亚麻修复重金属污染土壤的研究与应用

王玉富，郭 媛，汤清明，邱财生，龙松华，邓 欣，郝冬梅

(中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205)

亚麻修复重金属污染土壤的研究与应用

王玉富，郭 媛，汤清明，邱财生，龙松华，邓 欣，郝冬梅

(中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205)

亚麻是一种重金属污染土壤修复的理想作物之一，不仅对重金属具有较强的耐受性，而且对重金属有很强的吸附作用，适当进行调节剂、水分、肥料、微生物、pH等外界条件使用或调节可以提高亚麻对重金属的吸收、转移及积累能力。为提高亚麻对重金属污染土壤的修复能力，要加强亚麻品种培育及种质资源筛选，积极开展亚麻重金属污染土壤修复技术研究，对亚麻进行规模化、机械化种植，促进重金属污染土壤的治理。

亚麻；重金属污染；土壤修复

土壤的重金属污染是许多国家和地区可持续发展的主要障碍。中国环境保护部和国土资源部2014年4月17日联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，所调查的耕地土壤污染物点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃，可以看出土壤的主要污染物为重金属。如何解决土壤重金属污染尤其是大面积的农田土壤重金属污染，是一个十分严峻且棘手的问题。

污染土壤修复可分为工程修复、物理修复、化学修复和生物修复四大类。生物修复以植物修复为主，根据修复的机理和过程，可将该技术分为植物提取、植物转化、植物挥发和植物稳定4种类型[1]。其中植物提取即利用植物对重金属进行富集。与物理及化学修复技术相比，植物修复具有成本低、来源广等特点，尤其适用于低浓度重金属的去除。超富集植物对重金属污染土壤具有很好的修复效果，但大多数为野生型植物，存在生物量低、生长缓慢、植株矮小及难以进行引种等问题[2]。利用非食用及饲用作物的种植对重金属污染耕地边利用边修复是一种比较理想的方法。亚麻是一种适应性非常强的作物，并且在南方可以冬季种植，与水稻轮作，是一种比较理想的重金属污染耕地边利用边修复的作物。

1 亚麻对重金属具有较高的耐受性

亚麻对重金属具有较高的耐受性，低浓度情况下一般不会对亚麻生长造成影响。不同品种对镉的耐受性也不同，如中亚麻1号在土壤中镉浓度为25 mg/kg时生长正常。Marie Bjelkováa 等[3]利用4个油用和6个纤维用两种类型的亚麻品种在含镉10～1 000 mg/kg的土壤中试验，结果表明，亚麻植株在1 000 mg/kg浓度的镉污染土壤中仍可正常生长。Soudek等[4]利用23个亚麻品种研究重金属对亚麻种子发芽的毒性试验，以发现不同亚麻品种对特定重金属元素的反应。结果证实，虽然没有一个品种对所有重金属都具有抗性或耐受性，但品种与金属元素具有明显的互作性，一般情况下重金属的毒性顺序是：As3+>As5+>Cu2+>Cd2+>Co2+>Cr6+>Ni2+>Pb2+>Cr3+>Zn2+。刘岩等[5]研究认为，较低浓度铬(25 mg/kg)处理对亚麻的分枝数影响不显著，高浓度铬(≥125 mg/kg)胁迫显著降低了亚麻的分枝数(p<0.05)；铬浓度的增加显著降低了亚麻的蒴果数(p<0.05)；较低浓度的铬胁迫能促进亚麻株高、叶片叶绿素浓度的增加，所以较低浓度的铬胁迫处理在一定程度上能够促进亚麻的生长。安建平等[6]研究认为，当Cd2+浓度低于100 mg/L时，亚麻种子发芽率降低的幅度较小，当Cd2+浓度高于100 mg/L时，发芽率迅速降低。低浓度Cd2+可提高亚麻脂肪酶的活性，而高浓度的Cd2+则显著降低脂肪酶的活性；Cd2+浓度为50 mg/L时硝酸还原酶活性降低，而Cd2+浓度为100 mg/L时又升至最高，但小于对照，之后随浓度的升高而逐渐降低。根系活力和硝酸还原酶活性呈现出完全相同的趋势。Douchiche等[7]研究显示，在2.6 mM镉胁迫下，亚麻幼苗生长受到抑制，多数组织增大，但是下胚轴的体积没有发生明显变化，结构的改变是由于细胞壁增厚和下表皮明显折叠等导致。他们又在0.5 mM镉的胁迫下，在10 d苗龄的次生壁变厚时，研究亚麻纤维细胞壁的超微结构和果胶特性，镉处理在纤维数量、细胞壁厚度方面加速纤维分化，细胞壁结构发生变化，多糖与纤维素间的连接被改善，镉影响着高度甲基化半乳糖醛酸聚糖在细胞交联处以及初生壁和次生壁的靠近外部区域的分布[8]。 从以上研究可以看出，亚麻对重金属具有很强的耐受性，而且亚麻会产生一些应激机制，降低镉的影响，所以一般污染农田的重金属不会对亚麻生长造成影响，在重度重金属污染的耕地上亚麻都可以正常生长。

