重金属污染土壤植物修复技术联用进展与前景：环保高效解决方案

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重金属污染土壤的植物修复技术及其他技术

联合使用的进展与展望

随着工业和经济的发展，土壤重金属污染已成为重要的环境问题之一。土壤中的重金属污染会通过食物链进入人体，从而影响人体健康。因此，重金属污染土壤的修复至关重要。目前，针对重金属污染土壤的修复技术有很多，如土壤置换修复技术、电化学修复技术等，但这些技术都是劳动密集型的，对环境造成严重的二次污染。植物修复技术作为一种经济环保的修复技术，具有广阔的应用前景，受到了广泛的关注和认可。利用鸡冠花对镉污染农田土壤进行植物修复3年后，土壤中镉含量可降低6.34%（质量分数）。利用景天植物修复镉污染土壤，土壤镉去除率可高达84.5%。植物修复技术虽然对环境二次污染小、运行成本低、修复效果好，但可用于土壤修复的植物资源稀缺，修复植物的选择仅限于某些超积累植物。目前，可利用基因工程技术修饰与植物重金属吸收和转运相关的基因，增强植物对重金属的吸收和对重金属胁迫的耐受性；重金属胁迫下的植物生长可以通过接种微生物或使用材料化学技术来改善。条件，提高其成活率，也扩大了恢复植物的选择。因此，本研究重点综述基因工程、微生物、材料化学技术与植物修复技术相结合的进展与展望，以期为植物修复技术在实际应用中提供更多新的思路和参考。

1 基因工程技术与植物修复技术联合应用的进展

随着基因工程技术的发展，国内外学者正在分子水平上研究植物体内重金属的吸收、转运和积累机制，并利用控制这些过程的关键基因来提高植物的修复能力。受重金属污染的土壤。一个值得探索的新领域。

借助全基因关联分析、转录组学、蛋白质组学等高通量测序技术，已经鉴定出许多与重金属吸收和耐受相关的基因和蛋白质。主要表达产物包括转运蛋白和配体。 、金属还原酶、金属硫蛋白等，在植物对重金属的吸收、转运和解毒的调控途径中发挥作用。目前，利用基因工程技术提高植物修复重金属污染土壤能力的研究主要集中在金属转运蛋白上，其中铁锌转运蛋白家族（ZIP）参与重金属从根部吸收到植物体内的过程。茎的运输，可以帮助重金属​​穿过细胞质膜。天然抗性相关巨噬细胞蛋白家族（NRAMP）、重金属三磷酸腺苷酶（ATP）酶蛋白家族和阳离子扩散促进蛋白家族（CDF）等，已被证明在吸收、转运、和重金属的解毒。在Cd污染土壤中生长的茄属植物中NRAMP基因的表达量会增加。高表达的NRAMP基因将增加茄属植物对Cd的吸收和转运。此外，茄科植物不同部位NRAMP基因的表达量与Cd的表达量相关。与本站的积累量有关。还发现砷酸盐可以诱导蜈蚣草中编码磷酸盐转运蛋白PvPht蛋白的基因表达，提高蜈蚣草对砷的吸收能力。

由于植物的基因型基本上决定了植物修复重金属污染土壤的效率，加之植物基因组复杂、植物育种周期长，重金属超富集植物的筛选和培育进展缓慢。近年来发展起来的/Cas9基因编辑技术可以同时针对多个基因。它可以编辑NRAMP、CDF、ZIP等多个蛋白家族的基因，改变其表达模式或表达量，从而提高植物对重金属的吸收或耐受性。王等人。利用Cas9基因编辑技术敲除水稻金属转运蛋白基因，提高了水稻对砷的耐受性。尽管Cas9基因编辑技术的发展潜力巨大，但由于缺乏精细的基因组信息以及当前Cas9基因编辑技术的适用性存在不确定性，该技术仍需进行测试。

其他研究表明，其中一些负责调节植物整合素。金属配体基因转入植物体内后，植物修复重金属污染土壤的能力将显着提高。转金属硫蛋白基因MT2b可提高芥菜对Pb的耐受性和积累能力；将分别编码ATP磺酰化酶和硒代半胱氨酸甲基转移酶的APS和SMT基因转移到油菜籽中，油菜籽中Se的积累将显着提高拟南芥对Cd的耐受性；将基因转入拟南芥( )后，可以显着提高拟南芥的Cd耐受性。然而，目前植物中大多数转运蛋白的具体基因位置、体内效应和转运机制尚不清楚。因此，需要进一步研究此类蛋白质的功能和作用机制。虽然基因工程技术在重金属污染土壤植物修复中的应用潜力巨大，但面临的困难和风险也不容忽视。由于植物对重金属的吸收、转运和积累机制复杂，涉及多个基因，科学研究和应用难度很大。近年来，系统生物学在植物代谢产物研究中颇受欢迎，其研究方法可为系统提高植物对重金属的吸收和耐受性提供一定的参考。此外，在实际应用过程中，基于食品安全和生态安全考虑，转基因植物获得商业应用许可还存在一些技术和制度障碍。在转基因植物的实际应用中，必须充分考察食品安全和生态安全问题。争论。

