龍良俊，張曉婭，羅晶晶，劉方

(重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067)

土壤中的鎘(Cd)富集分為人為來源和自然來源。通常，人為來源主要是農(nóng)藥、制造、車輛排放、灌溉廢水、冶煉和采礦[1]，而巖石的地質(zhì)風(fēng)化是鎘污染物的主要自然來源[2]。據(jù)報道，鎘毒性可通過各種方式破壞人與動物的生理健康[3]。因此，對受污染的城市和農(nóng)業(yè)用地進行經(jīng)濟有效的補救是對可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展前景的迫切需求。目前，已經(jīng)采用了不同的方法，例如生物、化學(xué)和物理方法，以修復(fù)土壤中的重金屬污染物。由于各方面限制，存在較多問題。

目前，植物修復(fù)是一種經(jīng)濟有效且環(huán)保的土壤修復(fù)技術(shù)。但是，由于植物修復(fù)仍處于調(diào)查和進展階段，因此仍需花費大量時間才能取得豐碩的成果，并且必須克服一些技術(shù)障礙。

1 鎘毒性對植物的危害

鎘對植物生長和代謝的危害因植物種類而異。植物中的鎘濃度是土壤中鎘含量的直接函數(shù)。生長培養(yǎng)基中鎘濃度的增加導(dǎo)致其在植物不同部位的積累隨后增加[4]。即使微量存在，也可能改變植物的生長和代謝。其他幾項研究報道，與芽相比，小麥幼苗根中鎘的積累較高[5]。

在一些研究中，鎘的毒性與根部干物質(zhì)積累有關(guān)，會使它們變黑，并導(dǎo)致側(cè)根生長減少。水稻植株還具有成熟的質(zhì)外體途徑，與根系發(fā)育相關(guān)，孔隙率提高，每單位表面積的根尖很少。在柑橘屬中，幼苗萎黃變黃，隨后在氯化鎘(CdCl2)處理下最終死亡[6]。相比之下，據(jù)報道番茄植株可短期暴露于高濃度(250 μmol/L)的CdCl2中[7]。胡蘿卜和蘿卜中鎘暴露量的增加由于根中鎘積累的增加而顯著抑制了自由基的產(chǎn)生。此外，在鎘脅迫下的香菜幼苗中發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)高的金屬濃度，但植物沒有顯示任何視覺脅迫癥狀[8]。

高濃度的鎘對植物生長的形態(tài)，生化和生理影響更為明顯。對番茄的形態(tài)生理生長參數(shù)的評估表明，在高鎘濃度下，根冠生長以相對速率下降，這可能歸因于吸收減少，幼苗中的水分含量降低。文獻表明，鎘脅迫減少了小麥、豌豆、黃麻和小白菊的根冠長度[9]。

Wu等描述了通過施用鎘增加凈光合作用速率，這轉(zhuǎn)化為凈生物量的增加[10]。相反，據(jù)報道，鎘的毒性會通過降低水分利用效率(WUE)和光合作用的凈速率來抑制植物的生長[11]。在鎘脅迫下，觀察到雌性楊樹的葉面積和干重明顯減少。相反，在鎘脅迫的番茄和黃瓜中已經(jīng)報道了生長抑制和光合性能受到干擾。進一步報道了鎘暴露會降低油菜的氣孔導(dǎo)度和光合作用的凈速率[12]。

鎘的毒性也影響植物的質(zhì)膜，這可能歸因于電解質(zhì)的泄漏，以及諸如H-ATPase抑制作用的膜蛋白[7]。并且，鎘毒性會影響DNA修復(fù)系統(tǒng)。因此，在菜豆和豌豆中，由于直接施用鎘，基因組模板的穩(wěn)定性明顯降低[13]。

響應(yīng)于鎘誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激而產(chǎn)生的活性氧(ROS)會影響電子的傳輸并將電子泄漏至分子氧[14]。發(fā)現(xiàn)鎘的高劑量對花生有毒，其特征是在細(xì)胞質(zhì)中ROS的產(chǎn)生和積累。而且，它破壞了質(zhì)膜的完整性和選擇性轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)胞中的金屬轉(zhuǎn)運。此外，暴露于鎘的小麥幼苗中ROS的過量生產(chǎn)，以過氧化氫(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量增加為特征，與遺傳毒性有關(guān)[15]。作為無柄植物，植物試圖通過采取各種防御機制來躲避其有害作用，這些機制包括抗氧化劑激活和金屬穩(wěn)態(tài)的其他機制。作為響應(yīng)，植物已經(jīng)開發(fā)了酶促和非酶促抗氧化劑機制。發(fā)現(xiàn)芥菜中過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和過氧化物酶(POD)的活性增強，可對抗鎘的脅迫[16]。在另一項研究中，谷氨酸介導(dǎo)的鎘毒性緩解減輕了ROS誘導(dǎo)的膜脂質(zhì)過氧化，金屬吸收和向水稻新芽的轉(zhuǎn)運，并改善了葉綠素的生物合成。

