苎麻修复重金属污染土壤研究进展

吴文梅 张中华 杨燕 崔忠刚 李亚玲

摘    要：随着土壤污染情况越来越严重，人们的应对措施也更加多种多样。通过种植苎麻治理污染的土壤，原理是苎麻对于重金属有耐受性、吸收性、富集性和转移性等特点。这种治理方式相较于其他非生物治理方式来说，具有独特的环保优势，所以研究苎麻修复重金属污染土壤也是当下的紧急任务。对苎麻修复优势品种筛选、抗逆响应分子机制、苎麻-化学联合修复方式等进行研究，不仅能促进植物修复技术发展，而且有利于绿色、安全、有效地解决污染土壤治理难题。

关键词：苎麻;修复;重金属;污染土壤;研究进展

文章编号： 1005-2690（2021）02-0022-02       中国图书分类号： X53       文献标志码： A

从社会各界人士对土壤污染的关注程度来看，大家对土壤重金属污染问题格外重视，所以各界都在寻找解决土壤重金属污染的最佳方案。由2005年4月—2013年12月的土壤污染状况调查结果顯示，全国土壤污染总超标率为16.1%，四川土壤污染总超标率为28.7%，二者污染类型主要是重金属污染。工业生产、农业生产、交通运输、生活垃圾等是造成土壤重金属污染的重要因素，其中最突出的因素是蓄电池生产厂。污染土壤的重金属一般都是有毒性的，如汞、镉、铅、铬或者锌、铜、镍等。土壤污染直接影响生态环境，进一步为害食物链，危及人类生命安全。也正是如此，社会各界对治理土壤污染问题越来越关注。

植物修复技术（Phytoremediation）就是利用自然生长或经过遗传培育筛选的植物对土壤中的污染物进行固定、吸收、转移、富集、转化和根滤作用，同时保证土壤结构完好，最终消除污染物或者降低土壤中的污染物浓度（降低到可接受的范围内）[1]。植物修复技术的优点有很多，如成本低廉、操作简单、没有二次污染、可操作性强，甚至对土壤自身的肥力也有巨大的好处，这种方式更易被社会接受。

苎麻可作为一种不进入食物链且具有修复重金属污染土壤功能的经济作物，是目前植物修复技术研究中潜力巨大的优势作物。

1   苎麻作为重金属修复植物的特点及价值

苎麻（Boehmeria nivea L.）是多年生宿根性草本植物，属荨麻科苎麻属，是我国古老的纤维用经济作物。与其他草本植物不同的是，该种植物的地上枝叶繁茂，生长周期短，但是抗逆能力十分强，且苎麻对种植环境不挑剔，所以极易栽培养殖。我国苎麻的种植面积十分广泛，种植技术相对成熟，有一定的种植管理系统。这种基础为筛选适合修复重金属污染土壤的苎麻提供了极大的便利，在已知的信息中，苎麻本身修复重金属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复土壤的重要因素。所以，将苎麻选为修复土壤的重要备选植物是有科学依据的，其具备短暂的生长周期及对环境的适应能力，这是其他植物并不具备的独特优势，其无疑是推动植物修复污染土壤技术的一大助力。

苎麻作为修复作物，其自身还包含了一定的生态效益和巨大的经济价值。一方面，苎麻依靠自身的特性，对重金属污染土壤进行修复，除此之外，其对水土保持、绿化环境、净化空气功不可没。另一方面，纤用苎麻不进入食物链，可作为纺织、造纸、建筑材料等工业原料，且种植、管理成本相较于其他修复植物较低[2]。

2   苎麻对重金属耐受性的研究

植物本身所具备的耐性与修复重金属污染土壤息息相关，植物对重金属的耐性越强，对修复重金属污染土壤越有利。研究中通常用耐性指数（Ti）来反映植物对逆境的忍耐能力，其计算公式为各处理植物的多个农艺性状与对照的比值[3]。曾有研究报道，苎麻的耐Cd阈值能达到700 mg/kg。张翔等综合分析评价了8个野生苎麻种质资源对Cd的耐性，结果表明，兴安贴毛苎麻耐Cd能力最强。黄闺等研究发现，“湘苎三号”对Pb的耐受浓度可达到800 mg/kg。刘莉蓉等对矿区野生苎麻的耐Cu性进行研究，结果表明，苎麻在Cu浓度高达9 262 mg/kg矿土中依然保持正常生长。除此之外，研究报道矿区野生苎麻可能对Hg、Zn、Mn形成了高耐生态型。

