曾 星，李伟亚，陈 章，陈国梁，陈远其，李志贤,4

（1. 湖南科技大学生命科学学院，湖南 湘潭 411201；2. 中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；3. 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；4. 湖南景翌湘台环保高新技术开发有限公司，湖南 湘潭 411201）

重金属污染物排放和扩散进入环境，从而造成环境污染日趋严重。据统计我国19.4%的耕地受到镉、铜、汞、铅等重金属污染，污染耕地总面积达 2.3 × 107hm2[1]。而土壤重金属污染中，以镉污染最为严重[2]，镉是公认的毒性较大的非必需金属元素之一，它能够被作物吸收，并在地上部(包括可食用部位)进行积累，从而对动物及人类的健康构成威胁[3]，镉污染土壤的植物修复治理迫在眉睫。

植物修复是利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、转化和降解等作用来清除污染环境中的污染物质，与物理和化学途径相比，植物修复手段更廉价、高效，且对环境的副作用少，其修复模式包括植物提取、植物挥发、植物稳定和植物降解4种[4]，其中植物提取是利用植物对重金属的吸收，通过收获地上部来达到降低土壤重金属浓度的目的，是解决重金属污染问题的理想途径之一，已在学术界及相应的应用领域得到广泛认可[4]。植物长期生长在重金属污染的生境中，面临非生物胁迫，逐渐进化成不同的生态型，一般可筛选其中适应性强的生态型作为植物修复材料[5]。目前国内外发现的各类超富集植物有700多种[6]，镉的超富集植物也陆续被发现，如东南景天(Sedum alfredii)、宝山堇菜(Viola baoshannensis)、油菜 (Brassica campestris)和龙葵 (Solanum nigrum)镉的吸附分别达 893、1 168、120和 291 mg·kg-1[5-8]。龙葵作为新近发现超富集镉典型的植物，因其繁殖能力强、生长迅速、生物量大而备受关注，目前已有其对重金属镉的吸收富集机制及重金属镉污染修复效果等一系列的研究。为此，本文系统综述龙葵对重金属镉的耐性、吸收、转运及解毒机制，阐明龙葵研究过程中存在的问题，并对其研究前景和方向作了简要分析。

1 龙葵对镉的吸收和分配

1.1 龙葵对镉的富集特性

龙葵为茄科茄属一年生草本植物，别名黑茄子、野葡萄、苦葵、扣子菜、天沦草等。龙葵广布于世界各地，在镉含量严重超标的根际土壤中，龙葵对镉的生物累积因子为0.36，根中最高镉含量达 91.9 mg·kg-1，叶片中最高镉含量达 145.9 mg·kg-1，远超过镉超量积累植物标准的100 mg·kg-1[9-10]，对镉表现出显著的富集效果。

龙葵不仅对单一镉污染的土壤有很好的治理效果，对于镉复合重金属污染的土壤也有一定的修复效果。Yu等[11]报道了在镉复合重金属(Pb、Cu、Zn)污染土壤中龙葵对镉的植物修复效果并没有被抑制，相反龙葵的高度、鲜重、干重都有一定程度的增加，而且龙葵的生物量积累系数比单一镉处理条件下高。Sun等[12]通过盆栽试验发现，在镉和砷的复合处理条件下，施用 10 mg·kg-1镉和 50 mg·kg-1砷处理的龙葵的高度和嫩芽与10 mg·kg-1单一镉处理条件下没有显著差异。熊国焕等[13]提出龙葵在单作条件下地上部对铅、镉、砷吸收量很大，表明龙葵对铅、镉、砷复合重金属污染的土壤有一定的修复能力，但不适合高浓度复合污染的土壤。于彩莲[14]也发现铜、铅、镉、锌复合重金属污染的土壤促进了龙葵的生长，而且，龙葵对这4种重金属均有一定的富集能力。

1.2 龙葵对镉的吸收和运转

镉在土壤中有水溶态、可交换态、碳酸盐态、硅酸态等多种形态，其中水溶态和可交换态为植物有效态，容易被植物吸收和利用[15]。土壤中的镉转移进入龙葵体内各组织器官主要依靠共质体和质外体两种运输途径[16]，其运输过程如图1所示。

