商陆属植物对重金属的富集特征及应用现状分析

谢琴 贺莉莎

摘要 商陆属植物对多种重金属具有较强的富集能力，在重金属污染土壤修复中具有较大应用潜力。本文分析了土壤重金属的来源和危害，探讨了重金属污染土壤的植物修复机理及进展，在此基础上阐述了商陆属植物对重金属锰、镉和锌的富集作用及应用现状，为促进商陆属植物在重金属污染土壤修复中的应用提供参考。

关键词 商陆属植物；土壤；重金属污染；富集特征；植物修复

中图分类号 X173；X53   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）10-0078-04

土壤是人类赖以生存的重要资源之一，土壤污染问题已引起一定的关注，其中土壤重金属污染因其污染面积较大、危害较为严重等而备受关注[1]。土壤中过量的重金属不仅会直接危害植物的生长发育，也可通过食物链进入人体，威胁人类健康。因此，如何修复重金属污染的土壤，为植物生长和人类健康提供良好的生态环境，是当前重要的研究课题之一。近年来，有关学者提出植物修復技术治理重金属污染土壤理论，植物修复技术是利用植物自身的新陈代谢、对重金属的独特耐性和富集能力等，达到降低土壤污染物浓度或彻底清除污染物的目的[2]。植物修复技术具有成本低、操作简单、安全清洁和环境友好等优点[3]，该技术应用的关键在于寻找到生长快、生物量大、耐性强且对重金属具有较强的吸收和转运能力的植物[4]。

商陆属（Phytolacca sp.）植物是商陆科多年生宿根草本植物，具有地上部生物量大、生长周期短等特点[5]。商陆属植物对土壤环境的适应能力强，其根系发达、枝叶茂盛，株高可达2 m，有较强的抵抗病虫害能力，可入药也可作肥料等。研究发现，商陆属植物对重金属有较强的富集能力，在重金属污染土壤的植物修复技术中具有较大应用潜力[6]。基于此，本文分析了土壤重金属的来源及危害，探讨了重金属污染土壤的植物修复机理与进展，在此基础上阐述了商陆属植物对锰、镉和锌的富集作用及应用现状，为促进商陆属植物在重金属污染土壤修复中的应用提供参考。

1 土壤重金属的来源和危害分析

土壤是人类赖以生存和社会经济可持续发展的物质基础，土壤的安全与健康是保障人类居住环境和食品质量安全的关键。重金属具有毒性且半衰期较长，可在环境中积累且降解缓慢。释放到土壤中的重金属会通过生物积累和生物放大过程对生物产生不利影响，植物重金属中毒会导致植物生长发育缓慢、产量降低和功能代谢异常等[7]。

土壤是植物生长的物质基础，植物根系直接与土壤接触，从土壤中吸收营养物质的同时也会吸收重金属，因此，植物的根系是受重金属毒害最直接的部位。重金属会影响植物的正常生长发育，例如，镉（Cd）会抑制植物根系的生长，从而使植物生长缓慢、生物量减少[8]；铜（Cu）会导致植物根尖弯曲、根冠细胞分裂停止、细胞畸形及根系功能下降等[9]。此外，重金属对植物根系的毒害可能会影响植物对其他营养元素的吸收，从而影响植物的正常生长，例如，过量的Cu会抑制紫云英对氮（N）、磷（P）和锌（Zn）等元素的吸收[10]。重金属不仅会通过影响植物呼吸酶的活性影响植物的呼吸作用，还会影响植物的光合作用。例如，过量的锰（Mn）会抑制植物对叶绿素合成必需元素镁（Mg）和铁（Fe）的吸收，导致植物叶片中叶绿素含量降低；同时，高浓度Mn胁迫不仅会改变植物叶片气孔的密度，其活性氧的积累还会对叶绿素造成一定的破坏[11]。

