Pueraria thomsonii Benth.：一种用于镉植物修复的高生物量植物，其茎部具有较高的镉积累能力

《Frontiers in Plant Science》：Pueraria thomsonii Benth.: a high-biomass plant for cadmium phytoremediation with high accumulation in stems

重金属污染农田土壤的植物修复潜力研究——以镉富集能力突出的灯笼果（Pueraria thomsonii）为例。通过2020-2022年连续3年田间试验，系统评估了该植物对Cd、Cr、As、Pb的动态积累特征及生物修复效能。结果表明：灯笼果总生物量达10.81-21.22 t/ha，其中Cd生物量（76.95-170.61 g/ha）显著高于其他重金属，茎部Cd生物富集因子（BCF）达1.09-1.34，转运因子（TF）峰值达9.10，实现94%-95%的Cd土壤去除率。其茎叶Cd富集能力突出且互不冲突，经加工后根茎部Cd含量低于安全阈值（0.30 mg/kg），适合作为高生物量修复作物。

　　重金屬污染是全球土壤環境面臨的重大挑戰之一。工業廢料、礦業和冶金活動產生大量有毒廢棄物，這些廢料在管理不善或污染控制措施不足的情況下，會通過多種途徑滲入土壤和生態系統，造成嚴重的環境影響。中國農田土壤污染的現狀表明，重金屬污染已經成為農業可持續發展的一個重要因素，其中鎘（Cd）、鉻（Cr）、砷（As）和鉛（Pb）被認為是關鍵的無機污染物，對土壤污染總體負擔的貢獻比例分別為7.0%、1.1%、2.7%和1.5%。重金屬在土壤中的積累不僅威脅生態系統的健康，還可能通過食物鏈對人類健康產生潛在風險，例如致癌、皮膚損傷和腎功能障礙等。因此，開發有效的土壤重金屬修復策略變得尤為重要。

在眾多修復技術中，植物修復（Phytoremediation）因其成本效益高、應用範圍廣、對環境影響小等優勢，成為一種備受關注的方法。然而，目前常用的超積累植物往往存在一些限制，如專門的農業需求、低生物經濟價值以及對特定氣候條件的依賴。因此，尋找具有高生物量生產能力和重金屬積累能力的作物，成為解決土壤污染問題的重要研究方向。在這種背景下，Pueraria thomsonii（豆科植物）因其高生物量生產和雙重藥用與食用價值，成為潛在的重金屬修復植物候選者。該植物在中國廣西、江西、湖北、湖南、四川和雲南等地廣泛種植，其塊根富含生物活性異黃酮類物質，如葛根素、大豆苷元和 rutin，這使得它不僅具有藥用潛力，還在食品加工和工業應用中顯示出重要價值。此外，塊根中富含的淀粉也使其在食品工業中具有應用前景。然而，目前對其重金屬積累動態、轉運機制以及組織分佈特徵的研究仍不充分。

為了深入理解Pueraria thomsonii在重金屬污染土壤中的修復潛力，研究團隊進行了一項持續3年的田間實驗，以探討其生物量生產、重金屬積累動態以及生物濃集因子（BCF）、轉運因子（TF）和去除率等關鍵指標。實驗地點位於江西省紅壤與種質資源研究所的試驗田，該地區屬於亞熱帶濕潤季風氣候，氣溫和降水條件相對穩定。研究結果顯示，P. thomsonii在三年間的總生物量範圍為10.81–21.22噸/公頃，其中塊根、莖和葉的生物量分別為6.13–13.59、3.40–5.05和0.97–2.58噸/公頃。這種高生物量的特性，使其在重金屬污染土壤的修復中具有顯著優勢。