由于木质部细胞壁上的阳离子具有很强的交换能力，因此螯合肽的镉离子通常比游离态的镉离子具有更强的运转能力。镉在植物体内的长距离运输速率为 0.35～0.60 m·h-1[17]，而且运输速率与植物自身的生长和代谢活跃程度有关。在木质部运输的镉离子可以跨膜卸载进入韧皮部，或者卸载进入叶片中进行运输、积累和分布[18]。植物地上部分的镉含量会随着土壤中镉浓度的增加而增加，但达到一定程度后就不再升高[19-20]。李志贤等[21]研究表明，土壤镉污染浓度为10 mg·kg-1时，龙葵地上部的镉含量达到最大，为30.92 mg·kg-1，当土壤镉污染浓度继续增加至20 mg·kg-1时，龙葵地上部的镉含量反而下降，而且过度镉污染土壤中，龙葵对土壤镉的富集能力和向地上部的转移能力也会显著下降。

图1 重金属离子在龙葵体内的运输Figure 1 Transport of cadmium in Solanum nigrum

1.3 镉在龙葵体内的分配

龙葵茎和叶中镉含量都超过了超积累植物应达到的临界含量标准100 μg·g-1，而且镉在龙葵体内的分布呈现叶片＞茎＞根＞籽实的特征，龙葵吸收土壤的重金属镉主要累积于地上部[21]。在细胞中，细胞壁是镉在龙葵叶片最主要的分布位点，其次是细胞质可溶部分(以液泡为主)，-而在包含细胞最重要的光合作用和呼吸作用场所 叶绿素和线粒体在内的细胞器组分中分布的含量相对很少[22]。同时，镉在龙葵不同叶位叶片中的亚细胞分布模式基本相同，主要分布在细胞壁，其次是细胞质可溶部分，在细胞器组分的分布较少。提高镉处理水平，镉向叶片细胞壁和细胞器的分配比例同时增加，而向细胞质可溶部分的分配比例相对减少 (表1)[23]。

1.4 镉对龙葵生长的影响

在镉污染土壤中，大量镉的存在会对龙葵的生长发育、生理特性产生显著影响。王坤等[24]发现在同一质地和碳氮比下，随着外源添加镉含量增加，粘土、砂土中龙葵地上、地下部镉含量表现为先增后降趋势，而壤土中龙葵地上、地下部镉含量呈增加趋势，当外源镉投加量大于20 mg·kg-1时对龙葵生长产生一定的抑制作用。Wei等[25]对龙葵进行不同浓度梯度的镉处理，而龙葵的根长、根表面积及根体积没有显著降低，这表明龙葵地下部对镉的响应不敏感，而且龙葵对镉的耐受性与其根部特性显著相关。Wang等[26]又发现在低浓度镉污染下龙葵的生长和氮代谢指标正常，在高浓度镉污染下龙葵的生长和氮代谢指标显著降低。Sun等[27]报道了土壤中镉的浓度对龙葵叶片中有机酸的影响，结果表明土壤中总镉的浓度和水溶态镉的浓度与叶片中醋酸和柠檬酸的浓度存在显著的正相关关系。由此表明，高浓度的镉污染主要是通过影响龙葵地上部的代谢生理指标抑制其干物质积累及生长。

2 龙葵对镉的耐性与解毒机制

2.1 根系分泌物对龙葵根际镉的活化作用

植物根系分泌是植物根系最重要的代谢特征，根系分泌物不仅为微生物提供能源，还能与重金属形成配位化合物，并影响根际pH和氧化还原电位(Eh)环境[20]。相关学者[28-31]报道，植物根系分泌的低分子量有机酸可以与土壤中的镉螯合形成“镉-低分子量有机酸”复合物，从而促进了土壤中镉的释放和植物对镉的吸收。龙葵在生长过程中根际会分泌大量有机酸、氨基酸等物质，这些根系分泌物可能会通过直接改变根际土壤重金属形态，或者通过对根际pH的影响来促进龙葵对镉的积累[32]。