2 植物修復(fù)過程及其顯著特征

植物修復(fù)是指植物對環(huán)境的生物清潔。植物與微生物具有共生關(guān)系，有助于土壤的修復(fù)，特別是重金屬和有機污染物的修復(fù)。植物修復(fù)由于其對重金屬的卓越的去污能力以及對環(huán)境的二次廢物流入量最小，因此通常被認(rèn)為是綠色技術(shù)。另外，植物修復(fù)由于其易于應(yīng)用、成本低廉和環(huán)境友好的性質(zhì)而被公眾高度接受。但是，在參與植物修復(fù)過程的植物中觀察到了阻礙生長的活動，例如生物量減少和對鎘的敏感性增加。

植物修復(fù)涉及各種過程，例如植物提取、植物蓄積、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和植物轉(zhuǎn)化。植物提取和植物積累過程共同起作用。例如，在植物提取過程中，植物從土壤中吸收了重金屬，例如鎘、鋅、鎳、鉻以及其他礦物質(zhì)和養(yǎng)分。之后，這些元素借助植物蓄積機制在芽和葉中積累。以前已經(jīng)報道了許多植物物種的高蓄積能力，它們都具有植物修復(fù)的潛力。

在鎘的植物修復(fù)中，通常將植物吸收或轉(zhuǎn)移到可收獲的植物部位中。植物已經(jīng)進化出許多不同的適應(yīng)性，即使在高鎘污染的土壤下也能保持正常生長，這也包括解毒機制。植物部位的鎘含量呈現(xiàn)的趨勢：根>莖>葉[17]。許多技術(shù)被用于提高鎘植物修復(fù)的效率。

2.1 植物提取

該技術(shù)用于通過莖和根吸收無機和有機污染物。該技術(shù)應(yīng)選擇已在生態(tài)系統(tǒng)中生長的植物。收獲后，將它們暴露于另一種稱為合成的方法中，或在焚化爐中燃燒。超積累家族，如玄參科、唇形科、菊科、大戟科和十字花科，對于該技術(shù)是必不可少的。此外，一些特定的植物物種，如雞冠花、柳木、阿拉西亞草、豆、茄屬茄子、苦瓜、煙草、雞眼草和大葉桃花心木可用作增加鎘植物提取過程的潛在植物選擇[18]。此外，植物提取的一個細(xì)分部分，稱為螯合物輔助植物提取，也可以用作沒有過度積累物種的可能解決方案。幾種氨基多元羧酸和螯合劑已應(yīng)用于土壤，以增加微量元素的溶解度。例如，F(xiàn)arid等優(yōu)選EDTA輔助的鎘的植物提取[19]。

植物提取可通過改善基質(zhì)地球化學(xué)來幫助降低準(zhǔn)金屬的毒性，以供將來本地植物定殖。這是一種有效的、可負(fù)擔(dān)的、環(huán)境友好的、具有潛在成本效益的土壤修復(fù)技術(shù)。盡管植物提取具有公認(rèn)的優(yōu)點，但也有一些缺點，如修復(fù)高污染土壤所需的時間可能是幾十年，并且對礦山廢物的使用存在限制。大多數(shù)情況下，高蓄能植物已開發(fā)出僅累積一種金屬，并且可能對其他元素的存在敏感的植物。

2.2 植物穩(wěn)定化

從植物提取到植物穩(wěn)定化已經(jīng)有了進步。植物穩(wěn)定化是指植物通過與生物分子結(jié)合來存儲和固定重金屬的能力。此過程可阻止金屬的運輸，并將其轉(zhuǎn)化為毒性較小的物質(zhì)。在受污染的土壤上生長的大多數(shù)植物不是超蓄積性的，而是作為排斥物。排斥物將金屬和準(zhǔn)金屬轉(zhuǎn)化為毒性較小的移動形式，而無需從土壤中提取它們，并且通過根際內(nèi)的吸收或沉淀將這些化合物積累在根中。最近，已有文獻報道紫羅蘭對鎘的植物穩(wěn)定作用具有令人期待的結(jié)果[20]。同樣，巨芒、燕麥和白芥末也具有鎘的植物穩(wěn)定潛力[21]。在另一個例子中，據(jù)報道，F(xiàn)e-Si-Ca、有機肥料和椰子殼生物炭的假定作用增強了苧麻對鎘的植物穩(wěn)定能力[22]。