在重金屬積累方面，P. thomsonii對鎘的積累表現出明顯的優勢。實驗期間，鎘在塊根、莖和葉中的總積累量分別為76.95–170.61克/公頃，且其生物濃集因子（BCF）在莖和葉中均超過1，表明該植物對鎘具有較強的吸收和積累能力。相比之下，鉻、砷和鉛的BCF值均低於1，這表明這些重金屬在植物體內的吸收能力較弱，或者其在土壤中的生物有效性較低。此外，P. thomsonii的轉運因子（TF）在鎘、鉻、砷和鉛中均表現出較高的值，尤其是鎘的轉運因子在莖和葉中均超過1，表明該植物能有效地將鎘從根部轉運至地上部分。這種高效的轉運能力使得P. thomsonii在鎘污染土壤的修復中具有極高的潛力。

值得注意的是，P. thomsonii在不同生長階段對重金屬的積累表現出顯著的差異。在成熟階段，鎘在莖中的積累量遠高於塊根和葉，而鉻、砷和鉛的積累則主要集中在葉中。這種組織分佈特徵表明，P. thomsonii在生長晚期對鎘的吸收和轉運能力顯著提高，這可能與其生理特徵和土壤環境條件有關。此外，土壤特性對BCF和TF具有顯著影響，其中有機質和可用氮含量與鎘的BCF呈負相關，而可用氮與鎘的TF呈正相關。這表明，土壤中某些成分可能會影響重金屬的生物有效性，進而影響植物的吸收和轉運能力。

實驗結果進一步顯示，P. thomsonii的去除率在鎘、鉻、砷和鉛中表現出顯著差異。鎘的去除率平均達0.69%，遠高於其他三種重金屬，這表明其在鎘污染土壤的修復中具有更高的效率。然而，土壤中的重金屬含量與植物總積累量之間的關係並非線性，這可能是由於植物生理上的飽和效應或土壤-重金屬相互作用的複雜性所致。這一點對實際應用具有重要意義，因為它表明P. thomsonii在高鎘污染土壤中仍能提供一致的去除效果，但其去除效率可能不會隨土壤污染程度的增加而持續提升。

此外，研究團隊還發現，P. thomsonii的葉和莖在成熟階段的鎘含量與擴展階段相比並無顯著差異，而塊根中的鎘含量卻顯著降低。這表明，鎘主要積累在莖中，而塊根中鎘的含量相對較低。這種積累模式對實際應用具有重要意義，因為它降低了鎘通過塊根進入食用部分的風險。然而，P. thomsonii的秸稈和廢棄物中仍含有較高濃度的鎘，這可能對環境造成二次污染。因此，需要開發有效的管理和再利用策略，例如通過生物冶金技術提取秸稈中的重金屬、將秸稈轉化為低鎘肥料或利用高鎘塊根生產工業酒精等。

總體而言，Pueraria thomsonii作為一種高生物量植物，具有顯著的鎘修復潛力。其在成熟階段對鎘的高效積累和轉運能力，使其成為一種理想的高生物量植物修復技術的候選者。然而，其對其他重金屬（如鉻、砷和鉛）的修復效果相對較低，這可能與這些重金屬的生物有效性、植物吸收機制以及土壤條件有關。因此，未來的研究可以進一步探討如何提高P. thomsonii對其他重金屬的修復能力，例如通過基因改良或優化農業管理措施。此外，對P. thomsonii在不同土壤條件下的表現進行更全面的評估，也有助於其在更大範圍內的應用。

本研究的結果不僅為P. thomsonii作為一種潛在的重金屬修復植物提供了科學依據，也為農業可持續發展和土壤污染治理提供了新的思路。通過提高該植物的生物量生產能力和重金屬積累效率，可以實現土壤修復與經濟效益的雙重目標。這對受重金屬污染影響的農田土壤的治理具有重要的現實意義，尤其是在中國南方亞熱帶地區，P. thomsonii的適應性和高生物量使其成為一種理想的修復作物。未來，可以進一步探索其在不同污染程度土壤中的應用潛力，以及如何通過農業技術和生物工程手段提高其對多種重金屬的修復能力，以推動高生物量植物修復技術的發展和應用。