镉污染土壤的植物修复综述

龙良俊，张晓娅，罗晶晶，刘方

(重庆工商大学 环境与资源学院，重庆 400067)

土壤中的镉(Cd)富集分为人为来源和自然来源。通常，人为来源主要是农药、制造、车辆排放、灌溉废水、冶炼和采矿[1]，而岩石的地质风化是镉污染物的主要自然来源[2]。据报道，镉毒性可通过各种方式破坏人与动物的生理健康[3]。因此，对受污染的城市和农业用地进行经济有效的补救是对可持续农业发展前景的迫切需求。目前，已经采用了不同的方法，例如生物、化学和物理方法，以修复土壤中的重金属污染物。由于各方面限制，存在较多问题。

目前，植物修复是一种经济有效且环保的土壤修复技术。但是，由于植物修复仍处于调查和进展阶段，因此仍需花费大量时间才能取得丰硕的成果，并且必须克服一些技术障碍。

1 镉毒性对植物的危害

镉对植物生长和代谢的危害因植物种类而异。植物中的镉浓度是土壤中镉含量的直接函数。生长培养基中镉浓度的增加导致其在植物不同部位的积累随后增加[4]。即使微量存在，也可能改变植物的生长和代谢。其他几项研究报道，与芽相比，小麦幼苗根中镉的积累较高[5]。

在一些研究中，镉的毒性与根部干物质积累有关，会使它们变黑，并导致侧根生长减少。水稻植株还具有成熟的质外体途径，与根系发育相关，孔隙率提高，每单位表面积的根尖很少。在柑橘属中，幼苗萎黄变黄，随后在氯化镉(CdCl2)处理下最终死亡[6]。相比之下，据报道番茄植株可短期暴露于高浓度(250 μmol/L)的CdCl2中[7]。胡萝卜和萝卜中镉暴露量的增加由于根中镉积累的增加而显著抑制了自由基的产生。此外，在镉胁迫下的香菜幼苗中发现了相当高的金属浓度，但植物没有显示任何视觉胁迫症状[8]。

高浓度的镉对植物生长的形态，生化和生理影响更为明显。对番茄的形态生理生长参数的评估表明，在高镉浓度下，根冠生长以相对速率下降，这可能归因于吸收减少，幼苗中的水分含量降低。文献表明，镉胁迫减少了小麦、豌豆、黄麻和小白菊的根冠长度[9]。

Wu等描述了通过施用镉增加净光合作用速率，这转化为净生物量的增加[10]。相反，据报道，镉的毒性会通过降低水分利用效率(WUE)和光合作用的净速率来抑制植物的生长[11]。在镉胁迫下，观察到雌性杨树的叶面积和干重明显减少。相反，在镉胁迫的番茄和黄瓜中已经报道了生长抑制和光合性能受到干扰。进一步报道了镉暴露会降低油菜的气孔导度和光合作用的净速率[12]。

镉的毒性也影响植物的质膜，这可能归因于电解质的泄漏，以及诸如H-ATPase抑制作用的膜蛋白[7]。并且，镉毒性会影响DNA修复系统。因此，在菜豆和豌豆中，由于直接施用镉，基因组模板的稳定性明显降低[13]。

响应于镉诱导的氧化应激而产生的活性氧(ROS)会影响电子的传输并将电子泄漏至分子氧[14]。发现镉的高剂量对花生有毒，其特征是在细胞质中ROS的产生和积累。而且，它破坏了质膜的完整性和选择性转运系统，导致细胞中的金属转运。此外，暴露于镉的小麦幼苗中ROS的过量生产，以过氧化氢(H2O2)含量和丙二醛(MDA)含量增加为特征，与遗传毒性有关[15]。作为无柄植物，植物试图通过采取各种防御机制来躲避其有害作用，这些机制包括抗氧化剂激活和金属稳态的其他机制。作为响应，植物已经开发了酶促和非酶促抗氧化剂机制。发现芥菜中过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化物酶(POD)的活性增强，可对抗镉的胁迫[16]。在另一项研究中，谷氨酸介导的镉毒性缓解减轻了ROS诱导的膜脂质过氧化，金属吸收和向水稻新芽的转运，并改善了叶绿素的生物合成。

