植物修复及堆肥辅助植物修复用于重金属污染土壤的治理：一种利用废弃物改良剂的可持续方法 Teodora Alexandra Zotica, Gabriela Ungureanu, Simona Dumitri?a Chiril?, C?t?lin Dumitrel Balan, Irinel Eugen Popescu, Irina Neta Gostin, Irina Volf

《Micro》：Phytoremediation and Compost-Assisted Phytoremediation of a Heavy-Metal-Contaminated Soil: A Sustainable Approach Using Waste-Derived Amendments Teodora Alexandra Zotica, Gabriela Ungureanu, Simona Dumitri?a Chiril?, C?t?lin Dumitrel Balan, Irinel Eugen Popescu, Irina Neta Gostin and Irina Volf

　　**摘要**
受镉、铅、锌、铜和铬等重金属污染的土壤继续成为重要的环境问题，尤其是在受工业活动影响的地区。本研究旨在评估一种综合生物修复技术的可行性和效率，该技术通过协同方式结合了植物修复和天然改良剂的使用，以减少土壤中的重金属污染。此外，还探讨了重金属回收的潜力。实验在CET II Holboca发电厂附近的实地条件下进行，使用了两种植物——Trifolium repens和Brassica napus作为生物累积剂，并施用了生物炭作为天然改良剂。分析重点是金属浓度、迁移因子、重金属回收程度以及形态结构特征。结果表明，植物根部积累了大量的金属（尤其是在施用了较高剂量生物炭的土壤中，Brassica napus的铁积累量达到4905.93毫克/千克），并且植物的生长得到了显著促进（Trifolium repens的根长增加了78%，Brassica napus增加了29%）。Brassica napus表现出较高的金属向地上部分的迁移能力（锌的迁移率高达0.83），而Trifolium repens则主要将金属保留在根系内。在施用了较多生物炭的土壤中，铅的回收效率最高，Trifolium repens达到了224.7%，Brassica napus达到了86.7%。总体而言，生物炭的应用促进了植物生长并提高了金属吸收效率，表明这是一种可行的、实际可应用的受污染土地生态修复方法。

**1. 引言**
工业活动的扩张、采矿以及不当的废物管理导致土壤中重金属的广泛积累。这些持久性污染物增加了土壤的毒性，破坏了生态系统功能，并可能进入食物链，对生物多样性和人类健康构成重大威胁[1]。随着污染物排放量超过生态系统自然恢复能力的速度加快，迫切需要可持续的、基于自然的修复策略来恢复土壤健康、保护生物多样性并确保长期的环境韧性[2]。在此背景下，植物修复越来越被视为一种可持续解决方案，它结合了自然植物过程和创新技术，以减少土壤污染物、限制其迁移并促进生态系统恢复[3]。植物修复包括多种策略，如植物提取和植物稳定化，其成功率取决于植物种类、污染物类型和土壤条件[4,5]。Trifolium repens已被证明能够耐受并积累镉、铅、铜、铁和锌等金属，有助于土壤修复和受影响生态系统中植物物种多样性的保护[6,7]。属于十字花科和豆科的植物因其对受污染土壤的耐受性和积累或稳定重金属的能力而受到广泛认可，使其成为植物修复和修复后生物多样性恢复的理想候选植物[8]。因此，使用这些植物不仅有助于污染控制，还有助于栖息地恢复和受影响生态系统中植物物种的长期保护[9]。
传统的异地生物修复方法涉及挖掘土壤并在受控系统中进行处理，常用于严重污染的场地以快速去除污染物[10,11]。然而，这些方法成本高昂，会破坏土壤结构，并可能造成二次污染，威胁生态系统功能和生物多样性[12]。相比之下，植物修复依靠高等植物在原位提取、积累、转化或稳定污染物。这种方法是一种可持续且环保的修复策略，因为它可以将土壤扰动降至最低并保持其物理结构[13]。同时，植物修复通过改善土壤质量、支持微生物群落的恢复以及增强受影响生态系统中的整体生物多样性来促进生态恢复[14]。这些科的植物包括超积累物种和适合修复方法的高生物量植物，有助于土壤的恢复及后续本地植物的重新定殖。植物修复的效果取决于植物的生理和结构特性、土壤条件以及影响金属可用性和吸收的改良剂[15,16]。镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、铁（Fe）和锌（Zn）等重金属是通过工业、农业和不良废物管理而污染土壤和水的持久性有毒污染物[17,18]。
生物炭是一种富含碳的稳定材料，通过在有限氧气条件下对生物质进行热解制备而成，用作土壤改良剂，以增强碳封存、改善土壤性质并固定污染物。它被广泛认为是持久的土壤改良剂，有助于长期碳储存，并通过降低二氧化碳排放来缓解气候变化[19]。其在土壤中的稳定性使其能够作为持久性有机碳库，减缓分解并促进土壤碳积累[20]。改性形式的生物炭还可以保护有机物免受微生物分解，并通过减少侵蚀和径流造成的碳损失[21]。生物炭富含碳的组成和反应性表面基团使其能够吸附重金属（如铅），通过降低污染物的生物可用性来支持植物修复[18]。
本研究旨在通过全面评估Brassica napus L.（十字花科）和Trifolium repens L.（豆科）在不同土壤改良剂处理下的生理和解剖反应，评估其植物修复潜力。通过研究金属积累模式和植物耐受机制，本研究旨在确定这些物种是否适合修复受污染的土壤，以及它们在栖息地恢复和受影响生态系统中植物物种多样性保护中的作用。这些见解对于生态系统恢复计划尤为重要，其中耐受性植物和生物炭等天然改良剂的联合使用可以增强土壤恢复、促进生物多样性并支持长期的生态韧性。

