背景介紹： 隨著工業(yè)化,、城鎮(zhèn)化和農(nóng)村集約化的快速發(fā)展,，礦山開采和冶煉,、城市污水排放、含重金屬的農(nóng)藥和除草劑的大量使用以及畜牧業(yè)糞污的過量還田等都導(dǎo)致土壤系統(tǒng)中的重金屬累積量不斷增加,，同時(shí)重金屬在土壤中移動(dòng)性小,，不易淋溶，難以被微生物降解,，致使部分土壤中重金屬含量超過土壤合理容納量,，造成農(nóng)田作物減產(chǎn)甚至絕收，并且通過食物鏈在各個(gè)營養(yǎng)級(jí)之間傳遞和富集,， 將對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的潛在危害,。據(jù)統(tǒng)計(jì),，從2009 年至2011 年2月,，僅2 年間我國就有30 多起重特大重金屬污染事件，嚴(yán)重影響了群眾健康,。目前我國重金屬污染農(nóng)田超過3 億畝,，約占總耕地面積的16.67%。

據(jù)報(bào)道,，全球每年釋放的銅、鎘,、鉛,、鋅重金屬污染物分別達(dá)到93.90 萬噸,、2.2 萬噸、78.30 萬噸和135.00 萬噸,。治理土壤重金屬污染是21 世紀(jì)全球迫切需要解決的環(huán)境污染問題之一,。在治理土壤重金屬污染方法中，常用的有客土法,、施用石灰或者螯合劑,、化學(xué)淋溶法等方法,，這些方法在對(duì)污染土壤改良或者修復(fù)中雖具有一定的作用，但在實(shí)踐中卻往往都存在某些局限,。如工藝復(fù)雜,，耗時(shí)耗工，成本高昂,，且土壤結(jié)構(gòu)和肥力容易遭到破壞,，對(duì)于低濃度、大范圍重金屬污染的土壤不適于用上述方法治理,。

近年來發(fā)展起來的植物修復(fù)技術(shù)以其安全,、廉價(jià)的特點(diǎn)正成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。

“超富集”一詞源于Reeves 報(bào)道在新喀里多尼亞喜樹屬的一種植物對(duì)鎳的超累積吸收,，而超累積植物則在1977 年被Brooks 等首次提出,，并用于描述干葉片組織對(duì)鎳的吸收大于1000 μg·g^-1，是生長在非污染土壤中其他常見植物體內(nèi)含量100 到1000 倍的植物,。Reeves 在1992 年為鎳超富集植物下了明確的定義：“ 生長在自然棲息地的植株地上部干物質(zhì)中鎳的累積量至少達(dá)到1000 μg·g^-1”,。植物地上部干物質(zhì)中重金屬累積量達(dá)到某個(gè)臨界水平即可認(rèn)定為超富集植物。

按照Baker 等的報(bào)道,，重金屬超富集植物具有以下三個(gè)重要特征：第一,，超富集植物地上部分的重金屬含量是同等生境條件下其它普通植物含量的100 倍以上；第二,，在重金屬污染地生長旺盛,，生物量大，能正常完成生活史,，一般不會(huì)發(fā)生重金屬毒害現(xiàn)象,；第三，由于不同重金屬在地殼中的豐度以及在土壤和植物中的背景值存在較大差異,，因此對(duì)不同重金屬,，其超富集植物富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限也有所不同。根據(jù)Baker 和Brooks 的參考值,，鎘達(dá)到100 mg·kg^-1,，鈷、銅,、鎳,、鉛達(dá)到1000 mg·kg^-1 ，錳,、鋅達(dá)到10000 mg·kg^-1 可認(rèn)定為超富集植物,。