2.2 龙葵根际微生物对镉形态的影响

土壤微生物可以通过释放金属螯合剂提高金属的生物有效性，如铁载体、有机酸和酚类物质能够解吸土壤颗粒吸附的重金属使其容易被植物吸收富集[33]。龙葵根际土壤中聚居着的微生物包括细菌、放线菌、真菌、藻、原生动物和病毒，它们的存在能够改变土壤的肥力，影响植物根际环境的pH和Eh，对植物养分的转化起着极为重要的作用，并且影响重金属的形态及吸收[34]。不同镉污染土壤中栽培龙葵，对其根际土壤微生物群落影响不同。丛建民等[35]研究发现，土壤中镉含量在0～75 mg·kg-1时，促进龙葵根际土真菌、反硝化细菌、亚硝酸细菌菌落数增加，细菌和放线菌则没有明显的促进或抑制作用。当土壤中镉离子含量高于175 mg·kg-1时，龙葵根际土的细菌、真菌、放线菌、反硝化细菌、亚硝酸细菌的生长都受到抑制。前者促进龙葵对镉的吸收富集，而后者则阻碍龙葵的生长及对镉从地下部向地上部分的迁移。毛亮等[36]研究表明，龙葵根际分离的淡紫拟青霉菌可明显增加龙葵根、叶镉总提取量35.5%，这可能因为淡紫拟青霉菌对结合态的镉具有较高溶解性，使土壤中有效态的镉增加，促进了龙葵对镉的吸收。

表1 镉在龙葵体内的分布Table 1 Distribution of the heavy metal cadmium in Solanum nigrum

2.3 龙葵对镉的生理响应

龙葵对镉的耐受、吸收、转化，源于镉胁迫下龙葵自身产生的一些生理变化。在镉胁迫下，龙葵根际产生根部螯合作用以及区隔化。镉首先通过根部细胞的细胞壁进入，细胞壁中含有蛋白质、多糖、羟基、羧基等基团[32]，易与镉离子配位结合，形成螯合物或沉淀。进入细胞中的镉被转运到液泡中储藏起来，液泡中含有有机酸、蛋白质等物质，它们能与镉离子结合，使镉离子在细胞中区隔化，减轻镉离子对龙葵细胞的危害。镉进入根际细胞之后，会通过龙葵的转运机制，将根际中的镉离子转运到地上部，这个过程中需要特殊的转运蛋白来实现[37]。镉离子进入地上部细胞后，在细胞中也会出现镉的螯合与区隔化，其过程与根部的螯合与区隔化相似。地上部镉的螯合与区隔化提高了植物对镉的耐受性。

镉胁迫能导致龙葵产生大量的活性氧(ROS)自由基，包括超氧阴离子自由基(O2-)、过氧化氢(H2O2)和羟自由基(-OH)等[20, 32]，还可能引起细胞过氧化反应，造成氧胁迫，并产生过多的丙二醛(MDA)，损伤龙葵的DNA、膜蛋白等，对植物细胞产生伤害[38]。龙葵本身为减轻氧胁迫，会产生抗氧化系统，控制自由氧的含量。当自由氧的含量较高时，龙葵会产生超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)、过氧化物酶(POD)等抗氧化酶维持氧平衡，除此之外，龙葵也会产生还原型谷胱甘肽(GSH)、还原型抗坏血酸(ASA)等抗氧化保护物质，与抗氧化酶共同作用维持氧平衡[39]。在镉胁迫作用下，龙葵中与镉离子转运、吸收有关的基因也将得到表达，如龙葵中金属硫蛋白能够与镉结合，降低镉对植物的毒性，在镉含量较高时，龙葵中的金属硫蛋白基因得到表达[10,22]。