**2. 材料与方法**
实验旨在确定土壤中重金属浓度对植物形态、生理和组织的影响。评估的参数包括一系列分析和测定，以突出所选植物的相关性，并为它们在原位生物修复计划中的应用提供见解。
**2.1. 研究区域**
本研究在罗马尼亚Iasi地区的Holboca（坐标：北纬47°09′01.2″，东经27°43′06.4″）附近进行，研究时期为植被生长期（5月至6月）（图1）。年均气温为9.7至9.8°C，年降水量为570至572毫米[22]。海拔高度在35至38米之间。
**2.2. 土壤分析**
研究集中在研究区域的采样点，采样点之间的距离为80米[23]。采样点在地图上的位置是使用AndroidTS GPS（版本1.48）测试应用程序记录的GPS坐标确定的。记录的坐标随后被导出为KML格式，并将数据转印到地图上。图表使用Microsoft Excel 2021创建，地图使用QGIS版本3.34制作。
**2.3. 材料**
云杉树皮（Picea abies L., H. Karst.）是从Vatra Dornei的一家锯木厂收集的，它是木材加工行业的副产品。在室温下通风条件下空气干燥后，树皮被研磨成1–1.5毫米的颗粒大小，并储存在干燥器中待进一步分析。
土壤改良剂是由实验室通过云杉树皮的热解转化制成的生物炭。云杉树皮在550°C下进行了缓慢热解[18,24]。
原始云杉树皮和通过热化学转化获得的生物炭在研究小组中进行了物理、化学、形态和结构方面的表征。这些材料含有多种功能基团，包括羟基（–OH）和羧基（–COOH）基团（生物炭），以及芳香族甲氧基（C–H）和羰基（C=O）基团（云杉树皮）。
对于通过缓慢热解制备的生物炭，分析显示其比表面积为62.3平方米/克，吸附体积为0.09立方厘米/克，微孔体积为0.008立方厘米/克。孔隙率和比表面积是吸附材料的关键性质，与表面功能基团一起显著影响污染物的保留能力[24]。
实验中使用的Trifolium repens和Brassica napus种子购自Jelitto Staudenzamen GmbH公司（德国Schwarmstedt，网址：https://www.jelitto.com）。
**2.4. 实验方法**
从研究地点收集的土壤首先通过2毫米筛子筛选，并每株植物盆装入150克土壤作为对照处理。加入蒸馏水使其含水量达到50%。然后将土壤在25 ± 1°C和65 ± 5%的相对湿度下暗处培养10天。
经过10天的预处理后，对土壤进行改良。实验处理编码如下：S（对照土壤），LB（添加少量生物炭的土壤——3克/150克土壤），HB（添加大量生物炭的土壤——7.5克/150克土壤），GSB（添加研磨云杉树皮的土壤——3.5克/150克土壤），对应于植物盆中应用的处理方式。保持土壤含水量为50%，改良后的土壤再培养30天。
在30天的土壤培养期后，播种两种选定的超积累植物物种的种子：Brassica napus（栽培作物）和Trifolium repens（自然存在于该研究区域植被中的物种）。每种处理重复三次，每个植物盆中手动播种三粒种子。栽培土壤每天用15毫升蒸馏水灌溉。
经过40天的生长后，收获植物并分离根、茎和叶，然后对其进行表征分析，以评估栽培条件（植物物种和施加的土壤改良剂）对植物生长和发育的影响，以及从受污染土壤中吸收重金属的能力。
**2.4.1. 重量和生物测量评估**
为了确定营养器官（根、茎和叶）的生长差异，使用了生物测量方法。在播种后10天进行测量，使用数字卡尺进行测量。研究的营养器官是根、茎和叶。
新鲜植物生物量的测定使用分析天平的重量法进行。抑制效应通过与对照组的百分比进行比较来评估。
**2.4.2. 金属离子浓度测定**
根据SR ISO 11047:1999标准[25]进行重金属离子浓度的分析。土壤样品经干燥和精细研磨后，用硝酸（65%）、盐酸（35%）和去离子水的混合物（体积比为4:12:5）进行矿化处理，然后在150°C下加热7小时。冷却后，样品用孔隙率为0.45 μm的醋酸纤维素膜过滤，然后稀释至所需体积。测定重复三次，使用GBS Avanta原子吸收光谱仪进行重金属浓度评估。
分析使用99.95%纯度的空气/乙炔火焰进行，每次测定重复三次，并进行背景校正。每次分析前接受最小允许确定系数R2 > 0.995的校准曲线。样品在AAS火焰分析前通过0.45 μm孔隙率的醋酸纤维素膜过滤。
种植40天后收获植物，并将其分离为根、茎和叶。植物材料在28°C下干燥一周后称重，然后在550°C下煅烧2小时。每种营养器官转移到250毫升的反应容器中，加入0.5毫升二次蒸馏水、10.5毫升12摩尔/升的HCl和3.5毫升15.8摩尔/升的HNO3，同时不断搅拌以减少泡沫。将所得混合物在室温下静置2小时以允许有机物缓慢氧化，然后在电热板上回流条件下加热2小时，确保冷凝区不超过冷凝器高度的三分之一。冷却后，加入10毫升0.5摩尔/升的硝酸（HNO3）冲洗冷凝器，然后进行过滤并稀释滤液[26]。利用不同植物部位中的金属离子浓度来计算转运因子和回收率，其定义如下：转运因子（TF）=地上部分的金属离子浓度/根部的金属离子浓度。回收率（%）=根、茎和叶中的金属离子浓度/培养基（土壤）中的金属离子浓度[27]。所有测定均重复三次，重金属浓度使用GBS Avanta原子吸收光谱仪（GBC Scientific Equipment Pty Ltd.，澳大利亚维多利亚州布雷斯赛德）进行测量。2.4.3. 营养器官结构的扫描电子显微镜（SEM）分析植物材料（叶片、叶柄和根）被固定在70%的乙醇中储存。选定的营养器官在立体显微镜下使用剃须刀片切片。