2 微生物技术与植物修复技术联合应用的进展

植物根际是植物-土壤-微生物相互作用的复杂区域，其中的微生物在重金属污染土壤修复过程中对植物产生非常重要的影响。微生物可以改变土壤的物理和化学性质，从而改变重金属的形态。它们还能分泌有机酸、表面活性剂等改变重金属的形态，使植物更容易吸收土壤重金属，从而提高植物修复效率。

2.1 植物根际促生长菌（PGPR）的作用

PGPR对重金属等外界不良环境有一定的抵抗力，具有保持土壤肥力、促进植物生长的能力。因此，它可以增强植物修复重金属污染的能力。

PGPR产生的生物表面活性剂是同时含有亲水基团和疏水基团的两亲性化合物。它们可以在土壤界面与重金属形成络合物，然后通过降低土壤与水之间的界面张力来解吸土壤中的重金属。提高重金属的生物利用度，从而提高植物修复效率。此外，PGPR分泌的胞外多糖（EPS）是由多糖、蛋白质、腐殖质和糖蛋白组成的高分子量次生代谢复合物。它具有羟基、磷酸基等官能团，可以与Cd、Cu、Pb等重金属络合物相互作用，从而降低重金属的毒性，提高植物修复重金属污染土壤的能力。由此，将PGPR与修复植物相结合的植物-微生物修复技术得到了发展。

另一方面，PGPR可以促进植物生长，包括固氮、解磷、分泌植物激素的促生长作用。 PGPR分泌的生长素（IAA）可以促进植物生长，提高植物应对不利环境的能力。当植物受到重金属胁迫时，植物根系受到抑制。 PGPR可通过ipdC基因参与IAA的生物合成调控，在植物根系发育、细胞信号传导、诱导植物抗病性等方面发挥积极作用。此外，当植物受到重金属胁迫时，具有1-氨基环丙基-1-羧酸（ACC）脱氨酶活性的PGPR可以将植物体内的乙烯前体ACC裂解成氨和α-酮丁酸，从而降低植物乙烯水平，使乙烯植物体内的含量不会抑制植物生长，从而提高植物在重金属胁迫下的生存能力。同时植物为PGPR提供养分，并利用ACC脱氨酶活性促进PGPR的生长。因此，PGPR与植物形成应对重金属胁迫的正反馈系统。研究发现PGPR中有多个基因参与调节植物激素、铁载体、固氮酶复合物等的分泌，因此Cas9基因编辑技术也可以用于基因编辑PGPR，增强植物的固氮能力和铁。从而改善植物生长和富集重金属。当然，在实际操作过程中，基因编辑PGPR的风险仍需充分评估，包括可控性、安全性等。

当植物遭受重金属胁迫时，PGPR对植物生长发育的促进作用已被大量研究证实。因此，如何更好地将PGPR定殖在植物根部周围，对于提高植物对重金属的耐受性具有重要意义。根系分泌物作为 PGPR 与植物之间信息交换的媒介，对于 PGPR 更好地在植物根部周围定殖发挥着重要作用。因此，积极探索PGPR-根系分泌物-植物之间的物质交换和信息交换机制可能成为未来的研究热点，对于提高植物在重金属胁迫下的存活率和富集能力具有重要意义。

2.2 真菌的作用

菌根真菌是影响重金属污染土壤植物修复过程的另一类重要微生物，在改善重金属胁迫下植物的生长发育方面显示出巨大潜力。在自然条件下，土壤中的菌根真菌会与植物根部形成共生结构——菌根。菌根真菌除了向寄主植物提供无机养分以换取有机养分外，在寄主植物积累重金属方面也发挥着重要作用。近年来，如何利用菌根真菌与寄主植物的共生关系来提高重金属污染土壤的植物修复效率逐渐成为研究热点。

