伴矿景天修复农田土壤镉污染的研究进展

熊娟，王依涵，陈畅，侯静涛，许运，汪明霞，谭文峰*

（1.国家环境保护土壤健康诊断与绿色修复重点实验室，武汉 430070；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

我国耕地重金属污染形势严峻，生态环境部发布的《2020年全国生态环境质量简况》指出镉是我国农用地重金属污染的首要污染物。镉易富集于水稻等粮食作物之中，我国约10%的稻米镉含量超标。土壤镉污染已成为实现粮食安全的重要限制性因素。为保障我国粮食安全，大量镉污染土壤亟待修复。目前主要的土壤修复方法包括物理修复、化学修复和生物修复3类。生物修复包括植物修复和微生物修复，与物理修复和化学修复相比，生物修复适用于轻、中度镉污染的农田生态系统修复。植物修复以其成本低、易操作、环境友好等特点而更易被公众接受，且自然界存在的大量镉超富集植物也为植物修复提供了良好的原材料。

国内外已发现的镉超富集植物主要有印度芥菜、圆锥南芥、宝山堇菜、伴矿景天等20余种。其中，伴矿景天（S）的镉耐受性极高，在地上部镉含量高达587 mg·kg时其也未表现出毒害症状，是近年的研究热点。伴矿景天具有很高的镉富集系数和转移系数，低浓度镉甚至可促进其生长，是修复土壤镉污染的理想植物。伴矿景天喜阴，有一定耐旱性，春冬季均能正常生长，可扦插种植，与农作物轮间作时可不中断常规农业生产。然而，伴矿景天修复效率极易受下述因素限制：（1）土壤镉生物有效性低，不利于伴矿景天吸收转运；（2）伴矿景天生物量小，修复效率低；（3）生长环境条件复杂，如土壤pH、养分、质地等均可影响伴矿景天的生长和修复效率。因此，如何提高土壤镉的生物有效性和伴矿景天的生物量，进而提高镉修复效率是目前研究的热点。

通过分析中国知网（CNKI）和Web of Science数据库收录的与伴矿景天相关的中、英文文献发现，已有研究多关注伴矿景天的生理特性、修复机理和修复效果，部分研究关注修复效果改良，但相关研究表明现有改良方法仍缺乏潜力，不同研究间缺少相互联系，难以综合地评估修复效率，从而阻碍了伴矿景天田间修复的推广应用。本研究梳理了国内外伴矿景天修复土壤镉污染的相关文献，通过文献对比分析，综述了伴矿景天土壤镉污染修复的研究现状和存在问题，并对伴矿景天修复效果改良、田间修复推广等未来发展方向进行展望。

1 文献调研和可视化分析

分别以“伴矿景天”和“”为关键词，检索CNKI数据库和Web of Science数据库的中、英文文献发现，最早研究发表于2006年，相关中、英文文献数分别为116篇和164篇。CNKI和Web of Science中出现3次及以上的关键词分别为29个和65个，以此为数据源，利用文献计量分析软件VOSviewer可视化分析该领域关键词密度和共现网络，结果如图1所示。

图1 CNKI和Web of Science中伴矿景天相关研究的关键词共现密度与网络可视化分析Figure 1 Visualization of keyword density and network of the studies for cadmium-contaminated soil remediation with Sedum plumbizincicola in the database of CNKIand Web of Science

图1a和图1b分别是CNKI和Web of Science中伴矿景天关键词的可视化图，二者前10位高频关键词如表1所示。CNKI的高频词是：伴矿景天、重金属、植物修复、镉、间作等，表明相关研究注重伴矿景天的实际应用，即研究伴矿景天修复农田镉污染土壤的实际效果。Web of Science的高频词是：heavy metal、uptake、analysis、process、等，表明相关研究多关注伴矿景天的修复机理和对重金属吸收的过程。CNKI库关键词较少，网络简单，近年出现较多的关键词分别为植物吸取、还田、汁液，表明相关研究多关注伴矿景天产后处理问题。Web of Science库关键词较多，网络复杂，近年出现较多的关键词分别 为phytoremediation process、complexation、environment risk，表明相关研究多聚焦于伴矿景天修复过程中的相关环境风险问题。综上所述，伴矿景天的相关研究一方面关注实际应用，通过田间实验研究伴矿景天的修复模式、修复强化方法，另一方面则从微观机制出发，探究伴矿景天的生理特性和富集解毒机理，且近年较多关注生物炭或微生物的强化修复作用，以及产后处理技术的环境风险问题。

