界及相應的應用領域得到廣泛認可[4]。植物長期生長在重金屬污染的生境中，面臨非生物脅迫，逐漸進化成不同的生態(tài)型，一般可篩選其中適應性強的生態(tài)型作為植物修復材料[5]。目前國內外發(fā)現(xiàn)的各類超富集植物有700多種[6]，鎘的超富集植物也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如東南景天(Sedum alfredii)、寶山堇菜(Viola baoshannensis)、油菜 (Brassica campestris)和龍葵 (Solanum nigrum)鎘的吸附分別達 893、1 168、120和 291 mg·kg-1[5-8]。龍葵作為新近發(fā)現(xiàn)超富集鎘典型的植物，因其繁殖能力強、生長迅速、生物量大而備受關注，目前已有其對重金屬鎘的吸收富集機制及重金屬鎘污染修復效果等一系列的研究。為此，本文系統(tǒng)綜述龍葵對重金屬鎘的耐性、吸收、轉運及解毒機制，闡明龍葵研究過程中存在的問題，并對其研究前景和方向作了簡要分析。

1 龍葵對鎘的吸收和分配

1.1 龍葵對鎘的富集特性

龍葵為茄科茄屬一年生草本植物，別名黑茄子、野葡萄、苦葵、扣子菜、天淪草等。龍葵廣布于世界各地，在鎘含量嚴重超標的根際土壤中，龍葵對鎘的生物累積因子為0.36，根中最高鎘含量達 91.9 mg·kg-1，葉片中最高鎘含量達 145.9 mg·kg-1，遠超過鎘超量積累植物標準的100 mg·kg-1[9-10]，對鎘表現(xiàn)出顯著的富集效果。

龍葵不僅對單一鎘污染的土壤有很好的治理效果，對于鎘復合重金屬污染的土壤也有一定的修復效果。Yu等[11]報道了在鎘復合重金屬(Pb、Cu、Zn)污染土壤中龍葵對鎘的植物修復效果并沒有被抑制，相反龍葵的高度、鮮重、干重都有一定程度的增加，而且龍葵的生物量積累系數(shù)比單一鎘處理條件下高。Sun等[12]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，在鎘和砷的復合處理條件下，施用 10 mg·kg-1鎘和 50 mg·kg-1砷處理的龍葵的高度和嫩芽與10 mg·kg-1單一鎘處理條件下沒有顯著差異。熊國煥等[13]提出龍葵在單作條件下地上部對鉛、鎘、砷吸收量很大，表明龍葵對鉛、鎘、砷復合重金屬污染的土壤有一定的修復能力，但不適合高濃度復合污染的土壤。于彩蓮[14]也發(fā)現(xiàn)銅、鉛、鎘、鋅復合重金屬污染的土壤促進了龍葵的生長，而且，龍葵對這4種重金屬均有一定的富集能力。

1.2 龍葵對鎘的吸收和運轉

鎘在土壤中有水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、硅酸態(tài)等多種形態(tài)，其中水溶態(tài)和可交換態(tài)為植物有效態(tài)，容易被植物吸收和利用[15]。土壤中的鎘轉移進入龍葵體內各組織器官主要依靠共質體和質外體兩種運輸途徑[16]，其運輸過程如圖1所示。

由于木質部細胞壁上的陽離子具有很強的交換能力，因此螯合肽的鎘離子通常比游離態(tài)的鎘離子具有更強的運轉能力。鎘在植物體內的長距離運輸速率為 0.35～0.60 m·h-1[17]，而且運輸速率與植物自身的生長和代謝活躍程度有關。在木質部運輸?shù)逆k離子可以跨膜卸載進入韌皮部，或者卸載進入葉片中進行運輸、積累和分布[18]。植物地上部分的鎘含量會隨著土壤中鎘濃度的增加而增加，但達到一定程度后就不再升高[19-20]。李志賢等[21]研究表明，土壤鎘污染濃度為10 mg·kg-1時，龍葵地上部的鎘含量達到最大，為30.92 mg·kg-1，當土壤鎘污染濃度繼續(xù)增加至20 mg·kg-1時，龍葵地上部的鎘含量反而下降，而且過度鎘污染土壤中，龍葵對土壤鎘的富集能力和向地上部的轉移能力也會顯著下降。