植物穩(wěn)定化是一種新興的生態(tài)友好型植物技術(shù)，可以固定環(huán)境毒素。根系參與植物的穩(wěn)定，因此植物的金屬利用率降低，從而減少了對其他熱帶環(huán)境的暴露。同時，主要的缺點是污染物殘留在土壤或根系中，通常在根際中。

2.3 植物過濾

植物過濾被歸類為根濾，包括胚濾(使用幼苗)和鈣濾(使用離體植物)[23]。根際過濾是對水的修復(fù)，其中根可以有效吸收污染物。在根際過濾中，污染物附著或吸收到根部，并可以被運輸?shù)街参镏?。該方法主要用于對地下廢物或污水進行消毒。大部分放射性物質(zhì)或金屬通過這種方法去除。Abhilash等通過使用黃檸檬作為實驗植物來增加水中的鎘吸收[24]。Islam等報告了矮嬰淚草的植物過濾能力，可從水培系統(tǒng)中去除鎘和砷[25]。在另一個實驗中，竹葉蕉的根濾潛力具有去除鋅和鎘的能力，并建議使用根濾技術(shù)消除鎘。

這是一種經(jīng)濟高效的技術(shù)，植物充當(dāng)太陽能驅(qū)動的泵，從環(huán)境中提取污染物。但是，不會提取低于生根深度的任何污染物。這是一項耗時的技術(shù)，無法同時提取有機污染物和金屬污染物。

2.4 植物刺激

植物刺激是通過刺激根釋放的化合物以增強微生物活性來促進植物修復(fù)過程的技術(shù)。這些分泌物通過滿足其營養(yǎng)需求來促進微生物生長。根治技術(shù)中正在使用此過程，這是一種去除鎘和其他有機化合物的低成本技術(shù)[26]。另一種方法是將抗微生物接種劑添加到土壤中，這可能導(dǎo)致包括鎘在內(nèi)的重金屬的積累。

這是將有毒污染物轉(zhuǎn)化為無毒化學(xué)品的更有效技術(shù)。原位和異位實踐都可以通過低成本的治療方法來完成[27]。微生物能夠幫助限制植物病原體的生長并提高固氮能力。但是，這是一項更耗時的技術(shù)，易地使用揮發(fā)性和可生物降解的化合物并非易事。該過程對土壤中的毒性水平敏感，在某些情況下，觀察到有機化合物不完全分解。此外，該技術(shù)需要良好的監(jiān)督機制。

3 植物修復(fù)對土壤中鎘去除的影響

鎘污染土壤的植物修復(fù)已在世界范圍內(nèi)引起嚴(yán)重關(guān)注。在植物修復(fù)中，高蓄積植物尤為重要，因為它們能從土壤中吸收鎘。不同植物從土壤中提取鎘的能力各不相同。在提取過程中，鎘的親和力低，并且具有流動性[28]。鎘在土壤中的流動性使植物很容易從土壤中提取鎘，然后將其從根部運輸?shù)降厣喜糠帧４龠M鎘處理的一些因素是pH、溫度和土壤中其他重金屬的存在。例如，在野外條件下測試了香樟、假單胞菌、康乃馨和煙草，這些植物生長土壤都被鎘嚴(yán)重污染。然而，所有測試過的高蓄積植物都顯著降低了土壤中的鎘濃度[29]。

4 螯合物輔助的鎘植物修復(fù)

因植物提取技術(shù)的局限性，螯合劑的使用被認(rèn)為是對其他傳統(tǒng)方法進行污染土壤修復(fù)的合適替代方法[30]。通常，螯合劑之所以被稱為刺激螯合劑，是因它能將二價和三價陽離子金屬釋放到土壤水中以增強其在植物根部的吸收。它們分為三類：①合成氨基多元羧酸(APCA)，例如EDTA、乙二醇四乙酸(EGTA)和十二烷基硫酸鈉(SDS)；②天然氨基多元羧酸，包括S，S-乙二胺二琥珀酸(EDDS)和腈三乙酸(NTA)；③含有草酸(OA)、檸檬酸(CA)和酒石酸(TA)的低分子量有機酸(LMWOA)[31]。