表1 CNKI和Web of Science中伴矿景天修复镉污染土壤研究的高频关键词Table 1 High-frequency keywordsof the studies for cadmiumcontaminated soil remediation with Sedum plumbizincicola in the database of CNKIand Web of Science

2 伴矿景天的镉吸收转运机制

分析Web of Science库的高频词可知，伴矿景天的生理特性和吸收转运机制是研究热点之一。伴矿景天能将大量镉富集至地上部并隔离，而不影响其自身正常的生长代谢，镉从土壤到植株的迁移路径如图2所示。根毛区是伴矿景天植株主要的镉吸收部位，其细胞质膜中分布着丰富的离子转运蛋白。镉由非选择性阳离子通道主动吸收进入伴矿景天根部，并通过共质体途径运至植株其他部位（图2a）。在此过程中，土壤中的钙、钾、铝均与镉竞争非选择性阳离子通道的吸附位点，从而抑制伴矿景天对镉的吸收。伴矿景天茎、叶细胞壁果胶酯化程度较低，富含羧基，能有效络合镉，缓解镉对植物组织的毒害，是镉进入伴矿景天体内的主要储存部位（图2b），各部位结合镉的能力不同，水培镉浓度为112 mg·L条件下，伴矿景天茎细胞壁镉浓度约为叶细胞壁镉浓度的1.13倍。

图2 伴矿景天的镉吸收运输机制Figure 2 Mechanisms of cadmium uptake and transportation by S edumplumbizincicola

伴矿景天根际特性极大地影响着其对镉的富集。如图2c所示，伴矿景天通过根系分泌小分子有机酸和大量吸收钙离子导致根际土壤酸化，从而增加了根际土壤中镉的生物有效性。因此，种植伴矿景天后，有必要考虑镉活化后的淋失风险问题。同时，一些根际促生微生物可在根际形成生物膜来吸附镉（图2d），并分泌生长素、ACC脱氨酶和铁载体等促生物质，通过代谢活化伴矿景天根际的镉和磷等，使伴矿景天生物量和镉积累量增加。

伴矿景天的镉超富集能力还与土壤理化性质，如共存离子、pH等密切相关。土壤中的Al一方面能影响伴矿景天根系生长，另一方面因其根表对Al的亲和能力明显强于Cd，从而可显著抑制根系对镉的吸收转运。当土壤铝含量达到500 mg·kg时，伴矿景天生物量、镉积累量分别降低80%和93%。伴矿景天生长最适pH约为5.5，此条件下其对土壤镉的活化及抵抗酸性毒害的综合效应最大。综合以上伴矿景天根际富集特性，可通过施加活化剂、有机酸等方法增加土壤镉有效性，增施碱性肥料和石灰等方法调节土壤pH改善生长条件，从而增强伴矿景天修复效果。

3 伴矿景天的镉富集和解毒机制

作为镉超富集植物，伴矿景天对镉有着超强的耐受能力和富集作用。如表2所示，伴矿景天体内存在、和等一系列镉的调控基因，合成的相关功能蛋白能络合降低镉的活性或将镉转移至生理活性较低的组织以缓解镉的毒害。伴矿景天体内相关功能蛋白包括（类）金属硫蛋白、植物螯合肽酶与膜转运蛋白等，分别通过巯基络合作用降低镉活性、调控镉向地上部运输至特定部位累积隔离来实现镉毒害的缓解（图3）。

表2 伴矿景天缓解镉毒害的调控基因Table 2 Regulatory genes to mitigate the toxicity of cadmiumin Sedum plumbizincicola