2 亚麻对重金属的耐受性机理与吸附作用

2.1 亚麻对重金属的耐受性机理

目前亚麻对重金属的耐受性机理研究比较少。Hradilova等[9]利用液体培养的方法，对比高积累耐镉品种Jitka和低积累镉敏感品种Tabor的蛋白质变化，发现14种蛋白质与防御、代谢、能量和细胞结构有关。亚麻品种Jitka在镉诱导下，铁蛋白、谷氨酰胺合成酶(谷胱甘肽生物合成的关键酶)两种蛋白质上调。可以说耐镉机制是铁蛋白和小分子的巯基肽与镉结合，使亚麻少受或免受镉的危害。Douchiche等[7]通过免疫学和生物化学的方法证实，重金属引起细胞壁超微结构的变化和优化细胞壁外层果胶的重新分配，通过细胞壁的理化调节形成适应重金属胁迫的应答机制。他们通过试验证明亚麻品种Hermes的幼苗具有耐性，镉对生物量、薄壁组织、抗氧化酶和阳离子的分布有小的影响。Hermes对镉的耐性是由于细胞壁胶质的交叉连接使其生长适应性和组织的内聚力增强所致[10]。虽然亚麻对重金属的耐受性机理已有一些研究，但是还不全面透彻，有待进一步加强。

2.2 亚麻对重金属的吸附作用

亚麻不仅对重金属具有较好的耐受性，而且能较好地吸收。国外关于重金属污染土壤植物修复的研究比较多。Broadley等[11]依据公开发表的数据，分析被子植物对重金属积累的变化，其中亚麻茎中镉的含量在108种栽培作物及野生植物中排22位，在51种作物、草和蔬菜中排第4位。这说明亚麻地上部对镉的积累在所研究的作物中排在前列。

超富集植物叶片或地上部(干重)镉元素临界含量参考值为100 mg/kg[12]。亚麻从土壤中能吸收并在其植株体内积累较高浓度的镉。亚麻茎中镉的浓度比玉米和向日葵的高3～5倍，其原因在于亚麻茎生长速率比较低，以及根对镉的吸收以及从根向茎的输送[13]。Moraghan等[14]研究认为，亚麻对镉的富集系数大于1。Olfa Douchiche等[15]的研究结果显示，在沙质基质11.24 mg/kg镉的条件下，亚麻品种Hermes生长4个月后，分成3段茎和根，根和基部茎镉含量最高，分别为750和360 mg/kg(DW)，茎的富集系数为13.3，远超过超富集植物的门槛。

植物的根是首先与重金属接触的器官，所以一般情况下根中积累的重金属的浓度高于地上部[16]。Jitka Najmanova等[17]研究认为，亚麻品种AGT952在镉含量50～500 μM情况下生长12 d，67%～74%的镉积累在根中，使根的生长受到抑制，100 μM镉根长减少50%，在50 μM镉时，根中镉的浓度比茎中的高3.5倍，500 μM镉时，根中镉的浓度比茎中的高9.6倍。许多研究表明，一般情况下亚麻植株体内重金属的积累浓度是：根>茎>蒴果>种子[18，19]。Grabowska等和Baraniecki等发现，铅和铜的最高含量部分是蒴果，而锌是在种子里[20，21]。Grzebisz等[22]发现，铅的浓度梯度是：根>茎>种子>蒴果，铜是：蒴果>根>种子>茎。Marie Bjelkováa等认为，亚麻植株对重金属的富集能力是：根>茎>叶>籽。不同的亚麻品种对镉从根到地上部位的转运能力不同，总体来讲，纤用亚麻品种对重金属镉的富集能力比油用亚麻品种强。不同品种及不同类型镉的积累不同，纤维类型的大于油用类型的。镉在根部的积累高于地上部[3]。

不同的重金属在亚麻体内的转移不同。Bipasha Chakravarty[23]研究根中镉的含量远高于茎中，而锌却相反，被从根输送到茎中。镉的积累主要在细胞质中，而锌在细胞壁与细胞质的量基本相同。镉在不同品种植株体内的转移也不同，亚麻品种Jitka与Merkur具有较好的从根部向地上部转移的特性，可以生长在较高浓度的重金属污染的土壤上，并且不影响其产量[3]。

在湖南安化镉污染土壤上种植亚麻，证实亚麻对镉有一定的富集作用，对重金属污染的耕地有一定的修复能力。对于整株亚麻镉含量表现为：地下根>地上茎叶。若土壤含镉量21.4 mg/kg，恢复到背景值0.068 mg/kg，约需18～20年[24]。这仅是在没有进行品种筛选和没有采取任何调控措施的情况下的试验结果。通过品种筛选以及其他调控措施的研究与利用，可以大幅度提高亚麻对重金属污染耕地的修复效果。