圖1 重金屬離子在龍葵體內的運輸Figure 1 Transport of cadmium in Solanum nigrum

1.3 鎘在龍葵體內的分配

龍葵莖和葉中鎘含量都超過了超積累植物應達到的臨界含量標準100 μg·g-1，而且鎘在龍葵體內的分布呈現(xiàn)葉片＞莖＞根＞籽實的特征，龍葵吸收土壤的重金屬鎘主要累積于地上部[21]。在細胞中，細胞壁是鎘在龍葵葉片最主要的分布位點，其次是細胞質可溶部分(以液泡為主)，-而在包含細胞最重要的光合作用和呼吸作用場所 葉綠素和線粒體在內的細胞器組分中分布的含量相對很少[22]。同時，鎘在龍葵不同葉位葉片中的亞細胞分布模式基本相同，主要分布在細胞壁，其次是細胞質可溶部分，在細胞器組分的分布較少。提高鎘處理水平，鎘向葉片細胞壁和細胞器的分配比例同時增加，而向細胞質可溶部分的分配比例相對減少 (表1)[23]。

1.4 鎘對龍葵生長的影響

在鎘污染土壤中，大量鎘的存在會對龍葵的生長發(fā)育、生理特性產生顯著影響。王坤等[24]發(fā)現(xiàn)在同一質地和碳氮比下，隨著外源添加鎘含量增加，粘土、砂土中龍葵地上、地下部鎘含量表現(xiàn)為先增后降趨勢，而壤土中龍葵地上、地下部鎘含量呈增加趨勢，當外源鎘投加量大于20 mg·kg-1時對龍葵生長產生一定的抑制作用。Wei等[25]對龍葵進行不同濃度梯度的鎘處理，而龍葵的根長、根表面積及根體積沒有顯著降低，這表明龍葵地下部對鎘的響應不敏感，而且龍葵對鎘的耐受性與其根部特性顯著相關。Wang等[26]又發(fā)現(xiàn)在低濃度鎘污染下龍葵的生長和氮代謝指標正常，在高濃度鎘污染下龍葵的生長和氮代謝指標顯著降低。Sun等[27]報道了土壤中鎘的濃度對龍葵葉片中有機酸的影響，結果表明土壤中總鎘的濃度和水溶態(tài)鎘的濃度與葉片中醋酸和檸檬酸的濃度存在顯著的正相關關系。由此表明，高濃度的鎘污染主要是通過影響龍葵地上部的代謝生理指標抑制其干物質積累及生長。

2 龍葵對鎘的耐性與解毒機制

2.1 根系分泌物對龍葵根際鎘的活化作用

植物根系分泌是植物根系最重要的代謝特征，根系分泌物不僅為微生物提供能源，還能與重金屬形成配位化合物，并影響根際pH和氧化還原電位(Eh)環(huán)境[20]。相關學者[28-31]報道，植物根系分泌的低分子量有機酸可以與土壤中的鎘螯合形成“鎘-低分子量有機酸”復合物，從而促進了土壤中鎘的釋放和植物對鎘的吸收。龍葵在生長過程中根際會分泌大量有機酸、氨基酸等物質，這些根系分泌物可能會通過直接改變根際土壤重金屬形態(tài)，或者通過對根際pH的影響來促進龍葵對鎘的積累[32]。