巯基对镉的亲和能力高，极易络合游离态镉。伴矿景天通过调控含巯基蛋白的表达，能有效降低体内活性镉浓度，提高对镉的超耐受能力。伴矿景天体内调控表达巯基蛋白的基因包括、和3种。和表达的（类）金属硫蛋白含半胱氨酸残基，其巯基与游离态镉结合，调控镉在植株体内的运输（图3①）。伴矿景天根系中基因的表达高于茎叶，其能够减少根部细胞液泡对镉的截留，促使镉向地上部长距离运输，增强伴矿景天地上部对镉的富集。如图3②所示，表达的螯合肽合酶能催化谷胱甘肽合成植物螯合肽（Phytochelatins，PCs），其分子亦富含巯基，能将细胞质中的镉以PCs-镉螯合物形式转运进液泡中隔离解毒。当镉有效浓度大于45 mg·L时，基因表达显著增加，表明PCs仅在镉浓度高时起应急作用，并不是伴矿景天的主要解毒机制。

镉超富集植物通过调控镉转运蛋白的表达，促使镉向地上部运输，故能超富集镉。伴矿景天体内编码膜上镉转运蛋白的基因包括、和。表达叶绿体被膜上的镉转运蛋白（图3③），其能够将镉从叶绿体内输出，保护叶绿体免受镉毒害，维持伴矿景天光合系统正常功能。和表达液泡膜上的镉转运蛋白（图3④），能够将Cd从细胞质运输到液泡内隔离解毒。伴矿景天根中基因的表达量高出茎叶中数十倍，从而促使镉向地上部长距离运输。伴矿景天茎叶中基因的表达量高出根中8～15倍，从而促使镉在茎和叶中富集。伴矿景天体内的富集转运基因使大量镉富集到地上部，未来可基于分子生物和基因工程技术进一步研究其基因库，提升伴矿景天富集能力或开发更多转基因超富集植物。

图3 伴矿景天镉富集和解毒的分子机制Figure 3 Molecular mechanism of accumulation and detoxification in Sedum plumbizincicola for cadmium

4 伴矿景天修复镉污染土壤现状

2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤镉点位超标率达到7%，而耕地点位超标率达到19.4%，主要污染物为镉。为严守耕地红线，保证粮食生产安全，构建高效修复与安全生产的植物修复模式至关重要。针对轻中度的镉污染农田土壤，实施伴矿景天-农作物间套轮作，并配施钝化剂的修复模式（表3），可实现边生产边修复。文献计量分析结果表明，CNKI库的高频词有植物修复、间作、轮作等（表1），说明伴矿景天修复农田污染土壤的模式是科研工作者目前关注的热点之一。

伴矿景天与低积累农作物间作，可有效提高其修复效率，并保证农产品质量安全。间作时，伴矿景天的根系分泌物扩散到与其间作植物的根际从而活化重金属，为保证农作物安全生产，需配施钝化剂以减少农作物对镉的吸收。如表3所示，盆栽条件下，伴矿景天与玉米间作一季，可配施复配制剂、生物炭（10～50 g·kg）等钝化剂，提升伴矿景天镉积累量，同时使玉米茎叶镉含量降至《饲料卫生标准》（GB 13078—2017）中的限量以下。大田实验中，伴矿景天连续与玉米间套作，可增加土壤镉去除量，并保证玉米籽粒镉含量降至《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中的限量以下。加强对低积累粮食作物的筛选，并与伴矿景天配套种植，对提高伴矿景天修复效率、保证粮食生产安全具有重要意义。

伴矿景天与作物轮作时，因其根系对土壤镉有活化作用，故修复后有效态镉浓度存在超标风险。因此种植后茬农作物时，需通过施加钝化剂、调控土壤氧化还原状况等措施降低土壤镉的有效性。如表3所示，将伴矿景天与水稻轮作，并在水稻换茬期施海泡石、生石灰和钙镁磷肥等钝化剂，可使土壤镉含量降低、伴矿景天的镉积累量提升、水稻糙米镉含量低至0.17～0.24 mg·kg。轮作时还可辅以施加硫养分（0.5～2 g·kg）、水分管理等措施，从而调控土壤氧化还原状况，改变镉的有效性。例如，伴矿景天种植期间控制田间水分使土壤处于氧化状态，硫氧化过程导致土壤酸化，从而提高土壤有效态镉含量，使伴矿景天植株内镉含量提高67%～167%。水稻种植期间，淹水使土壤处于还原状态，此时还原态硫与镉形成硫化镉，镉的有效性降低，水稻对镉的吸收减少，糙米镉含量降至0.04～0.09 mg·kg，降低了34%～72%。