2.3 亚麻吸附重金属的调控手段

通过亚麻的生长条件以及一些调节剂的使用，可以促进亚麻对重金属的吸收。Acha Belkadhi等[25]进行了乙酰水杨酸处理试验，发现在镉胁迫下，在亚麻苗期用乙酰水杨酸处理后脂质膜更加稳定，可促进亚麻的光合作用，使其适应镉胁迫下的环境条件。徐严等[26]研究认为，外源NO可缓解镉胁迫造成的亚麻幼苗膜质过氧化产物丙二醛含量的升高，促进脯氨酸积累，提高超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶的活性，并能抑制过氧化氢和超氧阴离子的产生。这种保护效应与NO的浓度明显相关，其中0.1 mmol/L SNP处理效果显著优于1.0 mmol/L SNP处理。李宇洁研究显示，NO对亚麻的铅胁迫有同样的效果[27]。Lukipudi S[28]利用3个亚麻品种在重金属污染的土壤上进行试验，分别降低土壤的pH至6.1，6.0，5.9，5.5，5.0，4.8，亚麻对铜、镉、铅的吸收及积累能力逐渐增强。

Amna等[29]试验在浓度为250～500 ppm的情况下，通过24 d试验，发现亚麻对镉的积累率为90%～95%，对铬的积累率为61%～86%，亚麻的生长及光合作用分别减少21%和45%。然而在接种丛枝菌根真菌(Glomusintraradices)后，即使在镉胁迫下，植株的生物质仍明显增加。丛枝菌根真菌可以使亚麻对镉和铬的吸收分别增加23%和33%。由于重金属镉和铬的胁迫，叶绿素含量分别减少27%和45%，脯氨酸含量分别增加84%和71%，说明丛枝菌根真菌可极大增加亚麻对重金属的耐性与积累的潜力。

土壤中的镉虽然明显影响亚麻健康，但不影响亚麻生长。丛枝菌根真菌在含镉的土壤中为根系创造生长环境，促进亚麻的生长与健康。虽然丛枝菌根真菌抵消了含镉对蒴果和种子的负面影响，但是根、蒴果、种子中镉的含量还是有所增高[30]，镉对亚麻的健康以及镉的积累的影响程度受植株与丛枝菌根真菌共生关系的影响。丛枝菌根真菌在耕地中的应用可以消除重金属对种子产量的影响，但增加了食物中重金属积累的风险。

亚麻对重金属的吸收除受上述调控剂以及微生物影响外，还受土壤环境以及肥料的影响。Cieglifiski等[31]研究发现，亚麻植株体内镉的积累与分布受土壤类型和品种的影响很大；不同生长阶段，根、茎、叶中镉的含量不同；亚麻生长在黑钙土上，其种子的镉含量高于生长在灰色淋溶土上。Cynthia等[32]试验结果显示，亚麻种在油菜之后相对于种在春小麦之后具有较低的锌含量和积累量，较高的镉含量和镉锌比。磷肥有增加亚麻组织和种子中镉的含量和镉锌比及降低锌含量的作用。利用亚麻和小麦进行8年试验，结果显示：磷肥可以增加镉的吸收，但是也受到土壤特性、环境条件的影响[33]。这说明可以通过作物轮作和磷肥管理来调节镉、锌的含量。虽然不同浓度的锌和镉对亚麻具有毒害作用，但两种离子在相同摩尔浓度的时候可以相互作用消除毒害。亚麻植株在含有这两种离子的培养基上能够再生[23]，说明锌肥有利于镉的吸收。Grant CA等[34]研究认为，在土壤含镉较高的情况下，氮肥可以提高亚麻组织及种子中镉的含量，但在土壤镉背景值较低的情况下则无效。土壤高水分含量可以增加镉的流动性，因此增加湿度可以增加亚麻镉的积累和从组织向种子的转移。

上述试验说明，通过适当进行调节剂、水分、肥料、微生物、pH等外界条件使用或调节可以提高亚麻对重金属的吸收、转移及积累能力。

3 亚麻修复重金属污染耕地治理的应用

自20世纪80年代起，植物就被用作土壤重金属污染的修复手段。蜈蚣草、鱼腥草、大花月见草、西芹、黑麦草、早熟禾、李氏禾、蔗茅、籽粒苋等[35]被认为是重金属的超富集植物，但这些植物经济价值比较低，种植推广比较困难。为此，应调整用于植物提取的植物种类，种植非食用和非饲用农作物应成为重金属污染严重地区产业结构调整的基本方向。