经过分级乙醇系列（80%、90%和100%）和丙酮脱水后，样品使用CO2临界点干燥仪（K850 Critical Point Dryer，美国宾夕法尼亚州哈特菲尔德，EMS公司）干燥。干燥后的材料使用EMS 550X涂层系统喷涂一层薄金层（30纳米），随后在30千伏的加速电压下通过扫描电子显微镜（SEM，Tescan Vega II SBH，捷克共和国布尔诺）进行观察[28]。2.4.4. 统计分析使用单因素方差分析（ANOVA）评估不同土壤处理（S、GSB、LB和HB）之间的差异。当ANOVA表明处理效果显著时，使用Tukey的诚实显著差异（HSD）测试进行均值之间的成对比较。统计显著性标准为p < 0.05。所有分析均在R统计软件（版本4.1.4；R Core Team，2024年）中进行[29]。3. 结果 3.1. 生物测量在B. napus中，单因素ANOVA表明土壤类型显著影响根、茎和叶的伸长（p < 0.001）。Tukey的HSD测试显示，在GSB土壤中生长的植物比在LB和HB土壤中的植物生长明显更慢。S、LB和HB处理之间根长没有显著差异，而B. napus的茎和叶在HB土壤中的长度明显长于S土壤。LB和HB土壤促进了B. napus的营养生长（根长增加最多29%，叶长增加20%），而GSB土壤限制了植物的生长（图2A）。图2. 土壤对所研究植物生长长度的影响。(A) 黄花甘蓝(Brassica napus)。(B) 三叶草(Trifolium repens)。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。在T. repens中，土壤类型显著影响所有分析器官的伸长。T. repens在LB和HB土壤中的根长明显大于S土壤，根长增加了高达78%，而GSB土壤导致显著减少，尤其是叶长（减少了38%）。茎长在GSB土壤中最短，而HB土壤促进了更大的生长。T. repens的叶长在大多数土壤处理之间有显著差异，除了LB和HB之间，总体而言该物种在LB和HB土壤中的生长表现最好（图2B）。关于叶片数量（图3），在LB和HB处理中观察到B. napus和T. repens的叶片数量都有所增加。图3. 土壤对所研究植物叶片数量的影响。(A) 黄花甘蓝(Brassica napus)。(B) 三叶草(Trifolium repens)。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。3.2. 称量测定在B. napus和T. repens中，所有实验变体中新鲜生物量的增加都有所观察。在所有实验中，每个营养器官的新鲜生物量积累的刺激值相对一致。结果表明，B. napus和T. repens的新鲜生物量生长受到明显刺激，特别是在LB和HB处理中（图4）。图4. 所研究物种中新鲜生物量的积累。(A) 黄花甘蓝(Brassica napus)。(B) 三叶草(Trifolium repens)。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。3.3. 营养器官中重金属离子浓度的变化对根、茎和叶中镉(Cd)、铜(Cu)、铁(Fe)、铅(Pb)和锌(Zn)浓度的分析表明，用7.5克生物炭(HB)改良培养基显著增强了重金属的生物积累。在LB和HB处理中，向受污染的土壤中添加3克(LB)和7.5克(HB)生物炭促进了B. napus和T. repens中重金属的积累。在B. napus中，镉主要在根部积累，四种土壤类型（S、GSB、LB和HB）均如此（图5）。HB土壤中的根部浓度最高（0.71毫克/千克），其次是LB（0.50毫克/千克），而叶片中未检测到镉。茎部的积累量很少，LB为0.23毫克/千克，HB为0.26毫克/千克（图5）。图5. 在有机改良剂存在下，根、茎和叶中镉浓度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。铜主要在两种物种的根部积累，生物炭改良土壤中的浓度较高。在B. napus中，HB土壤中的最大值为根部15.24毫克/千克，茎部4.99毫克/千克，叶片1.70毫克/千克（图6）。T. repens表现出更高的浓度，在HB处理的根部达到21.69毫克/千克（图6）。图6. 在有机改良剂存在下，根、茎和叶中铜浓度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。铁在两种物种的根部都有大量积累，HB土壤中的浓度最高，B. napus为4905.93毫克/千克，T. repens为4355.81毫克/千克（图7）。茎和叶中也显示出较高的水平，尤其是在LB和HB土壤中，B. napus的叶片浓度显著高于T. repens（205.36毫克/千克对比87.03毫克/千克）（图7）。图7. 在有机改良剂存在下，根、茎和叶中铁浓度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。铅主要在根部积累，HB土壤中的最大值为B. napus 41.55毫克/千克，T. repens 44.78毫克/千克。在LB和HB处理中，铅向茎和叶的转移更为高效。在叶片中，T. repens的铅浓度略高于B. napus（HB中分别为3.67毫克/千克对比3.20毫克/千克），表明该物种的铅流动性略强（图8）。图8. 在有机改良剂存在下，根、茎和叶中铅浓度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。锌也主要在根部积累，在HB土壤中达到17.60毫克/千克和18.33毫克/千克。