表3 伴矿景天与农作物间套作和轮作的修复效果Table 3 Remediation efficiency of intercropping and rotation of Sedum plumbizincicola with crops

目前，伴矿景天对土壤镉污染修复的研究多集中于实验室研究，田间应用推广有限，目前还在示范修复环节，未形成完整的修复应用技术体系；田间多配施活化剂、钝化剂，且与低积累作物间作、轮作，同时结合相应田间农艺措施进行修复。由于田间条件复杂、土壤有效镉含量多变，上述修复技术实际推广时仅依据实验室修复结果推测田间修复效果的误差会较大，需加强伴矿景天田间修复的相关研究。

5 伴矿景天修复镉污染土壤的效果强化

我国农田土壤镉污染程度相对较轻，植物可利用的有效态镉较少，且伴矿景天生物量较小，严重制约了修复效率的提升，延长了修复周期。如何增加土壤有效态镉含量、增大伴矿景天生物量是提高修复效果的关键。为进一步提升伴矿景天修复土壤镉污染技术的实用性，目前分别从物理、化学和生物措施等方面展开相关研究（图4）。

图4 伴矿景天农田镉污染修复效果的强化措施Figure 4 Technologies to promote the remediation efficiency of Sedum plumbizincicola for the cadmium contaminated farmland soils

5.1 物理措施

物理措施主要通过调控伴矿景天生长的水、肥、光、热、气等，有效提升其生物量，强化其修复效果。例如，当土壤水分含量达到最大田间持水量的70%时，伴矿景天地上部生物量最大；光照强度亦可影响伴矿景天生长，光照强度小于400μmol·m·s时，伴矿景天地上部生长受限，修复效率显著下降；覆膜处理可保持温度、减少土壤水分蒸发，使其地上部生物量提高25%，秸秆覆盖也能使伴矿景天生物量提高10%～12%、镉积累量提高14%～21%。土壤紧实度不同程度地限制了伴矿景天的根系生长，与原状土相比，低、高压实处理使其地上部生物量分别下降67%和84%，从而降低镉修复效率。影响伴矿景天生物量的农艺因素很多，目前并未研究不同措施综合影响的结果，还需通过田间实验进一步评估农艺调控措施的改良效果。

5.2 化学措施

化学措施主要通过调节土壤中镉和营养元素的有效性，促进伴矿景天生长和对镉的吸收，强化其修复效果。向土壤中添加活化剂、改良剂（表4），可增加土壤有效镉浓度，强化修复效果。常见的镉活化剂有柠檬酸、草酸、EDTA等，其能使土壤有效态镉含量增加8%～13%，伴矿景天镉积累量增加21%～33%。有机肥是常用的土壤改良剂，能使伴矿景天镉积累量提高23%～95%。羟基磷灰石和钙镁磷肥不仅可为伴矿景天提供生长必需的磷元素，前者还能将土壤有效镉含量降低50%，后者能将伴矿景天镉积累量提高60%。向土壤中添加活化剂或改良剂虽简单有效，但实际应用中需考虑成本和后续稳定效果，以及活化剂、改良剂对土壤质量的影响。

表4 伴矿景天修复镉污染土壤效果强化的化学措施及其强化效果Table 4 Chemical technologies and its remediation efficiency promotion of Sedum plumbizincicola for the cadmium contaminated soils