迄今為止，有關(guān)于超富集植物吸收富集重金屬的機(jī)理尚無明確定論。在重金屬的脅迫下,，植物根系分泌的高親和力大分子蘋果酸,、檸檬酸等有機(jī)酸可與重金屬結(jié)合形成絡(luò)合物，從而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收使土壤中自由重金屬的濃度降低,，進(jìn)而減緩重金屬的毒性,。Whiting 等研究發(fā)現(xiàn)，超富集植物相比于非超富集植物而言,，其根系更為發(fā)達(dá),，根毛更為稠密，對(duì)重金屬的吸收更為有利,。有研究表明,，非超富集植物主要吸收以水溶態(tài)和交換態(tài)形式存在的重金屬，而超富集植物除了直接吸收水溶態(tài)的重金屬之外,，可分泌相關(guān)物質(zhì)調(diào)節(jié)土壤環(huán)境降低pH 值使其酸化釋放其他形態(tài)重金屬,，進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收。Shen 等對(duì)超富集植物T. Caerulescens 的不同品系研究表明,，管家（housekeeping）基因是控制其對(duì)Zn超富集性狀的調(diào)控基因,。Lasat 等研究發(fā)現(xiàn)超富集植物T. Caerulescens 可高速、大量吸收Zn 的主要原因是,，因其根細(xì)胞質(zhì)膜上擁有更多的Zn²⁺ 運(yùn)載位點(diǎn)以及質(zhì)膜上有高密度Zn²⁺ 運(yùn)載蛋白,。

在自然界中,，由于鉛具有很高的負(fù)電性,，容易與鐵、鋁的氧化物,、有機(jī)質(zhì)及碳酸形成共價(jià)化合物,，因此難以被植物吸收，含量一般僅為10 mg·kg^-1 （干重）左右,，較難達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn),，已經(jīng)報(bào)道的鉛富集植物主要有以下幾種（表 1）,。

鋅是植物生長的必需元素，在植物體內(nèi)具有調(diào)節(jié)植物光合作用速率,，調(diào)控蛋白質(zhì)合成過程，促進(jìn)生長素合成等眾多重要的生理作用,。而過量的鋅卻能導(dǎo)致植物體內(nèi)葉綠素含量下降,，植株矮小等不良反應(yīng)。

鋅的超富集植物常見于十字花科遏藍(lán)菜屬的植物,，而何蘭蘭等以30余種十字花科植物為材料對(duì)鋅吸附特征的研究發(fā)現(xiàn),，印度芥菜（Brassica juncea）、蕓苔（Bnapus）,、蕪箐（Brapa）三種植物對(duì)鋅具有極強(qiáng)的吸收能力,，且其生物量可達(dá)遏藍(lán)菜的10 倍以上，是極具應(yīng)用價(jià)值的幾種植物,。自然狀態(tài)下鋅礦通常和鉛礦伴生,，因此在篩選鋅超富集植物時(shí)，要兼顧植物對(duì)鋅鉛兩種重金屬的耐性,，且兩種重金屬對(duì)植物的毒性不同,，這為篩選鋅超富集植物造成一定難度，因此關(guān)于鋅超富集植物的文獻(xiàn)報(bào)道就相對(duì)較少,。通過整理收集,，筆者將常見的鋅（超）富集植物歸納為表 2 。

鎘是一種具有強(qiáng)毒性的重金屬,，正常條件下,，植物體內(nèi)鎘含量一般不超過1 mg·kg-1，與其他重金屬相比具有高毒性特征,，對(duì)環(huán)境破壞性大,，同時(shí)鎘進(jìn)入食物鏈對(duì)生物體的毒害具有隱蔽性和累積性。

基于鎘的強(qiáng)危害性,，國內(nèi)外對(duì)鎘超富集植物做了大量的研究工作,。侯伶龍等通過采集自然條件的魚腥草和未受污染的土壤，在實(shí)驗(yàn)室條件下研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),，魚腥草（Huttuynia cordata）對(duì)鎘具有一定富集能力,， 雖未達(dá)到超富集植物水平，但因其根系發(fā)達(dá),，生長快,，分布地域廣，是理想的修復(fù)鎘污染的材料,。聶發(fā)輝等通過室外盆栽試驗(yàn)表明,，商陸（Phytolaccacinos）莖葉中Cd 含量均超過了100 mg·kg^-1，達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)， 且其生物量大,、生長速度快,， 是一種較理想的鎘污染修復(fù)植物。Sun 等研究發(fā)現(xiàn)添加0.1 g·kg^-1 EDTA后,，龍葵（Solanum nigrm）對(duì)鎘的吸附量較對(duì)照組增加了51.6%,。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，常見的鎘超富集植物如表 3 ,。