2.2 龍葵根際微生物對鎘形態(tài)的影響

土壤微生物可以通過釋放金屬螯合劑提高金屬的生物有效性，如鐵載體、有機酸和酚類物質能夠解吸土壤顆粒吸附的重金屬使其容易被植物吸收富集[33]。龍葵根際土壤中聚居著的微生物包括細菌、放線菌、真菌、藻、原生動物和病毒，它們的存在能夠改變土壤的肥力，影響植物根際環(huán)境的pH和Eh，對植物養(yǎng)分的轉化起著極為重要的作用，并且影響重金屬的形態(tài)及吸收[34]。不同鎘污染土壤中栽培龍葵，對其根際土壤微生物群落影響不同。叢建民等[35]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中鎘含量在0～75 mg·kg-1時，促進龍葵根際土真菌、反硝化細菌、亞硝酸細菌菌落數(shù)增加，細菌和放線菌則沒有明顯的促進或抑制作用。當土壤中鎘離子含量高于175 mg·kg-1時，龍葵根際土的細菌、真菌、放線菌、反硝化細菌、亞硝酸細菌的生長都受到抑制。前者促進龍葵對鎘的吸收富集，而后者則阻礙龍葵的生長及對鎘從地下部向地上部分的遷移。毛亮等[36]研究表明，龍葵根際分離的淡紫擬青霉菌可明顯增加龍葵根、葉鎘總提取量35.5%，這可能因為淡紫擬青霉菌對結合態(tài)的鎘具有較高溶解性，使土壤中有效態(tài)的鎘增加，促進了龍葵對鎘的吸收。

表1 鎘在龍葵體內的分布Table 1 Distribution of the heavy metal cadmium in Solanum nigrum

2.3 龍葵對鎘的生理響應

龍葵對鎘的耐受、吸收、轉化，源于鎘脅迫下龍葵自身產生的一些生理變化。在鎘脅迫下，龍葵根際產生根部螯合作用以及區(qū)隔化。鎘首先通過根部細胞的細胞壁進入，細胞壁中含有蛋白質、多糖、羥基、羧基等基團[32]，易與鎘離子配位結合，形成螯合物或沉淀。進入細胞中的鎘被轉運到液泡中儲藏起來，液泡中含有有機酸、蛋白質等物質，它們能與鎘離子結合，使鎘離子在細胞中區(qū)隔化，減輕鎘離子對龍葵細胞的危害。鎘進入根際細胞之后，會通過龍葵的轉運機制，將根際中的鎘離子轉運到地上部，這個過程中需要特殊的轉運蛋白來實現(xiàn)[37]。鎘離子進入地上部細胞后，在細胞中也會出現(xiàn)鎘的螯合與區(qū)隔化，其過程與根部的螯合與區(qū)隔化相似。地上部鎘的螯合與區(qū)隔化提高了植物對鎘的耐受性。

鎘脅迫能導致龍葵產生大量的活性氧(ROS)自由基，包括超氧陰離子自由基(O2-)、過氧化氫(H2O2)和羥自由基(-OH)等[20, 32]，還可能引起細胞過氧化反應，造成氧脅迫，并產生過多的丙二醛(MDA)，損傷龍葵的DNA、膜蛋白等，對植物細胞產生傷害[38]。龍葵本身為減輕氧脅迫，會產生抗氧化系統(tǒng)，控制自由氧的含量。當自由氧的含量較高時，龍葵會產生超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GR)、過氧化物酶(POD)等抗氧化酶維持氧平衡，除此之外，龍葵也會產生還原型谷胱甘肽(GSH)、還原型抗壞血酸(ASA)等抗氧化保護物質，與抗氧化酶共同作用維持氧平衡[39]。在鎘脅迫作用下，龍葵中與鎘離子轉運、吸收有關的基因也將得到表達，如龍葵中金屬硫蛋白能夠與鎘結合，降低鎘對植物的毒性，在鎘含量較高時，龍葵中的金屬硫蛋白基因得到表達[10,22]。

3 龍葵對污染土壤的修復應用

3.1 龍葵對鎘污染土壤的聯(lián)合修復應用

由于植物生長較慢且個體生物量小，其生長過程受環(huán)境影響較大，因此植物修復在重金屬污染方面的應用受到限制[40]。近年來的研究表明，對于受到重金屬污染的環(huán)境，聯(lián)合修復系統(tǒng)具有比單一植物體更高的重金屬去除率和修復植物生物量，可以有效地改善重金屬污染土地的修復效果[41]。目前，用于龍葵聯(lián)合修復鎘污染土壤的技術主要有添加劑、農藝措施和微生物菌劑3種(表2)。

