微生物-油料作物聯(lián)合修復重金屬污染耕地技術探討

雷 平

（湖南省微生物研究院，湖南 長沙 410009）

微生物-油料作物聯(lián)合修復重金屬污染耕地技術探討

雷 平

（湖南省微生物研究院，湖南 長沙 410009）

重金屬污染已經(jīng)成為我國，特別是湖南污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問題。微生物作為土壤中最活躍的生物因子，可協(xié)助植物抵抗重金屬的迫害，提高植物對重金屬的吸收；而油料作物對重金屬富集能力強、且經(jīng)濟價值高。兩者在土壤修復中占據(jù)越來越重要的地位。綜述了微生物和油料作物如油菜、向日葵、花生、大豆、蓖麻等在重金屬污染土壤修復中的研究進展，并探討兩者聯(lián)合修復重金屬污染耕地的可行性。

微生物；油料作物；重金屬污染；耕地

自20世紀50年代中期日本“水俁病”和“骨痛病”發(fā)生以來，重金屬污染問題引起了全世界的普遍關注。來自中國環(huán)保部和國土資源部的最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前我國重金屬污染面積廣、危害大。湖南作為著名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，采礦、冶煉、電鍍等重工業(yè)企業(yè)眾多，重金屬的長期累積和過去粗放式的發(fā)展方式，導致湖南重金屬污染嚴重。據(jù)估測，湖南被重金屬污染的耕地面積達94.67萬hm2以上，現(xiàn)狀不容樂觀。

傳統(tǒng)的重金屬污染修復方法成本高、工程量巨大，還將打破土壤原有的物理、化學結構，因此不適合長期用來治理大面積的重金屬污染。植物修復作為一種新的綠色環(huán)保修復技術，因其成本低、修復潛力大、且可保護土壤結構和區(qū)系生物群落，還能營造良好的生態(tài)環(huán)境，已成為世界各國的研究熱點［1］。自1977年Brooks提出超積累植物的概念以來，至今已有700多種重金屬超積累植物被發(fā)現(xiàn)［2］。部分超積累植物如印度芥菜、蜈蚣草等已在美歐、中國等地用于重金屬污染土壤的修復。盡管超積累植物重金屬積累能力強，但在實際應用中由于其自身的一些特性，如植株矮小、生長緩慢且生物量低，區(qū)域性分布較，修復周期長、經(jīng)濟效益低等，而限制了其發(fā)展。近年來，人們開始尋找與開發(fā)生物量大、重金屬富集能力強的經(jīng)濟作物，并通過添加螯合劑、微生物等加強經(jīng)濟作物對重金屬污染土壤的修復［3］。其中，微生物在植物修復中已發(fā)揮了越來越重要的作用。

研究顯示，油菜、向日葵、花生等油料作物均具有較強的重金屬耐性和積累特性，且地上部分生物量大，雖然其種籽中也將積累一定的重金屬，但因為重金屬主要與種籽中的蛋白質(zhì)絡合，而脂肪中的重金屬含量甚微［4-5］，因此油料作物在重金屬污染土壤修復中的應用前景樂觀。

1 微生物在重金屬污染土壤修復中的作用

微生物作為土壤中最活躍的生物因子，雖然不能降解和破壞重金屬，但它能通過自身或其代謝活動改變土壤的理化性質(zhì)，主要利用微生物吸附、絡合、沉淀或溶解、吸收和富集重金屬，從而影響環(huán)境中重金屬的形態(tài)分布和植物有效性，協(xié)助植物抵抗重金屬的協(xié)迫，提高或降低植物對重金屬的吸收，達到協(xié)助植物清除土壤重金屬或鈍化土壤重金屬促進植物健康生長的目的［6］。夏娟娟、盛下放等［7-8］研究小組篩選的對不同重金屬具有高效抗性的芽孢桿菌和黃單胞菌，能顯著增加土壤有效鎘濃度，提高番茄和油菜等植物對重金屬的吸收。Mastretta等從煙草種子中分離出的鎘抗性內(nèi)生菌可通過增強植物吸收鋅和鐵來降低鎘的毒性。Lodewyckx等從水稻組織中分離出的Methylobacteriumoryzae和Burkholderia sp.可使番茄種子在高鎳和鎘的環(huán)境中生長發(fā)芽［9］。

