利用杨树修复重金属污染土壤的研究进展

侯 庚

(辽宁省杨树研究所，辽宁 盖州 115213)

1 杨树用于修复土壤重金属污染的优势

目前，土壤重金属污染治理技术主要有物理治理技术、化学治理技术、生物治理技术(包括植物修复法、微生物修复法、农业生态修复法)等。植物修复法是一种新兴的重金属污染土壤修复技术，具有经济和环境友好等特点[1]。

杨树作为我国平原地区重要的造林树种，分布范围广泛，具有易于繁殖、生长快、根系发达、生物量大等特点，为重金属的富集及转运提供了可能。杨树品种丰富，尤其近年来，杨树育种成果颇丰[2]，选育出了大量具有抗寒、抗病虫、耐盐碱和耐重金属胁迫的优良品种，为修复土壤重金属污染提供了丰富的杨树品种。杨树作为绿化和用材树种，其生物产品不会进入食物链，从而不会进入人体而造成人体重金属中毒。关于杨树在修复土壤重金属污染的应用，许多学者做了相关研究，并取得了较好的修复效果[3-5]。上述优良特性为杨树应用于修复土壤重金属污染提供了可能。

2 杨树品种间修复能力的差异

在利用杨树进行土壤重金属修复时，需进行品种筛选。关于杨树品种修复能力的比较，研究者们采用了水培培养、组织培养、土壤培养等方法做了大量实验。吴凤霞[6]采用水培的试验方法研究了3个砷(As)胁迫水平下9个杨树品种的光合参数以及不同杨树材料吸收、富集砷的特征，筛选出砷耐型杨树中林2025杨和砷敏感型杨树1-45/51杨。胡亚琼[7]采用离体培养的方法，研究了不同二价镉离子(Cd2+)浓度胁迫对银灰杨和84K杨试管苗生长和抗氧化酶活性的影响，通过比较二者的生长指标、不同Cd2+浓度胁迫抗氧化酶，表明银灰杨和84K杨都有一定抗重金属Cd污染的能力，但银灰杨的抗镉污染能力更强。张春燕等[8]采用土培的方法研究了3种重金属复合污染下14个杨、柳树品种的生物量、重金属含量和总吸收量、富集系数和转运系数，研究结果表明，综合考虑上述指标，61-1和南林95具有较强的富集能力，是理想的修复材料。鲁凡[9]以榆阳煤矿和榆树湾煤矿的复垦区为研究对象，通过比较沙蒿、沙柳、杨树、柳树和松树对重金属的富集能力，对修复重金属污染的优势树种进行了筛选，发现杨树对Cd具有较强的富集能力，可以用于土壤Cd污染修复的首选植物。这些研究表明，杨树对土壤重金属污染的修复能力存在品种差异，可以针对污染源筛选修复能力强的杨树品种应用于实践。

3 重金属污染对杨树生理生化及生长的影响

很多学者都做过重金属对杨树生理生化及生长影响的研究。2011年余洋[10]通过对铅(Pb)胁迫下杨树生理生化和根尖细胞骨架变化的研究发现，铅导致了叶片抗氧化酶系统活性及根尖细胞微管骨架排布的变化；并增加了根尖细胞胼胝质的沉积。张凯等[11]研究铜(Cu)、镉(Cd)胁迫对杨树叶片中防御蛋白活性的影响发现：其变化规律性与重金属质量分数和时间有关，高质量浓度Cd、Cu处理下试验叶片中的防御蛋白的活性在胁迫30～40 d后显著高于对照，并在第40 d时最大，之后随着处理时间的延长其活性显著低于对照；低质量分数Cd、Cu处理与对照相比差异不显著，在第60 d的时降到最小。谭灵杰[12]研究了盐镉复合胁迫下美洲黑杨多方面的性状差异，发现雄株对Cd具有更高的吸收能力，但在其它方面与雌株的差异未达到显著水平。杨叶[13]研究了3种杨树幼苗在锶(Sr)与柴油胁迫下的差异，结果表明，在锶胁迫下，低浓度锶对幼苗的株高等有促进作用，但随着处理浓度的升高则会表现出抑制作用；在复合胁迫下，则均表现为抑制作用，且与白杨相比，青杨与俄罗斯杨的降幅更大。

