雷 平

（湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009）

微生物-油料作物联合修复重金属污染耕地技术探讨

雷 平

（湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009）

重金属污染已经成为我国，特别是湖南污染面积最广、危害最大的环境问题。微生物作为土壤中最活跃的生物因子，可协助植物抵抗重金属的迫害，提高植物对重金属的吸收；而油料作物对重金属富集能力强、且经济价值高。两者在土壤修复中占据越来越重要的地位。综述了微生物和油料作物如油菜、向日葵、花生、大豆、蓖麻等在重金属污染土壤修复中的研究进展，并探讨两者联合修复重金属污染耕地的可行性。

微生物；油料作物；重金属污染；耕地

自20世纪50年代中期日本“水俣病”和“骨痛病”发生以来，重金属污染问题引起了全世界的普遍关注。来自中国环保部和国土资源部的最新调查数据显示，目前我国重金属污染面积广、危害大。湖南作为著名的“有色金属之乡”，采矿、冶炼、电镀等重工业企业众多，重金属的长期累积和过去粗放式的发展方式，导致湖南重金属污染严重。据估测，湖南被重金属污染的耕地面积达94.67万hm2以上，现状不容乐观。

传统的重金属污染修复方法成本高、工程量巨大，还将打破土壤原有的物理、化学结构，因此不适合长期用来治理大面积的重金属污染。植物修复作为一种新的绿色环保修复技术，因其成本低、修复潜力大、且可保护土壤结构和区系生物群落，还能营造良好的生态环境，已成为世界各国的研究热点［1］。自1977年Brooks提出超积累植物的概念以来，至今已有700多种重金属超积累植物被发现［2］。部分超积累植物如印度芥菜、蜈蚣草等已在美欧、中国等地用于重金属污染土壤的修复。尽管超积累植物重金属积累能力强，但在实际应用中由于其自身的一些特性，如植株矮小、生长缓慢且生物量低，区域性分布较，修复周期长、经济效益低等，而限制了其发展。近年来，人们开始寻找与开发生物量大、重金属富集能力强的经济作物，并通过添加螯合剂、微生物等加强经济作物对重金属污染土壤的修复［3］。其中，微生物在植物修复中已发挥了越来越重要的作用。

研究显示，油菜、向日葵、花生等油料作物均具有较强的重金属耐性和积累特性，且地上部分生物量大，虽然其种籽中也将积累一定的重金属，但因为重金属主要与种籽中的蛋白质络合，而脂肪中的重金属含量甚微［4-5］，因此油料作物在重金属污染土壤修复中的应用前景乐观。

1 微生物在重金属污染土壤修复中的作用

微生物作为土壤中最活跃的生物因子，虽然不能降解和破坏重金属，但它能通过自身或其代谢活动改变土壤的理化性质，主要利用微生物吸附、络合、沉淀或溶解、吸收和富集重金属，从而影响环境中重金属的形态分布和植物有效性，协助植物抵抗重金属的协迫，提高或降低植物对重金属的吸收，达到协助植物清除土壤重金属或钝化土壤重金属促进植物健康生长的目的［6］。夏娟娟、盛下放等［7-8］研究小组筛选的对不同重金属具有高效抗性的芽孢杆菌和黄单胞菌，能显著增加土壤有效镉浓度，提高番茄和油菜等植物对重金属的吸收。Mastretta等从烟草种子中分离出的镉抗性内生菌可通过增强植物吸收锌和铁来降低镉的毒性。Lodewyckx等从水稻组织中分离出的Methylobacteriumoryzae和Burkholderia sp.可使番茄种子在高镍和镉的环境中生长发芽［9］。

2 几种典型油料作物对重金属的吸附特性

2.1 油 菜

油菜是湖南第二大经济作物，其种子是我国第一大食用植物油原料，经济价值很高。同时，油菜种质资源多，生物量大，且对多种重金属具有较强的抗性和吸附性，是重金属污染土壤修复的重要资源之一。

王激清等［10］从22个芥菜型油菜品种中筛选出了3个镉高积累品种，分别是川油II-10、白芥、绵阳蛮油菜，其中川油II-10在40 mg/kg镉含量土壤中地上部镉吸附量达51 μg/株，为印度芥菜的1.6 倍。向言词等［11-13］发现，在含41.3 mg/kg镉土壤中培养60 d，甘蓝型油菜生物量和镉吸附总量均是芥菜型油菜的2倍左右，且植物生长调节剂、螯合剂等能显著促进油菜对重金属的转运及富集，植株镉积累量最高可达379.8 μg。此外，Cl-肥料与间作鹰嘴豆也能提高油菜对镉的吸收，可使油菜对镉吸附总量高达783.72 μg/株，大幅度提高了油菜对镉污染土壤的修复效率［14］。