在LB和HB处理中，锌向茎和叶的转移更为明显。B. napus的叶片浓度（HB中为3.88毫克/千克）高于T. repens（2.22毫克/千克）（图9）。图9. 在有机改良剂存在下，根、茎和叶中锌浓度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。3.4. Brassica napus和Trifolium repens营养器官中各种重金属的转运因子B. napus的转运因子表明锌(Zn)的流动性增加，HB土壤中的值高达0.83，其次是铜(Cu)，达到0.43。镉(Cd)的转运普遍较低，在LB土壤中达到峰值（0.45）。铁(Fe)和铅(Pb)的转运因子最低，保持在0.2–0.36之间。生物炭土壤（LB和HB）明显有利于金属向植物地上部分的转移，尤其是在Zn和Cu的情况下。在T. repens中，转运因子表明锌(Zn)在植物体内的流动性相对较高，值介于0.25至0.62之间。铜(Cu)也显示出明显的流动性，在LB土壤中达到0.33的值。镉(Cd)的转运程度适中，最大值为0.53，而铅(Pb)和铁(Fe)的转运因子较低，保持在0.32以下。这些元素的最高值通常在LB和HB土壤中记录，表明生物炭的存在可能增强了某些金属在植物体内的移动。特别是Zn和Cu，在这些土壤条件下更有效地转移到植物的地上器官（图10）。图10. B. napus和T. repens中锌、铅、铁、铜和镉离子的转运因子变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。3.5. Brassica napus L.和Trifolium repens L.营养器官中不同重金属的回收程度根据通过将根、茎和叶中的重金属（Zn、Cu、Cd、Pb和Fe）浓度与培养基中这些金属的浓度进行比较得出的回收程度（%），观察到添加有机改良剂（即云杉树皮和生物炭）有助于从培养基中回收重金属。这一趋势在HB实验中很明显，并且在研究的两种植物B. napus和T. repens中都有记录。这些有机材料在培养基中的存在似乎影响了植物与培养基之间的相互作用，促进了植物组织对重金属更有效的吸收和回收。因此，改良后的培养基比未改良条件支持更明显的回收响应，突显了云杉树皮和生物炭在HB实验设置中增强重金属回收的积极作用。T. repens的镉回收程度更高，特别是在HB土壤中，根部的回收率达到21.6%，茎部的回收率为8.2%。在B. napus中，根部的最大回收率为14.2%，茎部的回收率为5.2%，同样在HB土壤中。在两种植物中，镉都没有转移到叶片中（图11）。图11. 根、茎和叶中镉离子回收程度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。T. repens的铜回收程度更高，特别是在HB土壤中生长的植物中，根部和茎部的回收率最高。在这种情况下，根部的回收率为8.03%，茎部的回收率为2.24%，表明铜在地下植物器官中的积累明显，并且向茎部的转移适中。在B. napus中，最大回收值较低，根部为2.45%，茎部为0.80%。与T. repens不同，B. napus也显示出铜向叶片的适度转移，在HB土壤中的值为0.27%。这些结果表明两种植物在铜在植物组织中的分布和转移方面存在差异（图12）。图12. 根、茎和叶中铜离子回收程度的变化。不同的小写字母表示p < 0.05时处理之间的显著差异。误差条表示标准偏差。B. napus的铁回收程度较高，特别是在HB土壤中生长的植物中，根部的回收率最高，其次是茎部，分别为0.54%和0.08%。在T. repens中，最大回收主要发生在根部，为0.46%，而茎部的回收率为0.073％，叶片的回收值较低。这些结果表明，对于这两种植物来说，铁的积累主要发生在根系中，逐渐有少量的铁转移到植物的地上部分（图13）。图13显示了根、茎和叶层面铁离子回收程度的变化。不同的小写字母表示处理组之间存在统计学上的显著差异（p < 0.05）。误差条表示标准偏差。在T. repens中，铅的回收程度显著更高，根部的回收率最高达到224.7%，其次是茎部的53.3%，叶片为18.4%。而在B. napus中，这些数值较低，根部的回收率为86.7%，茎部为24.3%，叶片为6.6%（图14）。图14也展示了铅离子在根、茎和叶层面回收程度的变化。不同的小写字母表示处理组之间存在统计学上的显著差异（p < 0.05），误差条表示标准偏差。在某些处理组中，铅的回收率超过了100%（特别是在HB土壤条件下生长的T. repens中），因为所使用的指标是浓度比（器官浓度/土壤浓度），而非质量平衡回收。在受污染的土壤中，铅的分布可能在小空间尺度上是异质的，这意味着测量的土壤浓度可能低估了根在生长过程中实际遇到的铅浓度[30]。此外，生物炭的添加可以改变土壤条件（如pH值、CEC——阳离子交换容量）和根际过程，从而影响实验过程中植物可利用的铅的比例[31]。T. repens的锌回收程度略高，尤其是在HB土壤条件下生长的植物中，其根部和茎部的锌回收率分别为3.01%和1.51%。相比之下，B. napus的锌回收率在叶片中较高，达到0.52%。在所有分析的土壤类型中，两种植物都表现出从S土壤到HB土壤锌回收率的持续增加。此外，两种植物的根部和茎部中的锌回收值通常相似，表明这两种植物在这些器官中的锌吸收和分布模式相似（图15）。图15显示了锌离子在根、茎和叶层面回收程度的变化。不同的小写字母表示处理组之间存在统计学上的显著差异（p < 0.05），误差条表示标准偏差。