菌根修复重金属污染土壤能力的提高是通过影响植物养分吸收、重金属耐受性、激素水平以及重金属吸收和转运能力来实现的。在研究菌根对植物养分吸收能力的影响过程中发现，菌根植物的营养状况大多优于非菌根植物。这是因为植物通过菌根菌丝扩大了根部吸收的有效面积。菌根对植物应对重金属胁迫能力的主要作用是菌根能刺激寄主植物合成多种具有抗逆境作用的代谢产物，如谷胱甘肽、脯氨酸和酚类化合物等，并能提高植物的品质。寄主植物。体内超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的活性可以清除多余的活性氧，从而提高寄主植物对重金属的耐受性。至于菌根对植物激素水平的影响，研究表明菌根可以显着上调橘子根部吲哚3-丙酮酸单加氧酶基因和生长素转运蛋白3基因的表达或显着减少IAA外流。载体2和8的转录水平，从而间接影响重金属的吸收和转运能力。此外，菌根真菌还参与植物体内重金属转运和积累相关基因的转录调控。研究表明，菌根可以通过上调根瘤菌基因的表达水平来提高植物对重金属的耐受性。白杨与外生菌根真菌共生形成菌根后，与重金属吸收、易位、解毒、分离相关基因的转录水平升高，植物体内Cd积累显着增加。此外，菌根还能诱导白杨编码H+-ATP酶的HA2.1和AHA10.1基因转录水平增加，进一步激活Ca2+通道，最终刺激白杨对Cd2+的吸收。蚯蚓可以进一步提高菌根植物修复重金属污染土壤的效率。在Cd污染土壤中，同时接种菌根真菌和蚯蚓后，龙葵植株地上部分生物量增加，其Cd积累量也增加。因此，研究思路可以进一步打破物种界限，将动物、植物、微生物之间相互促进的关系应用于重金属污染土壤的植物修复。

3 材料化学技术与植物修复技术联合应用的进展

在重金属污染严重的土壤中，修复植物常常面临无法正常生长、成活率极低的问题。土壤改良剂和螯合剂可以很好地缓解这个问题。

3.1 土壤改良剂的应用

土壤改良剂可以显着提高植物修复重金属污染土壤的能力。燃烧农作物秸秆、家禽粪便等产生的生物炭是良好的土壤改良剂。它不仅能吸收土壤中的重金属，还能提高土壤肥力。顾等人。发现在重金属污染土壤中添加玉米秸秆生物炭后，甜菜中Cd的积累量增加至206%。同样，张等人。向种植苜蓿的镉污染土壤中添加生物炭，发现土壤中的镉含量显着降低。

由于其表面富含官能团和矿物质，海泡石可以显着减少重金属对植物的危害，还可以用作土壤改良剂。研究了海泡石对土壤中Cd溶解度的影响，发现当海泡石质量分数为5%时，可溶性Cd下降了42.8%，而残留Cd增加了30.8%，减轻了重金属对土壤的影响。土壤在一定程度上。修复植物损伤。詹等人。利用海泡石和生物炭处理Cd、Pb污染的玉米田土壤，提高农田土壤有效养分含量，提高玉米产量。

大量研究结果表明，土壤改良剂不仅可以吸收重金属，还可以为植物提供养分或促进植物生长，对改善修复植物早期成活率低下有明显效果。

3.2 螯合剂的应用

螯合剂在提高植物修复重金属污染土壤的能力方面一直表现良好。它们主要与重金属形成水溶性螯合物，使重金属具有高度的流动性，易于被植物吸收，从而提高植物的富集效率。 。李等人的研究。研究发现，5mmol/kg乙二胺四乙酸（EDTA）使土壤阳离子交换能力降低9.7%，土壤有机质增加8.6%，同时增强黑麦草吸收重金属的能力。

虽然螯合剂可以在一定程度上促进受重金属胁迫的植物生长，提高重金属污染土壤的植物修复效率，但高剂量的螯合剂也会抑制植物生长，并且在施用过程中容易发生重金属的解吸。 。该速率大于植物的吸收速率，导致污染扩大。同时，螯合剂的毒性和难熔性也不容忽视。因此，螯合剂在实际应用中存在一定的局限性。目前可以利用响应面法、人工智能方法等来科学合理地定制螯合剂的用量。近期，HU等人通过科学设计，定量确定10.0mmol/kg柠檬酸和5.0mmol/kg S,S-乙二胺二琥珀酸不能抑制视紫红质的生长，可以最大限度地防护U污染。土壤植物修复效果。开发可降解的螯合剂并将其固定在载体材料中，同时科学控制用量，已成为当前的研究趋势。

4 前景

（1）进一步完善植物对重金属吸收和转运机制的研究，通过基因工程技术对植物进行针对性改良，设计出生长快、根系发达、吸收重金属能力强的理想植物品种，以及较强的重金属耐受能力，用于植物修复技术。然而，对植物进行基因改造后，其安全性必须得到充分证明。

（2）深入研究动植物、微生物与根系分泌物之间的相互作用机制，重点寻找能够有效提高植物修复能力、促进植物养分吸收、改变土壤理化性质和重金属生物有效性等的微生物.，使植物更好地适应重金属污染的土壤。

（3）开发能够降低重金属毒性、帮助植物积累重金属、对环境二次污染少的化工新材料，并准确设计其用量。

摘自：《环境污染与防治》2022年第2期