此外，苏德纯等［15-16］通过盆栽试验发现，油菜的种植能减少下茬大白菜、水稻对镉或铅的吸收。但于玲玲等［17-18］采用田间小区试验却发现，油菜提高了下茬水稻对镉的吸收，不过，在油菜-水稻轮作第二年，水稻对镉的吸收量明显低于第一年。这些研究结果表明，油菜能有效修复镉污染土壤，但盆栽和田间修复效果存在差异，要确保污染土壤上生产出安全、健康的农产品，油菜和其他作物的轮作模式和田间试验还需要进一步摸索。

2.2 向日葵

向日葵是一种经济价值很高的油料作物。它种植简便，易于收割，适应范围广，耐盐碱旱，在世界油料作物生产中占有举足轻重的地位，仅次于大豆，居世界第二位。研究表明，向日葵对镉、铅等重金属具有富集特性［4，12］。张守文［12］研究发现，低浓度镉能促进向日葵新葵杂四号的生长，高浓度镉却能抑制其生长。5 mg/kg 镉处理下，每盆向日葵镉吸附量超过100 μg。镉在低浓度时在向日葵体内分布规律为：叶＞根＞籽实＞茎。此外，螯合剂能有效提高向日葵根、茎、叶中的镉含量，而籽实中的重金属含量增加远没有其他部位明显。100 mg/L铬，200 mg/L铅处理下向日葵地上部铬、铅积累量分别为141.2、138.4 μg/株［4］。

2.3 花 生

花生对镉、铅、铬等重金属都能富集，但对镉的富集系数最高［4-5，19］。蔡葵等［19］在含0.078 mg/kg 镉、28.0 mg/kg的铅、pH值6.3的土壤上进行盆栽试验，发现不同品种花生对重金属的富集程度不同，对镉、铅的富集量分别为33.78～78.62和142.41～240.18 μg/株；两种重金属在根中的富集浓度最高，而在茎叶中的富集量最大。但花生在重金属污染土壤上生长，其籽仁重金属很容易超过国家标准，因此重金属污染土壤上收获的花生不建议用作人体植物蛋白的来源，但可以用来提取植物油脂。

2.4 大 豆

研究显示，大豆对重金属镉、铬、铅和汞等均具有一定的耐受性和吸附性，各部位对镉、铅的吸收能力表现为：根＞秸秆＞叶＞果实［4，20-21］。大豆对铬具有较高的迁移率，在100 mg/L铬处理下，迁移率为54.2%，地上部铬积累量可达1 533.7 μg/株；大豆对铅的积累量较花生少，但比向日葵和蓖麻高，为184.2 μg/株［4］。

2.5 蓖 麻

蓖麻对镉、锌、铜、铬、铅等具有较强的耐受性，其生物量随着重金属浓度升高而下降。在150～200 mg/kg 镉、100 mg/L 铬、200 mg/L 铅处理下，蓖麻地上部对镉、铬和铅的富集量分别达410、54.4、82.3 μg/株［4，22］。

3 微生物-油料作物在重金属污染耕地修复中的可行性分析

油料作物具有重金属富集能力强、生物量大、能加工成健康的植物食用油或生物柴油、经济价值高等优势，因此非常适合应用于湖南的重金属污染耕地修复。然而，与超积累植物相比较，油料作物对重金属的吸附和转运性能还有待加强。而微生物作为土壤中非常活跃的生物因子，与植物关系密切，可协助植物抵抗重金属的迫害，促进重金属在植物中的吸收和转运。Sheng等［23］研究发现，一批耐镉土壤微生物和2株油菜内生细菌不仅能促进油菜根部和地上部分的生长，还能分别提高油菜植株对镉和铅的吸收，提高比例分别为16%～74%，59%～131%。Wang等［24］发现木霉突变株可明显提高沪油20对Cd污染土壤的净化率。杨继飞等［25］研究发现菌肥的施用能促进玉米、蓖麻、高粱、向日葵等对铅的吸收，大大降低土壤铅含量。因此，进一步筛选高效活化重金属的微生物或油料作物特异的根际微生物和内生菌，研究微生物-油料作物联合修复重金属污染土壤技术，摸索油料作物与水稻、蔬菜等经济作物轮作模式，有望为湖南中重度重金属污染耕地修复提供一套可行的模式。

但目前，利用微生物-油料作物修复重金属污染土壤依然存在以下难点：（1）与油料作物互作的根际或内生、具有重金属耐受且能有效促进作物对重金属吸收的功能微生物还有待大批量筛选；（2）收获的高含量重金属作物的安全利用途径有待同步开发。

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（责任编辑：贺 艺）

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

农业部、财政部“长株潭”耕地重金属污染修复及农作物种植结构调整子项目（农办财函［2016］6号）

雷 平（1965-），男，湖南常德市人，助理研究员，主要从事农业微生物的基础和应用研究。