銅和鋅一樣是植物生長必需元素,，同時(shí)也是一種重金屬污染元素。銅在植物體內(nèi)可作為多種酶的輔基,，且對(duì)非催化蛋白質(zhì)也具有很強(qiáng)的親合力,。當(dāng)銅含量達(dá)到一定程度時(shí)，便會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害,。銅進(jìn)入細(xì)胞后能直接或間接啟動(dòng)膜質(zhì)的過氧化作用,，導(dǎo)致膜的損傷和破壞；同時(shí)能改變植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的活性,，嚴(yán)重影響植物正常的生理活動(dòng),。

目前在非洲剛果地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的銅超富集植物至少有32 種，在中國也發(fā)現(xiàn)了本土特征種,，如海州香薷（Elsholtzia splendens）和鴨跖草（Commelina communis）,。Rajakaruna 在斯里蘭卡發(fā)現(xiàn)5 種植物的銅吸附總量均超過1000mg·kg^-1，其中Geniospourum tenuiflorum 吸附量達(dá)到2299 mg·kg^-1,，已達(dá)到超富集植物標(biāo)準(zhǔn),。綜合來看，銅的超富集植物在全球都有一定的分布,，基本集中于鴨跖草科,、唇形科、石竹科,、馬齒莧科,、莎草科等科屬。而這些超富集植物均存在分布地域范圍狹小的問題,，只能在特定的生境中生長,，且僅在該生境中表現(xiàn)出超累積特性。因此銅超富集植物的異域種植及其應(yīng)用還存在較大的研究空間,。常見的銅的超富集植物及其吸附特征見表 4 ,。

一般而言，較為理想的超富集植物還應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：生長周期較短,、抗蟲抗病能力較強(qiáng),、以及地上部生物量較大,、而且能同時(shí)富集2 種或2 種以上重金屬。

研究發(fā)現(xiàn),，狼把草,、龍葵對(duì)Cd 和Zn 的富集系數(shù)均大于1，且地上部Cd 和Zn 的含量均大于根部Cd 和Zn 的含量,， 表現(xiàn)出超累積植物的特征,。湯葉濤等發(fā)現(xiàn)，圓錐南芥（Arabis paniculata）是一種可以同時(shí)富集Pb,、Zn、Cd等重金屬的多超富集植物,。王學(xué)東等研究表明,，東景南天（Sedumalfredii）可以同時(shí)富集Zn 和Cd，鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）對(duì)Cd 和Pb 富集也均可達(dá)到超累積植物的標(biāo)準(zhǔn),。超累積植物可同時(shí)富集兩種或兩種以上重金屬的能力對(duì)于解決土壤復(fù)合污染的問題有著至關(guān)重要的作用,，同時(shí)其復(fù)雜的富集機(jī)制也成為國內(nèi)外科研工作者關(guān)注的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

微生物聯(lián)合植物修復(fù)

微生物聯(lián)合植物修復(fù)可以分為以下兩類,，細(xì)菌聯(lián)合植物修復(fù)和菌根真菌聯(lián)合植物修復(fù),。細(xì)菌分泌的植物生長調(diào)節(jié)劑、螯合劑,、抗生素等物質(zhì)能夠增強(qiáng)植物的環(huán)境適應(yīng)能力,，并且能夠有效緩解土壤中重金屬的毒性和供給植物營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高了植物的修復(fù)效率,。

劉莉華等通過對(duì)龍葵接種內(nèi)生細(xì)菌后發(fā)現(xiàn),，龍葵對(duì)鎘的吸收量增大83.01%，顯著促進(jìn)了龍葵的生長,。Sun 等在海州香薷和鴨跖草中接種厚壁菌等耐銅細(xì)菌后發(fā)現(xiàn),，兩種植物的地上部銅含量增加了63%-125%根部和地上部干物質(zhì)量分別增加了132%-155%和71%-83%。Leung 等研究發(fā)現(xiàn),，接種菌根菌后,，蜈蚣草體內(nèi)的砷含量可達(dá)到2054 mg·kg^-1，生物量增加17.8 g·pot^-1,，說明接種菌根菌后真菌生長出的菌絲體能在通過增大吸收面積增加接種植物的營養(yǎng)供給,，從而提高植物的生物量， 進(jìn)而提高累積植物的重金屬吸附量,。Thompson 等的盆栽實(shí)驗(yàn)表明,，亞麻接種VA 菌根后，促進(jìn)亞麻對(duì)磷,、鋅的吸收,， 顯著提高亞麻磷,、鋅的累積量。