2 幾種典型油料作物對重金屬的吸附特性

2.1 油 菜

油菜是湖南第二大經(jīng)濟作物，其種子是我國第一大食用植物油原料，經(jīng)濟價值很高。同時，油菜種質(zhì)資源多，生物量大，且對多種重金屬具有較強的抗性和吸附性，是重金屬污染土壤修復的重要資源之一。

王激清等［10］從22個芥菜型油菜品種中篩選出了3個鎘高積累品種，分別是川油II-10、白芥、綿陽蠻油菜，其中川油II-10在40 mg/kg鎘含量土壤中地上部鎘吸附量達51 μg/株，為印度芥菜的1.6 倍。向言詞等［11-13］發(fā)現(xiàn)，在含41.3 mg/kg鎘土壤中培養(yǎng)60 d，甘藍型油菜生物量和鎘吸附總量均是芥菜型油菜的2倍左右，且植物生長調(diào)節(jié)劑、螯合劑等能顯著促進油菜對重金屬的轉(zhuǎn)運及富集，植株鎘積累量最高可達379.8 μg。此外，Cl-肥料與間作鷹嘴豆也能提高油菜對鎘的吸收，可使油菜對鎘吸附總量高達783.72 μg/株，大幅度提高了油菜對鎘污染土壤的修復效率［14］。

此外，蘇德純等［15-16］通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，油菜的種植能減少下茬大白菜、水稻對鎘或鉛的吸收。但于玲玲等［17-18］采用田間小區(qū)試驗卻發(fā)現(xiàn)，油菜提高了下茬水稻對鎘的吸收，不過，在油菜-水稻輪作第二年，水稻對鎘的吸收量明顯低于第一年。這些研究結果表明，油菜能有效修復鎘污染土壤，但盆栽和田間修復效果存在差異，要確保污染土壤上生產(chǎn)出安全、健康的農(nóng)產(chǎn)品，油菜和其他作物的輪作模式和田間試驗還需要進一步摸索。

2.2 向日葵

向日葵是一種經(jīng)濟價值很高的油料作物。它種植簡便，易于收割，適應范圍廣，耐鹽堿旱，在世界油料作物生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，僅次于大豆，居世界第二位。研究表明，向日葵對鎘、鉛等重金屬具有富集特性［4，12］。張守文［12］研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘能促進向日葵新葵雜四號的生長，高濃度鎘卻能抑制其生長。5 mg/kg 鎘處理下，每盆向日葵鎘吸附量超過100 μg。鎘在低濃度時在向日葵體內(nèi)分布規(guī)律為：葉＞根＞籽實＞莖。此外，螯合劑能有效提高向日葵根、莖、葉中的鎘含量，而籽實中的重金屬含量增加遠沒有其他部位明顯。100 mg/L鉻，200 mg/L鉛處理下向日葵地上部鉻、鉛積累量分別為141.2、138.4 μg/株［4］。

2.3 花 生

花生對鎘、鉛、鉻等重金屬都能富集，但對鎘的富集系數(shù)最高［4-5，19］。蔡葵等［19］在含0.078 mg/kg 鎘、28.0 mg/kg的鉛、pH值6.3的土壤上進行盆栽試驗，發(fā)現(xiàn)不同品種花生對重金屬的富集程度不同，對鎘、鉛的富集量分別為33.78～78.62和142.41～240.18 μg/株；兩種重金屬在根中的富集濃度最高，而在莖葉中的富集量最大。但花生在重金屬污染土壤上生長，其籽仁重金屬很容易超過國家標準，因此重金屬污染土壤上收獲的花生不建議用作人體植物蛋白的來源，但可以用來提取植物油脂。