3.6. 在天然改良剂作用下分析物种的组织解剖学和显微形态特征
通过对两种植物幼苗的叶 blade（从中点切片）、叶柄（在中部区域切片）和根部（距尖端1厘米处）的横截面进行了组织解剖学分析。由于这些结构的脆弱性，无法使用植物组织学中常用的经典技术进行处理，因此采用扫描电子显微镜进行分析。

3.6.1. Trifolium repens幼苗的组织解剖学特征
在横截面上，叶片是双面气孔的（图16A），上表皮下方是一层单层的栅栏组织，多层海绵组织具有较大的细胞间隙，以及缺乏机械成分的简单维管束（图16B）。
图16. T. repens叶片的横截面（SEM图像）：对照幼苗—(A)—叶脉，(B)—叶片，(C)—上表皮，(D)—叶柄；GSB土壤中的幼苗—(E)—叶片，(F)—上表皮；HB土壤中的幼苗：(G)—叶柄，(H)—叶脉，(I)—上表皮：a.s.—通气空间，ep.—表皮，l.e.—下表皮，p.p.—栅栏组织，s.p.—海绵组织，st.—气孔，u.e.—上表皮，u.e.c.—上表皮细胞，v.b.—维管束。比例尺：(A,D,G,H) = 200 μm，(B,E) = 100 μm，(C,F,I) = 50 μm。上表皮由沿切向延伸的大型细胞组成，细胞壁较薄；下表皮具有类似的结构。两种表皮中都存在大量的气孔；气孔装置是异型细胞构成的，保卫细胞被普通的表皮细胞包围，没有特化的辅助细胞（图16C）。上表皮细胞的细胞外壁覆盖着一层非常薄的角质层，由细小的微管连接形成，从表面看，表皮细胞呈多边形且几乎等径。栅栏组织由一层比宽度长2-3倍的细胞组成，这些细胞垂直于表皮排列；海绵组织由4-6层较圆或稍长的细胞组成，细胞间有较大的空气间隙（图16B）。叶柄的横截面呈心形，具有一层表皮、均匀的薄壁组织，以及在截面角落处排列的三个开放的侧向维管束。叶柄中央有一个通气腔（图16D）。