亚麻用途广泛，其纤维强度高，吸湿散热能力好，并且具有防静电的特性，是优良的纺织原料。近几年亚麻纤维又用于复合材料、汽车内装饰等，使世界亚麻纺织品市场需求不断扩大。我国亚麻原料仍然非常短缺，70%以上依赖进口，严重制约着亚麻纺织产业及其相关产业发展。

作为重金属污染土壤进行植物修复的候选作物，亚麻有着不可比拟的优势。首先，亚麻纤维不进入食物链，保证了食品安全。其次，亚麻收获时，重金属含量最高的部分亚麻根与茎也一起被收获，可以提高亚麻对重金属污染土壤的修复能力。另外，我国南方冬季的光热水资源能满足亚麻一个生育期的需要。在南方不同程度污染区，亚麻都可以与水稻或其它夏季替代作物轮作，实现重金属污染土壤的边修复边利用，利用亚麻对重金属污染土壤进行植物修复具有广阔前景，是实现亚麻发展和农田可持续利用的双赢战略。为实现这一战略，应加强以下各方面的研究和政策支持。

3.1 品种的培育及种质资源筛选

国内外亚麻育种工作在过去极少涉及亚麻对重金属吸收和积累的研究，相反主要是针对健康方面，选育种子中重金属(主要是镉)含量低的品种[31，36，39]。一些针对重金属吸收和转移的品种间比较试验有所开展，例如在土壤镉浓度为0.12 mg/kg的情况下，亚麻品种McGregor吸收的92%的镉在根中，只有8%被运输到茎中，然而品种Marigold吸收的61%的镉在根中，有39%的被运输到茎中[37]。Becher等[38]也获得类似结果：亚麻品种McGregor的种子中积累很少的镉。亚麻不同品种对镉的吸收差异很大，Li等[39]进行了74个亚麻品系的种子中镉测定，变幅在 0.14～1.37 mg/kg(DW)。这种变化说明亚麻不同品种对镉的吸收与转移能力不同，选育低镉或高镉吸收的品种都是可行的。Miroslava Vrbova[40]利用转基因技术使亚麻中镉的含量提高，在土壤中添加20和360 mg/kg镉的情况下，亚麻茎中镉的含量分别提高了3.3和1.9倍。

上述结果都说明通过育种可以大大提高亚麻对重金属的吸收与积累。应该以国外(主要是法国、捷克等国)相关研究为基础，引进重金属富集作用好的品种或种质资源，筛选适用重金属污染冬闲田植物修复的亚麻品种及种质资源，并结合基因工程手段进行重金属高富集或超富集品种的选育。

3.2 亚麻在重金属污染土壤上利用的修复技术

应开展亚麻在不同类型重金属污染土壤的种植试验。此外，螯合剂EDDS和EDTA可以显著增加苏丹草、玉米、大豆、茼蒿、青菜等植物地上部铜、铅、锌和镉的含量及积累量[41]，也应开展螯合剂使用技术试验。在试验的基础上，结合已经建立的适合南方冬闲田种植亚麻的一整套栽培技术，不断优化条件，建立起适用于重金属污染的冬闲田亚麻种植的栽培技术体系。

3.3 开展亚麻规模化、机械化种植

劳动力成本上升成为影响我国国民经济的重要因素，也成为影响农业生产的主要因素。在农业劳动力转移、农村人口迁移的背景下，农业有效劳动力供给已经大幅度减少[42]。人工种植亚麻成本过高，应开展适合南方土壤规模化种植的亚麻免耕播种机及收获机械研制，实现规模化、全程机械化种植。同时，规模化生产有利于重金属污染耕地上生产亚麻原料加工废料的集中处理。

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Study Progress in Flax Remediation of Soil Contaminated by Heavy Metals and Its Application Prospect

WANG Yu-fu，GUO Yuan，TANG Qing-ming，QIU Cai-sheng，LONG Song-hua，DENG Xin，HAO Dong-mei

(Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha，Hunan 410205，China)

Flax is an industrial material for multipurpose，it can be used to textile，composite，paper making，edible oil，oil paint etc.Moreover，flax is one of the practicable crops for phytoremediation of soil contaminated by heavy metals.In this paper，the impact of heavy metals to flax growth，the uptake and tolerance mechanism of flax to heavy metals and its regulation，the accumulation and organ distribution of heavy metals in the flax plants are introduced.It is expounded that development prospect about the phytoremediation of heavy metal polluted soil by flax，so as to provide certain reference for remediation of soil contaminated by heavy metals.

flax；heavy metals pollution；soil remediation

2015-03-21

王玉富(1962-)，男，山东泰安人，研究员，主要从事麻类作物栽培、育种研究，Email：chinaflax@126.com。

国家科技创新工程(ASTIP-IBFC06)；国家麻类产业技术体系(CARS-19-E14)。

S156；S563.2

A

1001-5280(2015)04-0443-06

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.04.30