4 重金属在杨树体内的富集规律

关于重金属在杨树体内的富集，很多研究人员做过相关工作。刘乃闻[14]研究了矿区3种重金属在杨树中富集发现，镉在杨树体内的分布规律是叶>根>枝>干，树干中的含量则以靠近树根部分为最高，越往上其含量越低。李舒琦[15]采用双因素实验设计，研究器官、树龄对杨树吸收重金属的影响，研究发现凋落叶中Cu和Pb的含量是随着树龄的增加而显著增加的，与生长期叶片中含量相比达到了显著水平。齐洪涛等[16]研究了堆肥污泥对5种重金属在杨树幼苗中分布情况的影响，Cu、Zn和As在幼苗中的分布基本一致，表现为根>叶>茎，Cd主要富集在叶片中，Hg除富集在根部外还依次富集在茎和叶片中。郑慧芳[17]研究发现不同施氮量也会影响重金属在体内的富集，当施氮量较低时，杨树叶、根的细胞结构会产生变化，Cd更多地富集在根系中；当施氮量达到正常水平时，Cd在茎中含量增大，说明施氮量可影响杨树对镉污染的修复效率。

5 提高重金属污染土壤杨树修复技术的强化措施

目前，关于强化修复技术的研究主要集中在微生物联合修复、转基因技术和螯合剂的使用3个方面。

5.1 微生物联合修复

近年来研究发现，杨树可通过菌根(真)菌侵染获得更加丰富的水养物质，微生物在杨树修复土壤重金属污染的过程中也起到非常重要作用。豆青[18]研究发现，与不接种外生菌根真菌的青杨相比，在相同的铅胁迫浓度下，接种外生菌根真菌的青杨的株高和生物量均明显提高，且在高浓度铅胁迫下这种现象更加显著。同时发现，不同的外生菌根菌对青杨的侵染率不同，草地大马勃对青杨有更高的侵染率，可更好的提高铅胁迫的耐受性。

5.2 转基因技术

随着分子生物学实验技术的成熟，转基因技术越来越多的应用于各种研究。在研究杨树对重金属镉胁迫的分子生理响应机制时，何佳丽[19]发现相比于野生型杨树，过表达γ-glutamylcysteine synthetase基因杨树在地上部分富集了更为丰富较多的镉，除ROS外，总硫醇、GSH、GSSG以及可溶性酚和游离脯氨酸均是转基因杨树中含量较高，说明转基因杨树比野生型杨树具有更高的镉耐受性。赵思雯[20]从小黑杨叶片中克隆得到PsneIF5A2和PsneIF5A4基因，研究发现其在多个部位均有表达，在成熟叶片中转录水平最高。在重金属胁迫、盐胁迫和干旱胁迫时，荧光定量PCR检测发现，上述胁迫条件均诱导了该基因的表达，且以重金属胁迫和盐胁迫下表达量较多。

5.3 螯合剂的配合使用

近年来，研究学者开展了螯合剂添加对土壤中重金属生物有效性影响的研究，发现其可提高重金属在土壤中的有效性，因此常常采用投加螯合剂的方法来提高修复效率。李舒琦[15]研究表明，试验中的3种螯合剂均能显著促进土壤中Cu和Pb有效态的含量，但是活化能力略有不同。EDTA即可提高根和叶中Cu的含量又可提高叶片中Pb的含量，EGTA仅能增加根和叶中Cu的含量。金诚等[21]研究了干旱区农田土壤中Pb在投加3种螯合剂后吸收和富集特征。研究表明，EDTA、EGTA和CA均可显著提高土壤中水提态Pb的含量，活化强度从强到弱为EDTA>EGTA>CA。

6 展望

近年来，重金属污染问题凸显，植物修复土壤重金属污染应注重其对重金属的耐受性及修复效率。杨树作为一种优良的修复树种，首先应开展品种选育研究，针对不同区域选育出修复能力强的品种；其次应拓展杨树修复土壤重金属污染的强化措施；最后应从机理机制角度开展研究，挖掘杨树修复重金属污染的关键基因，利用基因表达调控来提高杨树对重金属的耐性等。