利用楊樹修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展

侯 庚

(遼寧省楊樹研究所，遼寧 蓋州 115213)

1 楊樹用于修復(fù)土壤重金屬污染的優(yōu)勢(shì)

目前，土壤重金屬污染治理技術(shù)主要有物理治理技術(shù)、化學(xué)治理技術(shù)、生物治理技術(shù)(包括植物修復(fù)法、微生物修復(fù)法、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法)等。植物修復(fù)法是一種新興的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好等特點(diǎn)[1]。

楊樹作為我國(guó)平原地區(qū)重要的造林樹種，分布范圍廣泛，具有易于繁殖、生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá)、生物量大等特點(diǎn)，為重金屬的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)提供了可能。楊樹品種豐富，尤其近年來(lái)，楊樹育種成果頗豐[2]，選育出了大量具有抗寒、抗病蟲、耐鹽堿和耐重金屬脅迫的優(yōu)良品種，為修復(fù)土壤重金屬污染提供了豐富的楊樹品種。楊樹作為綠化和用材樹種，其生物產(chǎn)品不會(huì)進(jìn)入食物鏈，從而不會(huì)進(jìn)入人體而造成人體重金屬中毒。關(guān)于楊樹在修復(fù)土壤重金屬污染的應(yīng)用，許多學(xué)者做了相關(guān)研究，并取得了較好的修復(fù)效果[3-5]。上述優(yōu)良特性為楊樹應(yīng)用于修復(fù)土壤重金屬污染提供了可能。

2 楊樹品種間修復(fù)能力的差異

在利用楊樹進(jìn)行土壤重金屬修復(fù)時(shí)，需進(jìn)行品種篩選。關(guān)于楊樹品種修復(fù)能力的比較，研究者們采用了水培培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、土壤培養(yǎng)等方法做了大量實(shí)驗(yàn)。吳鳳霞[6]采用水培的試驗(yàn)方法研究了3個(gè)砷(As)脅迫水平下9個(gè)楊樹品種的光合參數(shù)以及不同楊樹材料吸收、富集砷的特征，篩選出砷耐型楊樹中林2025楊和砷敏感型楊樹1-45/51楊。胡亞瓊[7]采用離體培養(yǎng)的方法，研究了不同二價(jià)鎘離子(Cd2+)濃度脅迫對(duì)銀灰楊和84K楊試管苗生長(zhǎng)和抗氧化酶活性的影響，通過(guò)比較二者的生長(zhǎng)指標(biāo)、不同Cd2+濃度脅迫抗氧化酶，表明銀灰楊和84K楊都有一定抗重金屬Cd污染的能力，但銀灰楊的抗鎘污染能力更強(qiáng)。張春燕等[8]采用土培的方法研究了3種重金屬?gòu)?fù)合污染下14個(gè)楊、柳樹品種的生物量、重金屬含量和總吸收量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，研究結(jié)果表明，綜合考慮上述指標(biāo)，61-1和南林95具有較強(qiáng)的富集能力，是理想的修復(fù)材料。魯凡[9]以榆陽(yáng)煤礦和榆樹灣煤礦的復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)比較沙蒿、沙柳、楊樹、柳樹和松樹對(duì)重金屬的富集能力，對(duì)修復(fù)重金屬污染的優(yōu)勢(shì)樹種進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)楊樹對(duì)Cd具有較強(qiáng)的富集能力，可以用于土壤Cd污染修復(fù)的首選植物。這些研究表明，楊樹對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)能力存在品種差異，可以針對(duì)污染源篩選修復(fù)能力強(qiáng)的楊樹品種應(yīng)用于實(shí)踐。

3 重金屬污染對(duì)楊樹生理生化及生長(zhǎng)的影響

很多學(xué)者都做過(guò)重金屬對(duì)楊樹生理生化及生長(zhǎng)影響的研究。2011年余洋[10]通過(guò)對(duì)鉛(Pb)脅迫下楊樹生理生化和根尖細(xì)胞骨架變化的研究發(fā)現(xiàn)，鉛導(dǎo)致了葉片抗氧化酶系統(tǒng)活性及根尖細(xì)胞微管骨架排布的變化；并增加了根尖細(xì)胞胼胝質(zhì)的沉積。張凱等[11]研究銅(Cu)、鎘(Cd)脅迫對(duì)楊樹葉片中防御蛋白活性的影響發(fā)現(xiàn)：其變化規(guī)律性與重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和時(shí)間有關(guān)，高質(zhì)量濃度Cd、Cu處理下試驗(yàn)葉片中的防御蛋白的活性在脅迫30～40 d后顯著高于對(duì)照，并在第40 d時(shí)最大，之后隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)其活性顯著低于對(duì)照；低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cd、Cu處理與對(duì)照相比差異不顯著，在第60 d的時(shí)降到最小。譚靈杰[12]研究了鹽鎘復(fù)合脅迫下美洲黑楊多方面的性狀差異，發(fā)現(xiàn)雄株對(duì)Cd具有更高的吸收能力，但在其它方面與雌株的差異未達(dá)到顯著水平。楊葉[13]研究了3種楊樹幼苗在鍶(Sr)與柴油脅迫下的差異，結(jié)果表明，在鍶脅迫下，低濃度鍶對(duì)幼苗的株高等有促進(jìn)作用，但隨著處理濃度的升高則會(huì)表現(xiàn)出抑制作用；在復(fù)合脅迫下，則均表現(xiàn)為抑制作用，且與白楊相比，青楊與俄羅斯楊的降幅更大。