2 重金属污染土壤的植物修复机理及进展探讨

针对土壤重金属污染问题，学者已提出了多种污染土壤修复方式。其中，植物修复技术是利用植物自身的新陈代谢，对重金属较强的耐性和富集能力，达到降低土壤重金属浓度或彻底清除重金属的目的。植物修复主要的作用方式有6种类型：植物提取、植物降解、植物净化、植物挥发、植物固定和根际圈生物降解[2]。Brooks等[12]提出超富集植物概念，即能够在被重金属污染的土壤上特定生长的植物。Chaney等[13]提出将超富集植物应用到重金属污染的土壤修复上，开启了对重金属污染土壤的植物修复技术的研究。魏树和等[14]研究认为，超富集植物应该具备两个基本特征：一是富集系数（Enrichment coefficien，EC）大于1，即植物中的重金属含量高于其生长土壤中该重金属的含量；二是植物在生长发育过程中不会受到明显的毒害作用，能够在重金属污染土壤上完成正常的生活史。在实际植物修复技术应用中，还需要考虑超富集植物的生物量、生长周期和经济价值等因素。因此，植物修复技术的关键是寻找生长速度快、生物量大、生长周期短、适应能力强、耐性强且对重金属具有较强的吸收和转运能力的植物。

据统计，当前已发现的超富集植物已有500余种，广泛分布在植物界40多个科。实践中部分超富集植物生长缓慢、生物量小、生长周期长，且部分超富集植物多生长在特定的环境中，环境适应能力较差，实际应用中修复周期较长、成本较高。目前，超富集植物在重金属污染土壤的植物修复中的应用暂时具有一定的局限性，有待进一步深入探究。

3 商陆属植物对重金属的富集作用分析

3.1 商陆属植物对Mn的富集作用

Mn是植物生长发育必需的微量元素，是植物叶绿体的组成成分之一，直接参与植物的光合作用。而土壤中积累过量的Mn可能会造成土壤污染，植物吸收过量的Mn可能会影响其生长发育，甚至中毒死亡。因此，Mn是影响植物生长的一个重要因素。Xue等[15]通过测定多种植物中的Mn含量，发现美洲商陆（Phytolacca americana L.）地上部Mn的含量达到12 180～19 300 mg/kg，且叶片中的Mn含量高于根部，Mn的富集系数大于1，表明美洲商陆是一种Mn超富集植物。铁柏清等[16]通过野外试验发现，美洲商陆对土壤中高含量的Mn具有很强的吸收和耐受能力，叶片中Mn含量5 160～8 000 mg/kg；水培试验结果表明，当Mn处理浓度10 mmol/L时，美洲商陆仍能正常生长，叶片中Mn的含量达11.76 g/kg，当Mn处理浓度50 mmol/L时，叶片中Mn的含量高达47.06 g/kg。Yuan等[17]明确提出美洲商陆是Mn超富集植物。豆长明等[18]分析了美洲商陆各部位的Mn含量，发现次级根和根表的Mn含量明显高于主根和地上部茎、叶中的Mn含量，说明美洲商陆体内的Mn主要积累在侧根和次生根中。赵盈丽等[19]研究发现，商陆（Phytolacca acinosa Roxb.）能将土壤中的Mn转运到地上部分，叶片中Mn含量最高，平均为17 043 mg/kg，远高于茎和根的Mn含量均值；单株的平均富集量在土壤Mn浓度500 mg/kg时达到最高，一棵商陆可富集约13 mg的Mn。

3.2 商陆属植物对Cd的富集作用

土壤重金属污染中Cd污染面积较大[20]。Cd在植物生长发育中属于非必需微量元素，正常条件下，植物体内Cd含量一般不超过1 mg/kg。与其他重金属相比，Cd的半衰期较长，对植物具有强毒性且可在植物体内发生迁移，可能会通过食物对人体的健康造成损害[21]。Liu等[22]通过野外调查和室内试验分析发现，美洲商陆在污染土壤和室内水培条件下均能在地上部富集大量的Cd，最高分别可达402和637 mg/kg，其中蒸腾作用在美洲商陆富集Cd过程中发挥了很大作用。Peng等[23]发现，在Cd存在下，加入Mn可以抑制美洲商陆对Cd的吸收，促进其生长，说明美洲商陆体内Cd和Mn存在一定的相互影响。聂发辉[24]研究表明，美洲商陆同属植物商陆对Mn和Cd均有超富集能力，在土壤Cd浓度水平高于50 mg/kg的条件下，商陆茎和叶中的Cd含量均超过100 mg/kg，地上部Cd的富集系数大于1，符合Cd超富集植物的基本特征，是一种理想的土壤Cd污染修复植物。傅晓萍[25]对美洲商陆进行100 μmol/L Cd水培处理，发现Cd对美洲商陆植株的毒害症状较轻，地上部和根系中Cd含量分别可达966.9和8 179.1 mg/kg；美洲商陆积累Cd能力较强，根系中的Cd含量比地上部高，在低浓度Cd处理下，美洲商陆仍具有较高的Cd吸收富集能力。吴双桃等[26]对铅锌冶炼厂周围污染土壤修复发现，商陆能大量富集Cd且地下部向地上部转运能力较强。

