综述：农业土壤与作物中重金属（类金属）的生物修复

这篇综述探讨了整合传统生物修复技术与作物生物工程（bioengineering）、微生物组工程（microbiome engineering）及纳米技术（nanotechnology）的多学科策略，以解决农业土壤中重金属（类金属）（heavy metal(loid)s）污染问题。重点分析了低中度污染条件下作物耐受性培育、生态系统级修复方案及环境友好型技术的应用前景。

　　

重金属（类金属）污染的挑战

农业土壤中的重金属（类金属）（如砷As、镉Cd、铅Pb）污染对粮食安全和人体健康构成严重威胁。这些非生物降解物质通过食物链的生物积累（bioaccumulation）作用在人体内富集，长期接触可能导致癌症、神经系统损伤等疾病。尽管部分重金属（类金属）天然存在，但工业化学品和消费品的广泛使用加剧了其在土壤中的扩散。

传统生物修复的局限性

传统物理化学修复方法（如土壤淋洗）成本高昂且易破坏土壤生态。相比之下，植物修复（phytoremediation）和微生物修复虽环境友好，但效率受限于污染物扩散范围广、浓度低至中等的特点。例如，超富集植物（hyperaccumulators）对特定金属的富集能力有限，且生长周期长。

作物生物工程的突破

通过基因编辑技术培育重金属（类金属）耐受性作物成为新兴解决方案。例如：

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  转运蛋白调控：过表达ABC转运蛋白（ATP-binding cassette transporters）可减少作物对Cd²⁺的吸收；

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  螯合分子合成：导入植物螯合肽（phytochelatins, PCs）基因能增强As³⁺的胞内固定；

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  根系改造：调整根系分泌物（root exudates）成分可改变根际微生物群落，降低Pb的生物有效性。

微生物组工程的协同作用

根际微生物（rhizosphere microbiome）通过氧化还原、胞外沉淀等机制直接影响金属形态。例如：

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  固氮菌（如Azotobacter）分泌铁载体（siderophores）可螯合Fe³⁺并竞争性抑制Cd吸收；

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  真菌共生体（如丛枝菌根真菌AMF）通过菌丝网络（hyphal network）隔离Cu²⁺。

纳米技术的增效潜力

纳米材料（如零价铁nZVI、二氧化钛纳米管TiO₂ nanotubes）可通过吸附、催化降解等机制强化修复：

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  靶向递送：纳米载体负载螯合剂（如EDTA）可精准释放至作物根际；

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  光催化降解：TiO₂在紫外光下产生活性氧（ROS），促进有机砷（如MMA）的矿化。

未来跨学科整合方向

需优化“作物-微生物-纳米材料”三元体系的设计，例如：开发基于CRISPR-Cas9的微生物群落定向调控工具，或构建纳米传感器（nanosensors）实时监测土壤金属动态。同时，需评估长期生态风险，确保技术规模化应用的可持续性。