4 重金屬在楊樹體內(nèi)的富集規(guī)律

關(guān)于重金屬在楊樹體內(nèi)的富集，很多研究人員做過(guò)相關(guān)工作。劉乃聞[14]研究了礦區(qū)3種重金屬在楊樹中富集發(fā)現(xiàn)，鎘在楊樹體內(nèi)的分布規(guī)律是葉>根>枝>干，樹干中的含量則以靠近樹根部分為最高，越往上其含量越低。李舒琦[15]采用雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究器官、樹齡對(duì)楊樹吸收重金屬的影響，研究發(fā)現(xiàn)凋落葉中Cu和Pb的含量是隨著樹齡的增加而顯著增加的，與生長(zhǎng)期葉片中含量相比達(dá)到了顯著水平。齊洪濤等[16]研究了堆肥污泥對(duì)5種重金屬在楊樹幼苗中分布情況的影響，Cu、Zn和As在幼苗中的分布基本一致，表現(xiàn)為根>葉>莖，Cd主要富集在葉片中，Hg除富集在根部外還依次富集在莖和葉片中。鄭慧芳[17]研究發(fā)現(xiàn)不同施氮量也會(huì)影響重金屬在體內(nèi)的富集，當(dāng)施氮量較低時(shí)，楊樹葉、根的細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，Cd更多地富集在根系中；當(dāng)施氮量達(dá)到正常水平時(shí)，Cd在莖中含量增大，說(shuō)明施氮量可影響楊樹對(duì)鎘污染的修復(fù)效率。

5 提高重金屬污染土壤楊樹修復(fù)技術(shù)的強(qiáng)化措施

目前，關(guān)于強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)的研究主要集中在微生物聯(lián)合修復(fù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和螯合劑的使用3個(gè)方面。

5.1 微生物聯(lián)合修復(fù)

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，楊樹可通過(guò)菌根(真)菌侵染獲得更加豐富的水養(yǎng)物質(zhì)，微生物在楊樹修復(fù)土壤重金屬污染的過(guò)程中也起到非常重要作用。豆青[18]研究發(fā)現(xiàn)，與不接種外生菌根真菌的青楊相比，在相同的鉛脅迫濃度下，接種外生菌根真菌的青楊的株高和生物量均明顯提高，且在高濃度鉛脅迫下這種現(xiàn)象更加顯著。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同的外生菌根菌對(duì)青楊的侵染率不同，草地大馬勃對(duì)青楊有更高的侵染率，可更好的提高鉛脅迫的耐受性。

5.2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)

隨著分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，轉(zhuǎn)基因技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于各種研究。在研究楊樹對(duì)重金屬鎘脅迫的分子生理響應(yīng)機(jī)制時(shí)，何佳麗[19]發(fā)現(xiàn)相比于野生型楊樹，過(guò)表達(dá)γ-glutamylcysteine synthetase基因楊樹在地上部分富集了更為豐富較多的鎘，除ROS外，總硫醇、GSH、GSSG以及可溶性酚和游離脯氨酸均是轉(zhuǎn)基因楊樹中含量較高，說(shuō)明轉(zhuǎn)基因楊樹比野生型楊樹具有更高的鎘耐受性。趙思雯[20]從小黑楊葉片中克隆得到PsneIF5A2和PsneIF5A4基因，研究發(fā)現(xiàn)其在多個(gè)部位均有表達(dá)，在成熟葉片中轉(zhuǎn)錄水平最高。在重金屬脅迫、鹽脅迫和干旱脅迫時(shí)，熒光定量PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，上述脅迫條件均誘導(dǎo)了該基因的表達(dá)，且以重金屬脅迫和鹽脅迫下表達(dá)量較多。

5.3 螯合劑的配合使用

近年來(lái)，研究學(xué)者開展了螯合劑添加對(duì)土壤中重金屬生物有效性影響的研究，發(fā)現(xiàn)其可提高重金屬在土壤中的有效性，因此常常采用投加螯合劑的方法來(lái)提高修復(fù)效率。李舒琦[15]研究表明，試驗(yàn)中的3種螯合劑均能顯著促進(jìn)土壤中Cu和Pb有效態(tài)的含量，但是活化能力略有不同。EDTA即可提高根和葉中Cu的含量又可提高葉片中Pb的含量，EGTA僅能增加根和葉中Cu的含量。金誠(chéng)等[21]研究了干旱區(qū)農(nóng)田土壤中Pb在投加3種螯合劑后吸收和富集特征。研究表明，EDTA、EGTA和CA均可顯著提高土壤中水提態(tài)Pb的含量，活化強(qiáng)度從強(qiáng)到弱為EDTA>EGTA>CA。

6 展望

近年來(lái)，重金屬污染問(wèn)題凸顯，植物修復(fù)土壤重金屬污染應(yīng)注重其對(duì)重金屬的耐受性及修復(fù)效率。楊樹作為一種優(yōu)良的修復(fù)樹種，首先應(yīng)開展品種選育研究，針對(duì)不同區(qū)域選育出修復(fù)能力強(qiáng)的品種；其次應(yīng)拓展楊樹修復(fù)土壤重金屬污染的強(qiáng)化措施；最后應(yīng)從機(jī)理機(jī)制角度開展研究，挖掘楊樹修復(fù)重金屬污染的關(guān)鍵基因，利用基因表達(dá)調(diào)控來(lái)提高楊樹對(duì)重金屬的耐性等。