農(nóng)藝措施

不同農(nóng)藝措施能夠改變植物生長的微環(huán)境,。其中增加土壤養(yǎng)分,，添加螯合劑等多種方式能夠起到增加植物吸附量的作用。同時(shí)間套作模式可利用不同植物在同一地塊內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系,，增強(qiáng)了根系物質(zhì)的分泌,，活化土壤養(yǎng)分，這些分泌物中主要是有機(jī)酸,，有機(jī)酸能使土壤中的重金屬形成螯合物,，同時(shí)降低了土壤pH 值，增強(qiáng)了重金屬的生物有效性,，從而提高植物根系吸附重金屬的能力,。

周建利等通過3 年5 次試驗(yàn)結(jié)果表明玉米和東南景天間作有利于降低土壤鎘污染。Li 等通過7 種不同植物與玉米間作發(fā)現(xiàn),，玉米對(duì)鎘的耐受能力和吸附能力分別提高了35%和52%,。Wu 等盆栽試驗(yàn)證明在鎘濃度為7.67 mg·kg^-1 的試驗(yàn)條件下套作伴礦景天與一串紅在6 個(gè)月內(nèi)伴礦景天的地上部鎘含量達(dá)到18.5 mg·pot^-1。Cotter 等研究發(fā)現(xiàn)磷酸鹽可以促使鉛在細(xì)弱剪股穎（Agrostis capillaris）根際土壤中形成磷氯鉛礦,，從而使鉛難溶,，難以被生物所利用， 降低了Pb 對(duì)植物的毒害,。劉筱等研究發(fā)現(xiàn),，施氮200 mg·kg^-1 能顯著提高Pb 脅迫下紫萼玉簪（Hosta.yentriocsa）葉綠素含量及地上部生物量，從而增加了紫萼玉簪的地上部Pb 含量,，活化紫萼玉簪體內(nèi)抗氧化酶活性,，提高紫萼玉簪對(duì)Pb 的抗性。楊剛等發(fā)現(xiàn),，施用銨態(tài)氮肥能提高魚腥草的富鉛能力,。席磊等研究發(fā)現(xiàn)，施用CO₂ 極顯著提高印度芥菜地下部對(duì)Zn 的吸附量,，顯著提高印度芥菜的對(duì)Zn 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),。

水分管理

土壤水分變化可顯著改變土壤性質(zhì)進(jìn)而影響土壤重金屬有效性。水分管理通過調(diào)控土壤中重金屬的生物有效性,，促進(jìn)或抑制植物生長發(fā)育,，進(jìn)而調(diào)控植物重金屬修復(fù)效率。研究表明,，灌溉模式的改變使得稻田土壤理化性質(zhì),、水稻植株根系生長規(guī)律等發(fā)生一系列變化，將會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬賦存形態(tài)及其有效性發(fā)生變化,，進(jìn)而引起重金屬滲漏淋失,、地表徑流過程,、作物吸收富集等差異。