5.3 生物措施

某些特定动物或微生物与伴矿景天共生，能提高伴矿景天根系对土壤养分的吸收利用，增加植物生物量。同时，生物也通过自身生长代谢分泌小分子有机酸增加土壤有效态镉含量，促进伴矿景天对镉的富集，提升污染土壤镉修复效率。土壤动物（如蚯蚓）是土壤生物的重要组成部分，蚯蚓的生长代谢活动能有效改善土壤结构，加快养分循环，增强伴矿景天的养分吸收，使生物量提高106%、镉积累量提高72%，显著强化了修复效果。

土壤微生物可促进富集植物生长，并增加土壤镉有效性，提升修复效率，现已明确与伴矿景天共生的微生物如表5所示。伴矿景天根际土壤中分离的本土促生微生物主要通过分泌促生物质、活化土壤养分和镉来提高伴矿景天生物量，从而促进镉的吸收；从伴矿景天体内分离的E2S2和E6S菌株及从根际土壤中分离的SC2b和RC6b菌株，均能分泌ACC脱氨酶和吲哚乙酸等物质，不但可促进伴矿景天生长，且能活化镉和磷酸盐，增加有效镉浓度的同时改善磷营养状况，使伴矿景天干质量分别提高32%、28%、42%、22%，镉含量分别提高44%、32%、14%、57%，修复效果显著增强。伴矿景天根际土壤中分离的耐镉真菌NSE1菌株的细胞壁能够吸附钝化镉从而降低镉有效性，同时能分泌促生物质、活化磷促进伴矿景天生长，使伴矿景天干质量和镉含量分别提高46%和6%。另一种景天科植物根际分离的NSX2菌株与伴矿景天共生，显著提高了根际微生物群落活性，使叶片总叶绿素含量提高了25%，伴矿景天镉积累量增加了22%。目前根际微生物联合超富集植物修复土壤镉污染的研究是以单个微生物菌株为主，而越来越多的研究表明，除了根际促生菌外，本土微生物种群也是影响伴矿景天修复效率的关键，但二者交互作用对修复效率的影响尚不明确。

表5 强化伴矿景天修复镉污染土壤效果的微生物Table 5 Microorganisms for promoting the remediation efficiency of Sedum plumbizincicola for the cadmium contaminated soils

除接种本土促生微生物强化伴矿景天修复效果外，接种其他具有促生作用的微生物也可强化伴矿景天的修复效果。如木霉菌（）与伴矿景天联合修复镉污染土壤时，木霉菌的代谢物能溶解难溶态铁、钙、锰、磷等，增加养分元素的生物有效性，提高伴矿景天对养分元素的利用效率；木霉菌也可分泌生长素、ACC脱氨酶和铁载体，显著提高土壤微生物数量和代谢活性，提高伴矿景天生物量，使镉积累量提升26%～49%。伴矿景天与耐镉菌（Cadmium-tolerant strain m6）联合修复时，耐镉菌不但提高了土壤微生物活性和群落结构多样性，而且能活化土壤中的残渣态镉，使有效态镉含量增加了11%。接种巨大芽孢杆菌（）后，土壤有效镉、磷、钾含量分别提高15%～45%、8%～19%、1%～31%，伴矿景天镉积累量增加41%～169%。伴矿景天接种微生物可极大提升修复效果，并改善土壤生态，是一种绿色高效的修复方法。未来需进一步加强对耐镉、促生微生物的筛选，为植物-微生物联合修复提供理论依据和实验支撑。

6 伴矿景天产后处理技术

随着植物修复技术进入田间示范和应用阶段，超富集植物的产后处理问题亟待解决。每公顷伴矿景天生物质产量高达12 t，其不仅富含大量重金属，同时也是潜在的生物质能源。伴矿景天生物质再利用不合理，不仅会导致巨大的环境风险，而且会造成资源的浪费。因此，大量富含重金属的生物质的处理技术应基于减量化、无害化和资源化原则，将重金属从生物质中提取出来，并将生物质转化为能源。

基于减量化原则，可通过破碎压榨、焚烧法等处理伴矿景天生物质。破碎压榨法是将伴矿景天鲜样分成残渣和汁液，再加入聚合氯化铝絮凝、NaOH碱化、三巯三嗪钠盐络合，该方法可将汁液中的镉含量降低至0.07 mg·L，低于《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）。焚烧法可降低生物质质量，使灰分中镉生物有效态含量和浸出毒性分别降低25%和56%。上述两种方法工艺简单、成本较低，但未实现生物质资源化，且处理过程易导致二次污染。