根部的横截面呈圆形，显示出发达的次生结构，中心维管系统包括一个厚的韧皮部环，围绕着一个中央的木质部核心，并形成了一个薄的周皮。

在GSB土壤中生长的幼苗中， vegetative organs 的总体结构与前一变种相似。栅栏组织发育良好，细胞垂直于表皮延伸（图16E）。叶柄的薄壁组织紧密，缺乏空气间隙，并包含三个维管束，在韧皮部极处可以看到厚壁组织的鞘。

在LB土壤中生长的幼苗中，叶片较薄，厚度减少是由于叶肉细胞层减少所致；栅栏组织减少，其细胞几乎呈等径，类似于海绵组织的细胞。两种表皮都保持薄细胞壁。上表皮的角质层在细胞中央区域部分磨损，而下表皮的角质层表面光滑，有些地方角质层蜡质部分脱落（图16F）；偶尔可以看到与表皮表面平行的多细胞腺毛。在叶柄中观察到四个维管束——三个大的和一个较小的，比对照组多——并且中央区域仍存在薄壁组织，没有通气空间。

在HB土壤中生长的植物中，叶柄结构紧密，具有四个维管束和均匀的薄壁皮质组织，缺乏通气空间（图16G）。叶片的结构与对照组相似，但叶脉和维管束更为发达，含有更多的木质部和韧皮部成分（图16H）。上表皮由略微凹陷的细胞组成，横截面呈圆锥形；因此，气孔细胞位于表皮细胞下方，形成了一个浅色的上气孔腔（图16I）。根部也表现出次生结构，周皮更加巩固，导致根皮和外层皮质剥落，木质部导管的数量也比对照组更多。