李劍睿等水稻盆栽試驗(yàn)表明,，長期淹水處理的水稻根表Fe(Ⅱ)含量比常規(guī)處理（灌漿期無明顯水層）增加了1.2 倍,，根表Cd 含量則只有常規(guī)處理的82.6%。酸性礦山廢水污灌區(qū)重金屬污染水稻土條件下盆栽水稻試驗(yàn)表明,，土壤水分含量對(duì)水稻根際土壤中As,、Cu 和Zn 的含量影響不大，但隨著土壤水分含量的增加,，在分蘗期根際土壤中Cd 的含量略有升高,。水稻根、莖葉和籽粒中As,、Fe 的含量都顯著增加,， Cu、Cd 含量則逐漸減少,，莖葉中Zn 含量也逐漸減少,。不同的重金屬種類對(duì)土壤水分含量的響應(yīng)不一樣,。彭世彰等田間試驗(yàn)表明,，與淹水灌溉相比，控制灌溉可減少水稻全生育期稻田土壤Cd,、Cr 淋失量53.3%和19.3%,，還使0-20 cm 土壤Cd、Cr 含量分別下降了1.2%和0.6%,，同時(shí)增大了土壤Cd,、Cr 在植株體內(nèi)的吸收。節(jié)水灌溉還可以增加重金屬Cd 在水稻植株根系的分布,。但也有研究表明,，與長期風(fēng)干土壤相比，經(jīng)干濕交替后風(fēng)干土壤重金屬有效性降低或顯著降低,。過度缺水會(huì)減弱植物修復(fù)重金屬污染土壤的能力,，在種植過程中需進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃止芾硪蕴岣咧参镄迯?fù)效率。

植物修復(fù)劑

土壤中重金屬大都難以被植物吸收,，加入特定的添加劑可以提高重金屬生物有效性，還可以增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐性，提高其對(duì)重金屬土壤的修復(fù)能力。螯合劑和有機(jī)酸等添加劑能夠促使重金屬離子解吸和溶解， 提高其生物有效性,。螯合劑乙二胺四乙酸（EDTA）是一種投入到土壤中能夠形成水溶性的金屬－螯合劑絡(luò)合物的植物修復(fù)劑，它能夠改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，提高重金屬的生物有效性,， 強(qiáng)化植物對(duì)目標(biāo)重金屬的吸收,，是目前研究最多的一種螯合劑。

劉亮等盆栽試驗(yàn)表明,，EDTA 促進(jìn)了欒樹對(duì)Mn,、Pb 的吸收。吳秋玲等研究表明,，添加螯合劑EDTA 有利于提高鉛脅迫下的黑麥草修復(fù)效果,。武慧斌等盆栽試驗(yàn)表明，添加EDTA 有利于銅脅迫下的向日葵銅吸收累積量,。覃勇榮等指出EDTA 具有促進(jìn)桑樹和任豆幼苗吸收重金屬Pb 的作用,。李鳳玉等也指出螯合劑EDTA 具有增加商陸和胭脂草地上部的Mn含量，提高了從土壤中向植物地上部轉(zhuǎn)移的能力,。EDTA（乙二胺四乙酸）具有較強(qiáng)的絡(luò)合能力,，但EDTA 在環(huán)境中不易被生物降解，施入土壤中殘留期較長,，存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),。需要尋找環(huán)境友好型的替代品，GLDA（谷氨酸N,，N—二乙酸）用于淋洗污染土壤的重金屬已有研究報(bào)道,，初步研究發(fā)現(xiàn)可生物降解螯合劑GLDA 在誘導(dǎo)超富集植物東南景天提取土壤重金屬方面具有潛力，衛(wèi)澤斌等盆栽試驗(yàn)研究表明,，可生物降解螯合劑GLDA 在誘導(dǎo)植物修復(fù)重金屬污染土壤特別是Cd 和Zn 污染土壤具有明顯潛力,。聚天冬氨酸，進(jìn)一步用水合肼和乙醇胺對(duì)PASP 進(jìn)行衍生化,，淋洗實(shí)驗(yàn)證明用乙醇胺改性的PASP 對(duì)重金屬的活化效果得以提高,，為修復(fù)被重金屬污染的土壤提供了一種較好的絡(luò)合劑。張?chǎng)蔚炔捎猛林転V實(shí)驗(yàn),， 研究不同濃度的聚天冬氨酸（PASP）對(duì)重金屬鉛（Pb）,、鎘（Cd）的活化能力（加入淋出量和空白對(duì)比）。結(jié)果表明,， 在一定濃度范圍內(nèi),， PASP 對(duì)Pb 和Cd 的活化能力隨PASP 濃度的增加而增加。在盆栽模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),， PASP 對(duì)玉米修復(fù)重金屬污染土壤有明顯的強(qiáng)化作用,。