3.3 商陆属植物对Zn的富集作用

Zn是植物生长发育必需的微量元素之一，但过量的Zn可能会引起植物中毒，一般植物中Zn的含量为20～150 mg/kg，商陆对Zn也有较强的富集作用。黄五星等[27]通过野外采样发现，商陆可在锰矿废弃土壤中正常生长，而锰矿废弃土壤中Zn的含量是周边普通土壤背景值的3.01倍；进一步通过水培试验研究发现，1 mmol/L Zn处理浓度下，商陆地上部分生物量仍高于对照组，其根、茎和叶中Zn的含量分别为24 276、880和1 490 mg/kg，Zn在商陆地上部分的积累量接近于Zn超积累植物东南景天，表明商陆对Zn也具有很强的耐受性和积累性。刘益贵等[28]通过对锌冶炼厂尾渣堆周围的植物采样发现，美洲商陆体内Zn含量高达2 590 mg/kg。薛生国等[29]通过水培试验发现，50 μmol/L Zn处理时，垂存商陆（Phytolacca americana L.）根中的Zn含量为2 750 mg/kg，当Zn处理浓度为200 μmol/L时，其根中Zn的含量高达7 194 mg/kg，在10 d内，垂存商陆对水体中Zn的去除率为38.1%～40.0%。

4 商陆属植物在重金属污染土壤修复中的应用现状分析

商陆属植物分布广泛，其植株高大、地上部生物量大且生长周期短，在重金属污染土壤的植物修复技术中具有应用潜力较大。向言词等[30]通过盆栽试验发现，美洲商陆可使Mn尾渣污染的土壤特性發生变化，可一定程度上增强土壤酶活力，改善土壤营养，同时可调节土壤中Mn和Cd的形态分布，降低土壤中Mn和Cd的含量，减阻Mn和Cd等污染物的迁移；此外，研究发现，美洲商陆可明显降低Mn尾渣污染土壤的毒性，有利于促进其他植物的生长，维持Mn尾渣污染区植被的可持续发展。陈国庆等[31]研究表明，美洲商陆可通过增加抗氧化酶的活性来消除氧自由基，增强美洲商陆对Mn的耐受性。张玉秀等[32]研究了商陆对Cd胁迫的响应，结果表明，抗氧化酶可清除Cd毒害产生的活性氧自由基，进而提高商陆对Cd的耐受性。薛生国等[29]研究发现，垂序商陆通过植株吸收和根系吸附作用去除重金属，可用于治理重金属污染水体，垂存商陆10 d内对Cd和Zn的清除率分别为50.8%～53.7%和38.1%～40.0%。

5 结语

植物修复作为经济有效的方法在重金属污染土壤的修复领域受到广泛关注。植物修复的关键是寻找生长速度快、生物量大、生长周期短、适应能力强、耐性强且对重金属具有较强的吸收和转运能力的植物。目前，大多数超富集植物存在生物量小、生长周期长等缺点，在植物修复应用中具有一定的局限性。本文分析了土壤重金属的来源和危害，探讨了重金属污染土壤的植物修复机理及进展，在此基础上阐述了商陆属植物对Mn、Cd和Zn的富集作用及应用现状。商陆属植物分布广泛，植株高大、地上部生物量大且生长周期短，对Mn、Cd和Zn等均有较强的富集作用，在重金属污染土壤的植物修复应用中具有巨大潜力。未来需进一步研究商陆属植物吸收和转运重金属的机制，进一步丰富商陆属植物富集重金属的理论基础，为重金属污染土壤的植物修复提供植物资源和参考。

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（责编：何 艳）