3 龙葵对污染土壤的修复应用

3.1 龙葵对镉污染土壤的联合修复应用

由于植物生长较慢且个体生物量小，其生长过程受环境影响较大，因此植物修复在重金属污染方面的应用受到限制[40]。近年来的研究表明，对于受到重金属污染的环境，联合修复系统具有比单一植物体更高的重金属去除率和修复植物生物量，可以有效地改善重金属污染土地的修复效果[41]。目前，用于龙葵联合修复镉污染土壤的技术主要有添加剂、农艺措施和微生物菌剂3种(表2)。

3.1.1 添加剂对龙葵修复能力的影响

龙葵对土壤镉污染的修复受很多因素的影响，在龙葵修复过程中，可通过添加一些外源物质提高龙葵的修复效率，如有机酸、螯合剂等。Sun等[42]研究螯合剂EDTA(乙二胺四乙酸)对龙葵幼苗期、开花期、成熟期积累镉的影响，结果表明0.1 g·kg-1的EDTA为最有效的处理，能有效缓解高浓度镉对龙葵的毒害作用，且在开花期龙葵的高度、地上部分生物量、镉的积累量达到最大值。Ji等[43]在室温条件下利用人造污染土研究赤霉酸对龙葵吸收镉的影响，试验设置了 10、100和 1 000 mg·L-13个梯度，结果表明当赤霉酸浓度为 1 000 mg·L-1时能显著提高龙葵生物量，增加龙葵地上部Cd的含量。于彩莲[14]发现DA-6(二烷氨基乙醇羧酸酯)浸种和叶面喷施增加了龙葵成熟期地上部分的干重，增加了总镉的积累量，降低了苗期和成熟期龙葵叶片中的丙二醛含量，增强了苗期叶片中过氧化物酶活性，降低了成熟期叶片中过氧化物酶活性。在苗期、花期和成熟期，DA-6处理的叶绿素值(SPAD)都有增加趋势。王坤等[15]提出有机质和螯合剂均能提高龙葵对镉的富集，在对同一浓度镉进行处理时，吸收效果 EDTA ＞ EDDS ＞ 对照组。杨传杰等[44]报道了在盆栽试验条件下，外源半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸的组合处理能有效提高龙葵对镉-多环芳烃复合污染土壤的修复能力。熊国焕等[45]通过室内土培试验发现外源螯合剂EDDS(乙二胺二琥珀酸)、NTA(氨三乙酸)和EDTA能提高龙葵对铅、镉和砷的吸收。

表2 龙葵对镉污染土壤的联合修复方法Table 2 Combined remediation of Solanum nigrum in cadmium contaminated soil

3.1.2 农艺措施对龙葵修复能力的影响

在镉污染土壤的植物修复中，一些农艺措施被用于提高龙葵对土壤重金属污染修复的修复效率。Wei等[46]发现施用肥料对龙葵修复镉污染土壤有一定的影响，尿素通过增加龙葵的生物量增强镉的植物提取率；有机肥鸡粪能减少土壤中可利用的镉含量。Ji等[47]报道了种植密度影响龙葵的生物量从而影响镉的积累量；两次收获，选择合适的剪切位置能促进龙葵对镉的吸收；双作能显著的提高龙葵对镉的积累。Wei等[48]提出在龙葵开花期收获，其镉的迁移量是成熟期的87.5%，茎和叶的干重是成熟期干重的93.4%，并提出在龙葵开花阶段多次收获可提高龙葵对镉的积累。王效国[49]通过大豆(Glycine max)与龙葵间作发现两者间作在一定程度上能缓解镉对大豆的毒害作用，促进大豆与龙葵的生长，而且在一定程度上促进了龙葵对镉的吸收。汤福义等[50]应用盆栽试验将番茄(Lycopersicon esculentum)、茄子 (Solanum melongena)、马铃薯(Solanum tuberosum)与龙葵嫁接并与小白菜(Brassica campestris)混种，在镉胁迫条件下，混种小白菜后能提高番茄嫁接的龙葵地上部的生物量以及地上部镉的积累量。熊国焕等[45]报道了大叶井口边草(Pteris nervosa)与龙葵间作对铅、镉、砷复合重金属污染土壤的修复效果，在间作条件下龙葵对镉的富集能力得到显著提高，间作也提高了复合重金属污染土壤的修复效率。

