太阳麻与象草对锂污染土壤的植物修复潜力：形态生理与生化机制解析

《Scientific Reports》：Morpho-physiological and biochemical insights into phytoremediation of lithium by sunn hemp (Crotalaria juncea L.) and napier grass (Cenchrus purpureus Schumach.)

本研究针对锂(Li)污染土壤修复难题，探讨了非作物物种太阳麻(Crotalaria juncea L.)和象草(Cenchrus purpureus Schumach.)的植物修复潜力。通过温室控制实验结合ICP-MS分析，发现两种植物根系锂积累量显著高于地上部(太阳麻最高达7.37 mg/g DW)，象草表现出更优的耐受性。研究揭示了锂胁迫下植物通过调节脯氨酸含量和抗氧化酶活性(SOD/CAT/APX)等机制应对氧化应激，为杂草资源化用于锂污染土壤修复提供了理论依据。

　　

随着锂离子电池(LIBs)的广泛应用和废弃量激增，锂(Li)已成为新兴的土壤污染物。虽然锂是某些生物体所需的微量元素，但在植物中属于非必需元素，高浓度锂会破坏土壤酶活性、抑制养分吸收，导致植物生长受阻、农业减产。传统土壤修复方法成本高且易造成二次污染，而植物修复技术因其环境友好、成本低廉等优势备受关注。然而，目前针对锂污染修复的研究多集中于传统重金属，对高生物量非作物物种修复锂污染潜力的认识仍存在空白。

为探索高效修复锂污染土壤的植物资源，由Anushka Alva和H.S. Likitha Aishwarya等研究人员在《Scientific Reports》发表论文，系统评估了太阳麻（Crotalaria juncea L.）和象草（Cenchrus purpureus Schumach.）这两种高生物量植物对锂污染的耐受机制与修复效能。研究通过整合形态学、生理生化指标和元素分析，揭示了植物在锂胁迫下的适应性反应规律。

研究采用温室盆栽实验，对15日龄幼苗进行不同浓度锂(0、500、1000、1500μM LiCl)处理。通过测量生长参数、根系构型、光合色素含量、气体交换参数等评估生理响应；采用生化方法测定脯氨酸、蛋白质含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等抗氧化酶活性；利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)定量分析锂在植物组织的积累与分布。

3.1 形态学特征

锂处理显著影响植物生长，但存在物种差异。太阳麻在锂胁迫下株高、生物量及根系数量均显著降低，表明其对锂较为敏感。相反，象草在锂处理下株高、叶长和生物量反而增加，表现出明显的耐锂特性。根系构型分析显示，太阳麻初级根数量随锂浓度增加而减少，而象草则呈现增加趋势，说明象草可通过调整根系构型增强对逆境的适应。

3.2 生理生化参数

锂胁迫对光合色素（叶绿素a、b和类胡萝卜素）含量无显著影响，但显著降低了两种植物的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。太阳麻的叶片花青素含量随锂浓度升高而下降，而象草则呈剂量依赖性增加，提示花青素可能在象草的锂耐受机制中发挥保护作用。生化分析显示，锂处理显著诱导了两者叶片脯氨酸的积累（太阳麻在1000μM时最高达0.24 mg/g FW），这可能是植物应对氧化应激的重要保护机制。抗氧化酶活性响应物种特异：太阳麻中SOD和APX活性受抑制，而象草中APX活性显著升高，表明象草可能通过增强APX介导的活性氧(ROS)清除途径来缓解锂毒害。

3.4 锂的吸收与区室化

ICP-MS分析表明，锂主要积累在根系中，且随处理浓度升高而增加。1500μM处理下，太阳麻和象草根中锂含量分别达7.37 mg/g DW和4.69 mg/g DW，分别为对照的3.3倍和4.2倍。太阳麻地上部锂积累在不同浓度间波动，而象草则呈现浓度依赖性增加，说明两者在锂转运效率上存在差异，象草表现出更稳定的吸收-转运模式。

本研究系统阐释了太阳麻和象草对锂胁迫的形态、生理和生化响应机制，证实象草在锂耐受性、生物量维持及抗氧化防御方面优于太阳麻，具备作为锂污染土壤修复植物的潜力。锂在根系中的高积累和有限转运特征，表明植物主要通过根系固定而非地上部提取来修复污染，这为利用非作物植物进行锂污染场地稳定化提供了新思路。未来研究应聚焦锂在植物体内的转运分子机制（如通过高亲和钾转运蛋白HKTs或非选择性阳离子通道NSCCs），并开展田间验证，以推进该类植物在真实污染环境中的应用。此外，对修复后富锂植物进行能源化利用（如生物质能源），可实现污染治理与资源再生的双重目标，符合可持续发展理念。该研究为锂污染环境的绿色修复提供了重要的物种选择和理论支撑。