2 植物修复过程及其显著特征

植物修复是指植物对环境的生物清洁。植物与微生物具有共生关系，有助于土壤的修复，特别是重金属和有机污染物的修复。植物修复由于其对重金属的卓越的去污能力以及对环境的二次废物流入量最小，因此通常被认为是绿色技术。另外，植物修复由于其易于应用、成本低廉和环境友好的性质而被公众高度接受。但是，在参与植物修复过程的植物中观察到了阻碍生长的活动，例如生物量减少和对镉的敏感性增加。

植物修复涉及各种过程，例如植物提取、植物蓄积、植物挥发、植物稳定和植物转化。植物提取和植物积累过程共同起作用。例如，在植物提取过程中，植物从土壤中吸收了重金属，例如镉、锌、镍、铬以及其他矿物质和养分。之后，这些元素借助植物蓄积机制在芽和叶中积累。以前已经报道了许多植物物种的高蓄积能力，它们都具有植物修复的潜力。

在镉的植物修复中，通常将植物吸收或转移到可收获的植物部位中。植物已经进化出许多不同的适应性，即使在高镉污染的土壤下也能保持正常生长，这也包括解毒机制。植物部位的镉含量呈现的趋势：根>茎>叶[17]。许多技术被用于提高镉植物修复的效率。

2.1 植物提取

该技术用于通过茎和根吸收无机和有机污染物。该技术应选择已在生态系统中生长的植物。收获后，将它们暴露于另一种称为合成的方法中，或在焚化炉中燃烧。超积累家族，如玄参科、唇形科、菊科、大戟科和十字花科，对于该技术是必不可少的。此外，一些特定的植物物种，如鸡冠花、柳木、阿拉西亚草、豆、茄属茄子、苦瓜、烟草、鸡眼草和大叶桃花心木可用作增加镉植物提取过程的潜在植物选择[18]。此外，植物提取的一个细分部分，称为螯合物辅助植物提取，也可以用作没有过度积累物种的可能解决方案。几种氨基多元羧酸和螯合剂已应用于土壤，以增加微量元素的溶解度。例如，Farid等优选EDTA辅助的镉的植物提取[19]。

植物提取可通过改善基质地球化学来帮助降低准金属的毒性，以供将来本地植物定殖。这是一种有效的、可负担的、环境友好的、具有潜在成本效益的土壤修复技术。尽管植物提取具有公认的优点，但也有一些缺点，如修复高污染土壤所需的时间可能是几十年，并且对矿山废物的使用存在限制。大多数情况下，高蓄能植物已开发出仅累积一种金属，并且可能对其他元素的存在敏感的植物。

2.2 植物稳定化

从植物提取到植物稳定化已经有了进步。植物稳定化是指植物通过与生物分子结合来存储和固定重金属的能力。此过程可阻止金属的运输，并将其转化为毒性较小的物质。在受污染的土壤上生长的大多数植物不是超蓄积性的，而是作为排斥物。排斥物将金属和准金属转化为毒性较小的移动形式，而无需从土壤中提取它们，并且通过根际内的吸收或沉淀将这些化合物积累在根中。最近，已有文献报道紫罗兰对镉的植物稳定作用具有令人期待的结果[20]。同样，巨芒、燕麦和白芥末也具有镉的植物稳定潜力[21]。在另一个例子中，据报道，Fe-Si-Ca、有机肥料和椰子壳生物炭的假定作用增强了苎麻对镉的植物稳定能力[22]。