3.6.2. Brassica napus幼苗的组织解剖学特征
在对照组中，叶片是双面气孔的，上表皮下方有一层栅栏组织，叶脉明显，两种表皮上都有稀疏的单细胞保护毛（图17A,B）。叶柄呈V形结构，上表面扁平，薄壁组织发育不良，有7-8个大小不一的维管束（图17A,B）。
图17. B. napus叶片的横截面（SEM图像）：对照幼苗—(A)—叶脉，(B)—叶片，(C)—叶柄；HB土壤中的幼苗—(D)—叶脉，(E)—叶片，(F)—叶柄，(G)—上表皮；LB土壤中的幼苗—(H)—叶片，(I)—叶柄。l.e.—下表皮，p.p.—栅栏组织，s.p.—海绵组织，t.h.—保护毛，u.e.—上表皮，v.b.—维管束。比例尺：(A,C,D,G,H) = 200 μm，(B,E) = 100 μm (F,I) = 500 μm。在HB土壤变种中，栅栏组织由一层相对较短的细胞组成，海绵组织由4-5层较圆的细胞组成，使叶肉具有正常的背腹组织结构（图17D,E）。横截面观察到的表皮由上表皮中的较大细胞和下表皮中的较小细胞组成，前者细胞沿切向延伸，后者细胞几乎等径。从表面看，两种表皮的细胞都呈等径，其中有许多气孔；气孔装置是异型细胞构成的，这是十字花科植物的典型特征，由两个较大的辅助细胞和一个较小的细胞组成。叶柄的横截面呈V形，薄壁组织紧密，有三个维管束（三个大的位于中央，两个小的位于两侧）（图17F）。表皮由小型、等径的细胞组成，细胞外壁略厚，气孔均匀分布且位于与周围表皮细胞相同的水平；也有罕见的尖端带有多细胞腺毛。叶柄的中央区域部分表皮的角质层被侵蚀，而下表皮的角质层表面光滑，有些地方角质层蜡质部分脱落；偶尔可以看到与表皮表面平行的多细胞腺毛。

在LB土壤中生长的植物中，叶柄的结构紧密，具有四个维管束，皮质薄壁组织均匀，缺乏通气空间（图16G）。叶片的结构与对照组相似，但叶脉和维管束更为发达，含有更多的木质部和韧皮部成分（图16H）。上表皮由略微凹陷的细胞组成，横截面呈锥形；因此，气孔细胞位于表皮细胞下方，形成了一个浅色的上气孔腔（图16I）。根部也表现出次生结构，周皮更加巩固，导致根皮和外层皮质脱落，木质部导管的数量也比对照组更多。

4. 讨论
获得的结果突显了两种分析植物Brassica napus和Trifolium repens之间的显著差异，这些差异取决于金属类型、分析的植物器官以及所施加的处理方法。对于镉来说，其在根部的积累较多而在叶片中几乎没有，这证实了其在植物中的低移动性以及对地上器官的高毒性。镉在根系中的滞留被认为是有益的，因为它减少了其转移到可食用部分的风险。最近的研究强调了根在固定镉（通过螯合和液泡隔离机制）中的重要作用，从而防止其对地上器官的系统性影响[32,33]。关于铜，这种对酶过程至关重要的微量元素在高浓度下是有毒的，但T. repens表现出更高效的迁移能力，回收率更高。这一行为得到了最近研究的支持，这些研究表明豆科植物能够通过细胞内的螯合机制和抗氧化系统的激活来耐受金属压力[34]。相比之下，B. napus表现出更平衡的铜向叶片的迁移，表明其具有有效的系统性再分布能力。Bortoloti及其合作者[32]报告称，十字花科植物通过调节膜转运蛋白和细胞解毒机制具有显著的金属管理适应性。