3.1.1 添加劑對龍葵修復能力的影響

龍葵對土壤鎘污染的修復受很多因素的影響，在龍葵修復過程中，可通過添加一些外源物質提高龍葵的修復效率，如有機酸、螯合劑等。Sun等[42]研究螯合劑EDTA(乙二胺四乙酸)對龍葵幼苗期、開花期、成熟期積累鎘的影響，結果表明0.1 g·kg-1的EDTA為最有效的處理，能有效緩解高濃度鎘對龍葵的毒害作用，且在開花期龍葵的高度、地上部分生物量、鎘的積累量達到最大值。Ji等[43]在室溫條件下利用人造污染土研究赤霉酸對龍葵吸收鎘的影響，試驗設置了 10、100和 1 000 mg·L-13個梯度，結果表明當赤霉酸濃度為 1 000 mg·L-1時能顯著提高龍葵生物量，增加龍葵地上部Cd的含量。于彩蓮[14]發(fā)現(xiàn)DA-6(二烷氨基乙醇羧酸酯)浸種和葉面噴施增加了龍葵成熟期地上部分的干重，增加了總鎘的積累量，降低了苗期和成熟期龍葵葉片中的丙二醛含量，增強了苗期葉片中過氧化物酶活性，降低了成熟期葉片中過氧化物酶活性。在苗期、花期和成熟期，DA-6處理的葉綠素值(SPAD)都有增加趨勢。王坤等[15]提出有機質和螯合劑均能提高龍葵對鎘的富集，在對同一濃度鎘進行處理時，吸收效果 EDTA ＞ EDDS ＞ 對照組。楊傳杰等[44]報道了在盆栽試驗條件下，外源半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸的組合處理能有效提高龍葵對鎘-多環(huán)芳烴復合污染土壤的修復能力。熊國煥等[45]通過室內土培試驗發(fā)現(xiàn)外源螯合劑EDDS(乙二胺二琥珀酸)、NTA(氨三乙酸)和EDTA能提高龍葵對鉛、鎘和砷的吸收。

表2 龍葵對鎘污染土壤的聯(lián)合修復方法Table 2 Combined remediation of Solanum nigrum in cadmium contaminated soil

3.1.2 農藝措施對龍葵修復能力的影響

在鎘污染土壤的植物修復中，一些農藝措施被用于提高龍葵對土壤重金屬污染修復的修復效率。Wei等[46]發(fā)現(xiàn)施用肥料對龍葵修復鎘污染土壤有一定的影響，尿素通過增加龍葵的生物量增強鎘的植物提取率；有機肥雞糞能減少土壤中可利用的鎘含量。Ji等[47]報道了種植密度影響龍葵的生物量從而影響鎘的積累量；兩次收獲，選擇合適的剪切位置能促進龍葵對鎘的吸收；雙作能顯著的提高龍葵對鎘的積累。Wei等[48]提出在龍葵開花期收獲，其鎘的遷移量是成熟期的87.5%，莖和葉的干重是成熟期干重的93.4%，并提出在龍葵開花階段多次收獲可提高龍葵對鎘的積累。王效國[49]通過大豆(Glycine max)與龍葵間作發(fā)現(xiàn)兩者間作在一定程度上能緩解鎘對大豆的毒害作用，促進大豆與龍葵的生長，而且在一定程度上促進了龍葵對鎘的吸收。湯福義等[50]應用盆栽試驗將番茄(Lycopersicon esculentum)、茄子 (Solanum melongena)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)與龍葵嫁接并與小白菜(Brassica campestris)混種，在鎘脅迫條件下，混種小白菜后能提高番茄嫁接的龍葵地上部的生物量以及地上部鎘的積累量。熊國煥等[45]報道了大葉井口邊草(Pteris nervosa)與龍葵間作對鉛、鎘、砷復合重金屬污染土壤的修復效果，在間作條件下龍葵對鎘的富集能力得到顯著提高，間作也提高了復合重金屬污染土壤的修復效率。