植物稳定化是一种新兴的生态友好型植物技术，可以固定环境毒素。根系参与植物的稳定，因此植物的金属利用率降低，从而减少了对其他热带环境的暴露。同时，主要的缺点是污染物残留在土壤或根系中，通常在根际中。

2.3 植物过滤

植物过滤被归类为根滤，包括胚滤(使用幼苗)和钙滤(使用离体植物)[23]。根际过滤是对水的修复，其中根可以有效吸收污染物。在根际过滤中，污染物附着或吸收到根部，并可以被运输到植物中。该方法主要用于对地下废物或污水进行消毒。大部分放射性物质或金属通过这种方法去除。Abhilash等通过使用黄柠檬作为实验植物来增加水中的镉吸收[24]。Islam等报告了矮婴泪草的植物过滤能力，可从水培系统中去除镉和砷[25]。在另一个实验中，竹叶蕉的根滤潜力具有去除锌和镉的能力，并建议使用根滤技术消除镉。

这是一种经济高效的技术，植物充当太阳能驱动的泵，从环境中提取污染物。但是，不会提取低于生根深度的任何污染物。这是一项耗时的技术，无法同时提取有机污染物和金属污染物。

2.4 植物刺激

植物刺激是通过刺激根释放的化合物以增强微生物活性来促进植物修复过程的技术。这些分泌物通过满足其营养需求来促进微生物生长。根治技术中正在使用此过程，这是一种去除镉和其他有机化合物的低成本技术[26]。另一种方法是将抗微生物接种剂添加到土壤中，这可能导致包括镉在内的重金属的积累。

这是将有毒污染物转化为无毒化学品的更有效技术。原位和异位实践都可以通过低成本的治疗方法来完成[27]。微生物能够帮助限制植物病原体的生长并提高固氮能力。但是，这是一项更耗时的技术，易地使用挥发性和可生物降解的化合物并非易事。该过程对土壤中的毒性水平敏感，在某些情况下，观察到有机化合物不完全分解。此外，该技术需要良好的监督机制。

3 植物修复对土壤中镉去除的影响

镉污染土壤的植物修复已在世界范围内引起严重关注。在植物修复中，高蓄积植物尤为重要，因为它们能从土壤中吸收镉。不同植物从土壤中提取镉的能力各不相同。在提取过程中，镉的亲和力低，并且具有流动性[28]。镉在土壤中的流动性使植物很容易从土壤中提取镉，然后将其从根部运输到地上部分。促进镉处理的一些因素是pH、温度和土壤中其他重金属的存在。例如，在野外条件下测试了香樟、假单胞菌、康乃馨和烟草，这些植物生长土壤都被镉严重污染。然而，所有测试过的高蓄积植物都显著降低了土壤中的镉浓度[29]。

4 螯合物辅助的镉植物修复

因植物提取技术的局限性，螯合剂的使用被认为是对其他传统方法进行污染土壤修复的合适替代方法[30]。通常，螯合剂之所以被称为刺激螯合剂，是因它能将二价和三价阳离子金属释放到土壤水中以增强其在植物根部的吸收。它们分为三类：①合成氨基多元羧酸(APCA)，例如EDTA、乙二醇四乙酸(EGTA)和十二烷基硫酸钠(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)、柠檬酸(CA)和酒石酸(TA)的低分子量有机酸(LMWOA)[31]。