基于无害化原则，可通过共燃烧法处理伴矿景天生物质。温度、氧气含量、共燃烧物质配比均可影响镉在燃烧产物中的分布，其中温度的影响最大。伴矿景天与煤在高温条件下可形成CdSO、CdO等固体底灰，在650℃、10%煤炭比、21%含氧量条件下可将74%的镉固定在底灰中；伴矿景天与污泥在高温条件下可形成CdSiO、CdO等固体底灰，且污泥中的SiO、AlO也可吸附镉，在650℃、30%污泥比条件下可将98%的镉固定在底灰中，最大程度降低了挥发和飞灰形态镉的损失。共燃烧法虽工艺简单、能处理多种废弃物，但其能耗较高，且未实现生物质资源化。

基于资源化原则，可通过热解、水热液化、超临界水气化等方法处理伴矿景天生物质。伴矿景天热解后镉生物有效态含量和浸出毒性分别降低35%和62%，产生的生物炭负载硫制成的CdS@C纳米光催化材料，可作为高效光催化剂用于有机污染物的光降解。水热液化法则可将伴矿景天分解为生物质油、重油和水热炭，镉主要分布在水热炭中，在重油中含量小于10%。超临界水气化法则是将伴矿景天分解为氢气、生物质油和生物炭，99%的镉固定在生物炭中。上述方法可实现生物质资源的高效安全利用，但缺点是工艺相对复杂，推广难度较大，后续研究应进一步关注生物炭中镉的安全性。

近年来伴矿景天产后处理技术发展迅速，基本可以实现减量化、无害化处理。目前虽已掌握将其转化为高性能燃料、生物炭和生物质油等资源化的方法，但应用推广仍受到以下因素制约：（1）大量的生物质收集与处理极其费时费力，包括收割、运输、干燥、粉碎等基本回收步骤，尚未形成完整处理流程；（2）干物质处理成本高，现有的分解生物质所需的设备和技术体系并不符合低能耗、高效率和无污染的要求；（3）生物质处理工艺流程需简单、易操作，且保证资源化产物安全无污染，确保回收工艺不产生粉尘等二次污染物，且回收的生物质油和生物炭镉含量达到安全利用标准。因此，有必要继续开发伴矿景天产后处理资源化技术，完善生物质回收处理流程，加大低能耗、高效率、易操作设备的研发力度，完善工艺处理链，加强生产过程和产物再利用的环境风险评估，以实现伴矿景天田间修复技术的大范围推广和应用。

7 展望

植物修复作为经济有效的方法在农田土壤重金属修复领域受到广泛关注。当前，我国农田土壤镉污染的伴矿景天修复技术理论相对成熟，但仍存在不足之处：

（1）伴矿景天根际特性、富集解毒机理已基本明确，未来可基于分子技术和基因工程技术等生物学手段，一方面加强伴矿景天对环境的适应性，拓宽其适宜种植区域，另一方面开发更多具有高生物量和高累积量的超富集植物，提高植物修复效率。

（2）田间修复中，伴矿景天可与农作物间作或轮作，并配施钝化剂、活化剂等，达到修复效果的同时实现农产品安全生产，但其推广应用仍相对薄弱。结合我国不同地域的土壤、气候特征和农业发展趋势，应筛选适合与伴矿景天间套作的低积累作物，并建立适宜的种植模式，真正实现镉污染土壤的边生产边修复。

（3）伴矿景天可通过焚烧法、热解法、水热液化法、超临界水气化等方法制成高性能的生物炭和生物质油，实现生物质资源的高效安全利用。现有处理技术仍受成本高、效率低、工艺复杂、易产生二次污染等因素的制约。未来需进一步拓宽伴矿景天生物质高附加值资源化利用途径，完善资源化工艺处理链，加强产后处理过程和产物再利用的环境风险评估，实现农田土壤镉污染的绿色可持续修复。