已經(jīng)對EDTA進行了一些植物提取研究，認(rèn)為EDTA是能對污染水和污染土壤進行有效的重金屬提取的螯合劑。在一些研究中，已經(jīng)報道了在污染土壤中使用EDTA會導(dǎo)致植物生長在地面部分的鎘積累升高[32]。由于穩(wěn)定的EDTA-金屬絡(luò)合物在土壤水中具有長期持久性，因此引起了人們對土壤金屬陽離子的淋溶和地下水污染以及對根際微生物的不利影響的擔(dān)憂。因此，提出了天然螯合劑，例如EDDS，作為可生物降解的螯合劑，替代EDTA[30]。與EDTA相比，使用EDDS可以減少金屬的浸出，但不能完全防止它的浸出。例如，Evangelou等描述EDDS的半衰期取決于添加到土壤中的EDDS的劑量，在4.2～6.6 d之間，小于EDTA；但是，有鎘和銅的浸出[33]。APCA螯合物有助于增加鎘在土壤中的溶解度和有效的植物提取作用，但對消除鎘沒有作用。已建議在鎘污染的土壤中添加低劑量的LMWOA，作為其他螯合劑進行植物修復(fù)的合適替代方法，通過①形成可溶性有機酸-鎘復(fù)合物；②為存在于根際的微生物提供碳源并增加其多樣性；③修改土壤質(zhì)量；④高度的生物降解性和低浸出風(fēng)險；⑤并且還改善了土壤酸度，從而提高了鎘離子在土壤水中的溶解度。

通常，在土壤中使用螯合劑，會降低植物的生長和生物量，以及對土壤質(zhì)量造成不利的影響[34]。此外，一些研究已經(jīng)報道了EDTA可以提高鎘在土壤中的遷移率以及其被根部吸收的能力，盡管EDTA不能克服鎘從根部轉(zhuǎn)移到枝條的限制[35]。由于吸收的EDTA-Cd復(fù)合物通過質(zhì)外途徑移動，而凱氏帶和木栓質(zhì)沉積的存在破壞了該復(fù)合物從根部向空中部分的轉(zhuǎn)移，因此在根部積累的鎘比空中部分要多[36]。盡管螯合劑增加了土壤中可溶性鎘的含量，但考慮到土壤中鈣和鐵的含量較高以及它們與這些螯合劑的競爭，必須使更多的螯合劑進入土壤才能與鎘結(jié)合。另一方面，植物僅能吸收一小部分可溶性鎘，大量的可溶性鎘螯合絡(luò)合物仍然存在于土壤中[37]。值得注意的是，鎘螯合物在很寬的pH范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的，不可避免地會浸出，它可能進入地下水并受到污染。

5 利用微生物進行鎘的植物修復(fù)

重金屬從不可用形式向可用形式的轉(zhuǎn)化是決定植物修復(fù)命運的重要因素。據(jù)報道，許多微生物通過將鎘分解到土壤中并使植物吸收鎘來啟動鎘的植物修復(fù)。不同種類的微生物(細(xì)菌和真菌)在鎘植物修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，通過激活各種機制并產(chǎn)生不同的化合物，例如鐵載體、有機酸、聚合物質(zhì)、生物蓄積和生物吸附。鐵載體是分子量較低的鐵螯合劑，通常有助于鎘的植物修復(fù)[38]。土壤微生物會產(chǎn)生提高鎘生物利用度的有機酸。另外，有機酸通過保持較低的水平來影響土壤的pH值，這有利于植物的提取過程，因此對于鎘的植物修復(fù)至關(guān)重要。細(xì)胞外聚合化合物(胞外多糖、黏多糖和球蛋白)的分泌會降低鎘的遷移率和生物利用度，這使其成為鎘植物修復(fù)過程中必不可少的元素[39]。生物吸收和生物積累是指植物借助土壤微生物吸收和積累金屬的過程。生物吸附和生物富集通過在根區(qū)對鎘進行植物穩(wěn)定化而對鎘的植物修復(fù)起很大作用。

6 結(jié)論和展望

鎘的植物修復(fù)為污染環(huán)境的恢復(fù)提供了廣闊的空間，并提供了許多積極而令人滿意的結(jié)果。通過查閱文獻，很明顯鎘會干擾植物功能并作為外部刺激?？赏ㄟ^各種生理和代謝途徑激活防御機制。多種植物修復(fù)策略為以最環(huán)保的方式原位修復(fù)鎘提供了經(jīng)濟高效的最佳前景。為達到成功修復(fù)的目的，至關(guān)重要的是利用鎘超蓄能的突出生理特征來提取、轉(zhuǎn)化或穩(wěn)定鎘。植物修復(fù)潛力和對鎘的耐受性提高可以算作是利用植物物種積累潛力的第一步。另一方面，同樣重要的是要考慮污染物對修復(fù)潛力的拮抗和協(xié)同行為，并確保在進一步控制或加工過程中采用對生態(tài)負(fù)責(zé)的替代方法，這必須在嚴(yán)格控制的環(huán)境下進行。

值得注意的是，植物修復(fù)工具仍處于檢查和開發(fā)階段，需要解決許多技術(shù)障礙，因此仍需花費大量時間才能取得豐碩的成果。在特定地點環(huán)境下發(fā)生的多方面連接需要采用多種學(xué)科的方法進行金屬植物提取。