根据以上的研究情况，佘玮将苎麻的耐性分为高、中、低3种，以此区分不同苎麻品种对不同重金属的耐受程度[4]。

3   苎麻对重金属富集性的研究

所谓植物富集性，是指植物从沉积物中吸收、富集重金属的特性。植物本身的富集程度也各不相同，主要通过富集系数表明，富集系数（Bioconcentration Factors，BCF）也叫作吸收系数，其计算公式为植物地上部重金属含量（g）/土壤重金属含量（g），富集系数与该种植物对此种重金属的富集能力呈现正相关。林欣等用浓度为175 mg/L的Cd溶液胁迫7个苎麻品种，结果显示，富顺清麻的Cd富集系数和转移系数较高，富集系数3.5左右、转移系数0.25左右，在胁迫浓度为250 mg/L时，湘苎三号品种全株Cd积累量可达到1 000 mg/kg左右。石朝艳等采集3个不同矿区野生苎麻，分别测量其地上部分的重金属积累量，结果显示，Pb、Cd、Mn、Zn的积累量分别高达209.53 mg/kg、5.62 mg/kg、590.12 mg/kg、110.60 mg/kg。李榜江等用重金属Cd胁迫处理川苎11号发现，植株不同部位重金属Cd含量存在显著差异，含量总趋势表现为根>茎>叶。

除此之外，在相关的研究报告中还表明，种植苎麻的土壤，其所含有的重金属（包括Hg、Cd、Cu）含量明显降低。因此，大量研究表明，苎麻对重金属具有富集和转移能力，且品种不同，金属元素不同，植株不同部位富集、转移能力存在着一定差异。通过对各项数据的评估，将苎麻分为4类，包括高耐低吸收、高耐高吸收、低耐低吸收和低耐高吸收。在多次试验之后，不难得出高耐高吸收类型植物是最适合修复污染土壤植物的结论。

4   促进苎麻对重金属污染土壤修复效应的方法

为提高植物对重金属的修复效率，可通过筛选或转基因培育更高耐性的超富集植物，但其存在筛选、培育难度大、时间长等问题。因此，近年来不少研究者通过外源添加土壤改良剂及一些提高植物耐性和富集性的化学试剂，从而促进植物修复作用。在发展苎麻修复土壤技术的过程中，高俊逸等用适量的EDTA和EGTA处理含Cd、Pb土壤，此类螯合剂可促进土壤中Cd、Pb的酸可提取态含量增加，在不断吸收积累Cd、Pb的同时不影响苎麻的正常生长。沈莉萍等通过向泥炭中加入含Cd土壤的方式，改变土壤理化性质，由此提高苧麻生物量，从而进一步促进苎麻对含Cd土壤的修复效率。

除此之外，还有数据表明，植物根际促生菌也是促进苎麻对重金属吸收、转移的重要因素。苎麻—化学联合修复方式能强化苎麻对重金属污染土壤的修复，在植物修复领域具有重要研究价值。

5   苎麻抗重金属胁迫的分子机制研究

一般植物在受到重金属为害时，都会产生相应的反抗机制保全自身，防止自身被重金属毒害。现阶段，研究的侧重点主要有以下6个方面，分别是吸收转运、离子区隔化、螯合作用、胁迫蛋白、抗氧化系统、细胞修复机制。朱守晶等对Cd胁迫下“中苎1号”根部基因表达谱测序分析发现，编码参与AsA-GSH循环（抗坏血栓-谷胱甘肽循环）的GR（谷胱甘肽还原酶）和APX（抗坏血酸过氧化物酶）基因存在差异表达，对Cd的响应较为明显，在转录组搜寻到一个编码PCS（植物螯合肽合成酶）基因，通过克隆苎麻BnPCS1基因构建植物表达载体，获得转基因拟南芥阳性植株，是该基因能够提高Cd耐性的有力证明。

佘玮等筛选Cd胁迫下“中苎1号”差异表达基因，并通过富集分析的方式研究其功能，发现这些基因序列主要包括具有结合功能的转录因子，如依赖金属水解酶类、锌指蛋白等，具有催化作用的活性酶，如氧化还原酶、蛋白磷酸酶等。可见，苎麻在重金属胁迫下通过不同的分子响应机制，可提高植株对重金属的耐受能力和富集能力。因此，加强对苎麻抗逆分子机制的研究，将有助于筛选、培育综合性状更好的修复重金属污染土壤的苎麻品种。

6   总结与展望

苎麻因生物量大、修复成本低、具有经济效益等优势，在重金属污染土壤治理方面具有很大的应用潜力。就如今的发展趋势来看，苎麻治理土壤重金属污染的各项研究仍然处于初步阶段。

目前，各界学者仍然对苎麻重金属耐性、富集性材料的选择，抗逆境分子机制的研究，修复材料的处置方式等存在欠缺。因此，可以综合应用转基因等现代育种技术加快高耐高富集苎麻种质资源筛选;从多方位角度对苎麻抗逆分子机制进行研究，主要包括植物生理学、分子生物学、生物信息学等多学科知识;加强对苎麻植株体内重金属迁移规律的研究，从而防止二次污染，提高修复效率。

参考文献：

[ 1 ] 白玉超，杨瑞芳，李雪玲，等.苎麻根系研究进展[J].农学学报，2016，6（7）：19-23.

[ 2 ] 揭雨成，罗中钦，佘玮.苎麻抗重金属污染研究现状与应用前景[J].作物研究，2009，23（4）：283-286.

[ 3 ] 曹诣，佘玮，孙敬钊，等.苎麻修复重金属污染土壤研究现状[J].作物研究，2014，28（6）：775-779.

[ 4 ] 佘玮.苎麻对重金属吸收和积累特征及镉胁迫响应基因表达研究[D].长沙：湖南农业大学，2010.