3.1.3 微生物菌剂对龙葵修复能力的影响

龙葵富集土壤中的镉受根际环境的影响，根际土壤中的微生物对龙葵的富集效应有一定的促进作用，外源加入的一些细菌、真菌等微生物菌剂对龙葵的修复也有很好的效果。Liu等[51]通过温室盆栽试验发现地表球囊霉菌的侵染能够增强土壤中酸性磷酸酶的活性进而提高植物对磷的吸收，促进龙葵在镉污染土壤中的生长。Jiang等[52]发现丛枝菌根真菌的侵染能提高过氧化氢酶、抗坏血酸、过氧化物酶、过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶的活性，从而缓解镉胁迫产生的氧化作用对龙葵的危害，提高龙葵对土壤中镉的吸收。Abdur等[53]提出内生真菌菌株RSF-6L接种于龙葵植物体内能降低过氧化物酶、多酚氧化物酶的活性，提高过氧化氢酶的活性来保护宿主植物，从而提高龙葵的耐受性。Gao等[54]发现柠檬酸和淡紫色拟青霉菌的协同作用能更显著地促进龙葵的生长，增强龙葵的抗氧化机制，从而提高龙葵对镉的耐受性。Luo等[55]报道了龙葵的内生细菌LRE07的存在对重金属、可溶性磷酸盐的毒害有一定的抗性，并能产生吲哚乙酸、铁载体，促进龙葵的生长。Shi等[56]将镉的耐受型菌株ZGKD5或ZGKD2接种于龙葵，这两种菌株均能产生吲哚乙酸、铁载体、氨、生物表面活性剂、溶解性磷酸盐、固氮机制，显著增加龙葵的株高、根长、纤维状根的数量、干重，而且还能提高SOD、POD、CAT、APX等的活性，提高龙葵在镉胁迫下的抗氧化能力，促进龙葵对镉的积累。Abdur等[57]发现龙葵内生细菌沙雷氏菌RSC-14的接种能缓解镉的毒性，显著促进龙葵根部和地上部的生长，提高龙葵的生物量、叶绿素的含量，降低丙二醛以及电解质的含量，提高龙葵的抗氧化能力，增强对土壤中镉的植物吸收能力。黄文[58]通过盆栽试验验证了接种菌株LKS06在促进龙葵生长的同时显著地提高了对镉的富集能力，利用微生物与植物的协同作用来提高植物修复效率。刘莉华等[59]研究两株奇异变形杆菌TL3和DBS2对龙葵积累镉的影响，试验中分别接种TL3、DBS2及TL3与DBS2混菌的培养液，3种培养液均能提升龙葵对镉的积累，促进龙葵植株的生长，且二者的混菌效果最好。

3.2 品种改良对龙葵修复能力的影响

Lin等[60]将来自两个不同气候生态区的龙葵幼苗进行杂交，得到的杂交产物的生物量以及对镉的积累量高于母本，表现出杂种优势，杂交的龙葵能更有效地提高对镉污染土壤的修复能力。林立金[61]对少花龙葵进行不嫁接(UG)、自根同株嫁接(SG)、自根异株嫁接(DG)、马铃薯砧木嫁接(PG)等处理，与UG相比，SG、DG均提高了龙葵植株中镉含量，而PG降低了镉含量。

4 龙葵修复镉污染土壤的展望

目前应用龙葵对镉污染土壤进行治理，主要是利用了龙葵对镉的耐受和富集特性，未来对于龙葵的研究侧重点应在提高龙葵对土壤中镉的固定、吸收等方面，缓解镉对农田土壤的危害。具体从以下几方面着手：1)探究环境条件对龙葵植物修复的影响；2)研究农艺措施结合植物修复对龙葵富集镉的机理；3)研发有利于龙葵修复效率的新型螯合剂；4)研发复合菌剂，增强龙葵的植物修复能力；5)通过杂交、嫁接等方法培育镉吸收能力强的新品种。