B. napus中的铁浓度明显较高，尤其是在地上器官中，这表明其通过木质部导管进行主动运输的能力增强。这种现象得到了陈及其合作者[35]的支持，他们认为生物炭可以通过改变土壤pH值和氧化还原电位以及刺激根际微生物活性来积极影响铁的生物利用度。对于铅来说，两种植物都在根部积累了高浓度的铅。然而，T. repens表现出更明显的向茎和叶片的迁移，尤其是在添加了HB生物炭的土壤中。这种能力与其超过200%的根系回收指数有关，证实了该物种修复铅污染土壤的潜力。Rajendran及其合作者[36]和Yan及其合作者[5]表明，有机改良剂可以增加铅的溶解度，并通过改变根系分泌物模式和相关微生物群落来增强其对铅的吸收。在锌方面，B. napus在叶片中记录到最高的浓度，表明其在向地上生物量转移锌方面的效率更高。这一特性使其非常适合通过植物提取方式进行植物修复，特别是在中度污染区域。通过植物采掘或能量转换方式对从这些作物中获得的生物质进行增值处理，从而为修复过程增添经济价值，这一观点得到了先前研究的支持[4,37]。本研究的核心在于生物炭作为有机改良剂的作用。在所有情况下，使用较高浓度生物炭处理的土壤中，植物生物量和金属积累量均显著增加。这些发现与Chen及其合作者[35]的研究结果一致，他们指出生物炭不仅通过固定和吸附作用降低了金属毒性，还提高了养分可利用率和土壤生物活性。尽管不同土壤类型之间存在一些定量和局部解剖结构的差异，但这些变化并未导致物种功能受到显著限制。叶片叶肉分化的整体保持以及维管组织的充分发育表明，光合作用效率、同化物运输和水分传输均未受到负面影响。此外，稳定的组织解剖结构的维持可以被理解为植物耐受重金属存在的能力的一部分，使其能够在不受到结构损伤的情况下抵抗金属引起的压力，这一现象在其他暴露于受污染土壤的物种中也已有报道[33,38]。

对比T. repens和B. napus的结果表明，在实验室研究结果的实际应用层面存在一些差异，尤其是在场 Layer层面植物修复的成本效益方面。B. napus是一种生长迅速且生物量产量高的物种，这使得它每单位面积提取重金属的能力更强。其快速生长和发达的根系使其适用于需要快速从环境中去除大量污染物的短期植物修复策略[39]。然而，也应考虑到该物种具有较高的营养需求和特殊的农业管理要求，这可能导致大规模种植用于植物修复时的成本增加。相比之下，T. repens虽然生长速度较慢，但更能适应不同类型的土壤，包括压实或养分贫瘠的土壤。在我们的研究中，所使用的土壤是河流沉积物及其与湖泊沉积物的混合体。由于T. repens能在根瘤处固定大气中的氮，因此其肥料需求较低，农业成本也较低，从成本角度来看，它更适合长期植物修复活动[40]。此外，其对土壤质量的要求较低，使其在修复退化土壤方面也非常有用。

在考虑成本效益时，B. napus虽然前期栽培和管理成本可能较高，但在需要快速短期修复的情况下能够更有效地减少污染物。T. repens虽然每次循环吸收金属的量较少，但对于长期修复项目或多功能土地利用系统的整合来说，它提供了更为可持续且投入较低的选择。总体而言，选择这两种物种应基于具体地点的目标、可用资源以及修复速度与长期经济可持续性之间的平衡。这两种分析物种的互补特性——一种以地下金属积累效率高为特点（T. repens），另一种则以地上部器官转移能力强为特点（B. napus）——为开发综合植物修复策略提供了坚实的基础。

目前研究的一个局限性是缺乏长期的野外监测数据，因为实验仅进行了相对较短的时间段。因此，无法全面评估金属吸收的长期稳定性、植物的持久性以及生物炭改良剂在自然环境条件下的持续效果。未来的研究应包括更长时间的野外试验和多季节监测，以评估植物修复效果的持久性和植物、土壤及金属迁移之间的长期相互作用。

**5. 结论**
本研究显示，Trifolium repens在根部积累镉和铅的能力较强，特别是在施用大量生物炭的土壤中，其回收值更为显著。该物种还表现出高效的金属迁移能力，能够将金属转移到地上部器官，表明其对受污染基质的良好耐受性和适应性。Brassica napus则在将铁和锌转移到地上部器官方面表现出更强的能力，尤其是在施用高剂量生物炭（HB）的土壤中，其叶片和茎部的金属浓度最高。这种模式表明金属能有效地被运输到可收获的器官中，突显了该物种在旨在去除受污染生物质的植物提取方法中的适用性。对于高度污染土壤的短期植物修复，推荐使用B. napus与不同浓度生物炭的组合，因为其快速积累生物质有助于从土壤中去除重金属。而对于修复过程持续时间较长的情况，则建议使用T. repens，因为它在压实或养分贫瘠的土壤中表现更好，即使添加的生物炭量较少也是如此。总之，在需要快速去污的情况下，B. napus更为合适；而T. repens则适用于长期土壤稳定化的需求。