2.4 大 豆

研究顯示，大豆對重金屬鎘、鉻、鉛和汞等均具有一定的耐受性和吸附性，各部位對鎘、鉛的吸收能力表現(xiàn)為：根＞秸稈＞葉＞果實［4，20-21］。大豆對鉻具有較高的遷移率，在100 mg/L鉻處理下，遷移率為54.2%，地上部鉻積累量可達1 533.7 μg/株；大豆對鉛的積累量較花生少，但比向日葵和蓖麻高，為184.2 μg/株［4］。

2.5 蓖 麻

蓖麻對鎘、鋅、銅、鉻、鉛等具有較強的耐受性，其生物量隨著重金屬濃度升高而下降。在150～200 mg/kg 鎘、100 mg/L 鉻、200 mg/L 鉛處理下，蓖麻地上部對鎘、鉻和鉛的富集量分別達410、54.4、82.3 μg/株［4，22］。

3 微生物-油料作物在重金屬污染耕地修復中的可行性分析

油料作物具有重金屬富集能力強、生物量大、能加工成健康的植物食用油或生物柴油、經(jīng)濟價值高等優(yōu)勢，因此非常適合應用于湖南的重金屬污染耕地修復。然而，與超積累植物相比較，油料作物對重金屬的吸附和轉(zhuǎn)運性能還有待加強。而微生物作為土壤中非常活躍的生物因子，與植物關系密切，可協(xié)助植物抵抗重金屬的迫害，促進重金屬在植物中的吸收和轉(zhuǎn)運。Sheng等［23］研究發(fā)現(xiàn)，一批耐鎘土壤微生物和2株油菜內(nèi)生細菌不僅能促進油菜根部和地上部分的生長，還能分別提高油菜植株對鎘和鉛的吸收，提高比例分別為16%～74%，59%～131%。Wang等［24］發(fā)現(xiàn)木霉突變株可明顯提高滬油20對Cd污染土壤的凈化率。楊繼飛等［25］研究發(fā)現(xiàn)菌肥的施用能促進玉米、蓖麻、高粱、向日葵等對鉛的吸收，大大降低土壤鉛含量。因此，進一步篩選高效活化重金屬的微生物或油料作物特異的根際微生物和內(nèi)生菌，研究微生物-油料作物聯(lián)合修復重金屬污染土壤技術，摸索油料作物與水稻、蔬菜等經(jīng)濟作物輪作模式，有望為湖南中重度重金屬污染耕地修復提供一套可行的模式。

但目前，利用微生物-油料作物修復重金屬污染土壤依然存在以下難點：（1）與油料作物互作的根際或內(nèi)生、具有重金屬耐受且能有效促進作物對重金屬吸收的功能微生物還有待大批量篩選；（2）收獲的高含量重金屬作物的安全利用途徑有待同步開發(fā)。

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（責任編輯：賀 藝）

Study on M icroorganism-Oil Crops Com bined Rem ediation Technology in Heavy M etals Contam inated Cultivated Land

LEI Ping
（Hunan Institute of Microbiology， Changsha 410009， PRC）

Heavy metal contam ination has been the environmental problems with the most polluted areas and greatest harm. As the most active biological factor in soil， m icroorganism can help p lants resist the toxicity by high concentration of heavy metals， and increase the uptake of heavy metals by plant. And oil crops always exhibit strong accumulation capability to heavy metals and high economic value. Both of microorganism and oil crops showed more and more important position on soil remediation. This paper w ill describe the research progress of m icroorganism and oil crops， as oil rape， sunf ow er， peanut， soybean， Ricinus communis L.，etc.， on the remediation of soil contaminated with heavy metals， and discuss the probability of the combined remediation of both microorganism and oil crops.

microorganism； oil crops； heavy metal contamination； cultivated land

X53

A

1006-060X（2016）09-0121-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.09.032

2016-07-05

農(nóng)業(yè)部、財政部“長株潭”耕地重金屬污染修復及農(nóng)作物種植結構調(diào)整子項目（農(nóng)辦財函［2016］6號）

雷 平（1965-），男，湖南常德市人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)微生物的基礎和應用研究。