已经对EDTA进行了一些植物提取研究，认为EDTA是能对污染水和污染土壤进行有效的重金属提取的螯合剂。在一些研究中，已经报道了在污染土壤中使用EDTA会导致植物生长在地面部分的镉积累升高[32]。由于稳定的EDTA-金属络合物在土壤水中具有长期持久性，因此引起了人们对土壤金属阳离子的淋溶和地下水污染以及对根际微生物的不利影响的担忧。因此，提出了天然螯合剂，例如EDDS，作为可生物降解的螯合剂，替代EDTA[30]。与EDTA相比，使用EDDS可以减少金属的浸出，但不能完全防止它的浸出。例如，Evangelou等描述EDDS的半衰期取决于添加到土壤中的EDDS的剂量，在4.2～6.6 d之间，小于EDTA；但是，有镉和铜的浸出[33]。APCA螯合物有助于增加镉在土壤中的溶解度和有效的植物提取作用，但对消除镉没有作用。已建议在镉污染的土壤中添加低剂量的LMWOA，作为其他螯合剂进行植物修复的合适替代方法，通过①形成可溶性有机酸-镉复合物；②为存在于根际的微生物提供碳源并增加其多样性；③修改土壤质量；④高度的生物降解性和低浸出风险；⑤并且还改善了土壤酸度，从而提高了镉离子在土壤水中的溶解度。

通常，在土壤中使用螯合剂，会降低植物的生长和生物量，以及对土壤质量造成不利的影响[34]。此外，一些研究已经报道了EDTA可以提高镉在土壤中的迁移率以及其被根部吸收的能力，尽管EDTA不能克服镉从根部转移到枝条的限制[35]。由于吸收的EDTA-Cd复合物通过质外途径移动，而凯氏带和木栓质沉积的存在破坏了该复合物从根部向空中部分的转移，因此在根部积累的镉比空中部分要多[36]。尽管螯合剂增加了土壤中可溶性镉的含量，但考虑到土壤中钙和铁的含量较高以及它们与这些螯合剂的竞争，必须使更多的螯合剂进入土壤才能与镉结合。另一方面，植物仅能吸收一小部分可溶性镉，大量的可溶性镉螯合络合物仍然存在于土壤中[37]。值得注意的是，镉螯合物在很宽的pH范围内都是稳定的，不可避免地会浸出，它可能进入地下水并受到污染。

5 利用微生物进行镉的植物修复

重金属从不可用形式向可用形式的转化是决定植物修复命运的重要因素。据报道，许多微生物通过将镉分解到土壤中并使植物吸收镉来启动镉的植物修复。不同种类的微生物(细菌和真菌)在镉植物修复中发挥关键作用，通过激活各种机制并产生不同的化合物，例如铁载体、有机酸、聚合物质、生物蓄积和生物吸附。铁载体是分子量较低的铁螯合剂，通常有助于镉的植物修复[38]。土壤微生物会产生提高镉生物利用度的有机酸。另外，有机酸通过保持较低的水平来影响土壤的pH值，这有利于植物的提取过程，因此对于镉的植物修复至关重要。细胞外聚合化合物(胞外多糖、黏多糖和球蛋白)的分泌会降低镉的迁移率和生物利用度，这使其成为镉植物修复过程中必不可少的元素[39]。生物吸收和生物积累是指植物借助土壤微生物吸收和积累金属的过程。生物吸附和生物富集通过在根区对镉进行植物稳定化而对镉的植物修复起很大作用。

6 结论和展望

镉的植物修复为污染环境的恢复提供了广阔的空间，并提供了许多积极而令人满意的结果。通过查阅文献，很明显镉会干扰植物功能并作为外部刺激。可通过各种生理和代谢途径激活防御机制。多种植物修复策略为以最环保的方式原位修复镉提供了经济高效的最佳前景。为达到成功修复的目的，至关重要的是利用镉超蓄能的突出生理特征来提取、转化或稳定镉。植物修复潜力和对镉的耐受性提高可以算作是利用植物物种积累潜力的第一步。另一方面，同样重要的是要考虑污染物对修复潜力的拮抗和协同行为，并确保在进一步控制或加工过程中采用对生态负责的替代方法，这必须在严格控制的环境下进行。

值得注意的是，植物修复工具仍处于检查和开发阶段，需要解决许多技术障碍，因此仍需花费大量时间才能取得丰硕的成果。在特定地点环境下发生的多方面连接需要采用多种学科的方法进行金属植物提取。