3.1.3 微生物菌劑對龍葵修復能力的影響

龍葵富集土壤中的鎘受根際環(huán)境的影響，根際土壤中的微生物對龍葵的富集效應有一定的促進作用，外源加入的一些細菌、真菌等微生物菌劑對龍葵的修復也有很好的效果。Liu等[51]通過溫室盆栽試驗發(fā)現(xiàn)地表球囊霉菌的侵染能夠增強土壤中酸性磷酸酶的活性進而提高植物對磷的吸收，促進龍葵在鎘污染土壤中的生長。Jiang等[52]發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌的侵染能提高過氧化氫酶、抗壞血酸、過氧化物酶、過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶的活性，從而緩解鎘脅迫產生的氧化作用對龍葵的危害，提高龍葵對土壤中鎘的吸收。Abdur等[53]提出內生真菌菌株RSF-6L接種于龍葵植物體內能降低過氧化物酶、多酚氧化物酶的活性，提高過氧化氫酶的活性來保護宿主植物，從而提高龍葵的耐受性。Gao等[54]發(fā)現(xiàn)檸檬酸和淡紫色擬青霉菌的協(xié)同作用能更顯著地促進龍葵的生長，增強龍葵的抗氧化機制，從而提高龍葵對鎘的耐受性。Luo等[55]報道了龍葵的內生細菌LRE07的存在對重金屬、可溶性磷酸鹽的毒害有一定的抗性，并能產生吲哚乙酸、鐵載體，促進龍葵的生長。Shi等[56]將鎘的耐受型菌株ZGKD5或ZGKD2接種于龍葵，這兩種菌株均能產生吲哚乙酸、鐵載體、氨、生物表面活性劑、溶解性磷酸鹽、固氮機制，顯著增加龍葵的株高、根長、纖維狀根的數(shù)量、干重，而且還能提高SOD、POD、CAT、APX等的活性，提高龍葵在鎘脅迫下的抗氧化能力，促進龍葵對鎘的積累。Abdur等[57]發(fā)現(xiàn)龍葵內生細菌沙雷氏菌RSC-14的接種能緩解鎘的毒性，顯著促進龍葵根部和地上部的生長，提高龍葵的生物量、葉綠素的含量，降低丙二醛以及電解質的含量，提高龍葵的抗氧化能力，增強對土壤中鎘的植物吸收能力。黃文[58]通過盆栽試驗驗證了接種菌株LKS06在促進龍葵生長的同時顯著地提高了對鎘的富集能力，利用微生物與植物的協(xié)同作用來提高植物修復效率。劉莉華等[59]研究兩株奇異變形桿菌TL3和DBS2對龍葵積累鎘的影響，試驗中分別接種TL3、DBS2及TL3與DBS2混菌的培養(yǎng)液，3種培養(yǎng)液均能提升龍葵對鎘的積累，促進龍葵植株的生長，且二者的混菌效果最好。

3.2 品種改良對龍葵修復能力的影響

Lin等[60]將來自兩個不同氣候生態(tài)區(qū)的龍葵幼苗進行雜交，得到的雜交產物的生物量以及對鎘的積累量高于母本，表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢，雜交的龍葵能更有效地提高對鎘污染土壤的修復能力。林立金[61]對少花龍葵進行不嫁接(UG)、自根同株嫁接(SG)、自根異株嫁接(DG)、馬鈴薯砧木嫁接(PG)等處理，與UG相比，SG、DG均提高了龍葵植株中鎘含量，而PG降低了鎘含量。

4 龍葵修復鎘污染土壤的展望

目前應用龍葵對鎘污染土壤進行治理，主要是利用了龍葵對鎘的耐受和富集特性，未來對于龍葵的研究側重點應在提高龍葵對土壤中鎘的固定、吸收等方面，緩解鎘對農田土壤的危害。具體從以下幾方面著手：1)探究環(huán)境條件對龍葵植物修復的影響；2)研究農藝措施結合植物修復對龍葵富集鎘的機理；3)研發(fā)有利于龍葵修復效率的新型螯合劑；4)研發(fā)復合菌劑，增強龍葵的植物修復能力；5)通過雜交、嫁接等方法培育鎘吸收能力強的新品種。