综述：螯合剂辅助的芸薹属植物重金属植物修复研究进展

《Discover Plants》：Chelate-assisted phytoremediation of heavy metals using Brassica species: a review

　　

土壤重金属污染带来了严峻的环境挑战，传统修复技术往往成本高昂且会对生态系统造成危害。螯合剂辅助植物修复是一种更绿色的替代方案，通过向植物施用螯合剂，从污染场地提取重金属。在候选植物中，芥菜型油菜(Brassica juncea)和甘蓝型油菜(Brassica napus)等芸薹属物种因生长速度快、生物量大且耐受金属胁迫而备受关注。本综述探讨了芸薹属植物在螯合剂辅助植物修复中的有效性，重点关注其吸收金属及其他污染物的能力。文中考察了常用螯合剂在增强金属吸收中的作用，并讨论了螯合剂处理引起的芸薹属植物形态与生理变化。该论文强调了优化芸薹属物种在可持续土壤修复中应用的关键发现与当前挑战，同时指出了当前研究的不足，包括田间研究有限以及与螯合剂使用相关的潜在生态风险，并提出了未来的研究方向。

1 引言

过去一个世纪的快速工业化与农业集约化导致土壤和水资源受到重金属及其他有毒污染物的广泛污染。这些污染物具有持久性、难生物降解性以及沿食物链生物富集的潜力，对环境和人类健康构成重大风险。为缓解这些问题，植物修复作为一种可持续的替代方案被用于替代传统的物理和化学修复方法。然而，该方法的成效高度依赖于所选植物种类，不同植物的金属吸收、耐受及富集能力存在显著差异。在各类植物修复策略中，螯合剂辅助植物修复已成为提升污染土壤中重金属吸收与转运的有效途径。该方法通过施用乙二胺四乙酸(EDTA)或可生物降解替代品等螯合剂来活化重金属，促进超富集植物吸收。近年来，能源作物在植物修复中的应用日益受到关注，这类作物在实现污染物去除的同时还能生产用于生物能源和生物燃料的生物质，提升了修复项目的经济可行性。许多能源作物具备生物量产量高、根系发达及抗逆性强的特点，适合大规模植物修复应用。芸薹属物种因生长快、生物量大且能富集铅(Pb)、镉(Cd)、锌(Zn)等多种重金属，被广泛认为是极具潜力的能源作物与修复材料。配合适宜的螯合剂，芸薹属物种的植物提取效率显著提升，适用于大规模污染场地修复。本综述旨在系统阐述芸薹属物种在螯合剂辅助植物修复中的作用，分析其对重金属胁迫的生理生化响应，并评估不同螯合剂的有效性及环境影响。

2 植物修复

植物修复是一种环境友好的原位技术，利用植物在污染场地生长，实现有害金属的去除、降解与解毒。针对重金属的植物修复技术主要包括五类：植物提取(phytoextraction)指植物从土壤中吸收金属并积累于地上部生物质的过程；植物稳定化(phytostabilization)利用植物降低污染土壤中金属的移动性，通过根系吸收或在根际沉淀实现固定；植物挥发(phytovolatilization)借助植物将土壤中的金属转化为挥发性化学形态并释放到大气中；植物降解(phytodegradation)通过植物代谢过程分解土壤或水体中的有机污染物，将其转化为毒性较低的化合物；根际过滤(rhizofiltration)则利用植物根系吸收、过滤或沉淀受污染水源中的重金属等污染物。

3 重金属吸收机制与植物修复效率评价

植物对重金属的吸收由根—土界面的物理化学作用与跨细胞膜的主动运输过程共同调控。土壤或水介质中的金属首先通过根系分泌物（包括有机酸和氨基酸）活化，提高溶解度后经由质外体和共质体途径进入根组织。吸收后的金属可被隔离在根细胞壁、液泡中，或与植物螯合肽、金属硫蛋白结合，限制其向地上部转运并降低植物毒性。金属富集与体内运输效率通常通过生物浓缩系数(bioconcentration factor, BCF)和转运系数(translocation factor, TF)进行评价。BCF定义为植物组织金属浓度与土壤或培养基中金属浓度的比值，TF为地上部与根部金属浓度的比值。BCF大于1表明植物对金属的吸收效率高，TF大于1则说明转运能力强，适合用于植物提取；而高BCF伴随低TF则指示植物稳定化的潜力。

4 植物中的重金属转运蛋白

重金属转运蛋白在植物对金属的吸收、转运、隔离与解毒过程中发挥核心作用，决定了植物修复的效率。这些转运蛋白主要定位于根表皮细胞、皮层细胞、维管组织及液泡膜，调控金属在细胞区室间的流动。主要的转运蛋白家族包括ZIP(Zrt/Irt-like proteins)，负责从根际摄取锌、铁、镉、锰等二价必需与非必需金属；NRAMP(natural resistance-associated macrophage proteins)参与广谱金属转运与细胞内再分配；HMAs(heavy metal ATPases)利用ATP供能主动转运镉、铅、锌、铜等金属跨膜，参与木质部装载或液泡隔离。此外，ABC(ATP-binding cassette)转运蛋白与CDF/MTP(cation diffusion facilitator/metal tolerance proteins)通过将金属—螯合剂复合物转运至液泡或质外体空间，在解毒过程中发挥关键作用。

5 植物螯合肽在重金属解毒与隔离中的作用

植物螯合肽(phytochelatins, PCs)是一类低分子量、富含半胱氨酸的多肽，在植物细胞内重金属解毒与稳态维持中起关键作用。它们由植物螯合肽合成酶以谷胱甘肽为底物，在镉、铅、汞、砷及过量锌、铜等胁迫下酶促合成。半胱氨酸残基的巯基(–SH)使植物螯合肽能够以高亲和力螯合金属离子，在胞质中形成稳定的金属—PC复合物。这些复合物有效降低了游离金属离子浓度，从而减轻金属诱导的氧化损伤与酶抑制。随后，金属—植物螯合肽复合物主要通过ABC型转运蛋白被转运至液泡中，使金属远离代谢活跃的细胞区室，实现长期隔离。

6 螯合剂在强化植物修复中的作用

螯合作用是指金属离子（通常至少具有两个可用结合位点）与含有氮、硫或氧等供体原子的螯合剂分子形成稳定络合物的过程。土壤中的重金属通常与有机质、无机组分结合或以沉淀形式存在，难以直接被植物吸收。螯合剂作为土壤提取剂可提高可溶性金属的浓度，进而促进高大生物量植物对金属的吸收。螯合剂通过增强重金属在土壤中的移动性与生物有效性，提升植物修复过程中的吸收效率。这类化合物与金属离子形成稳定络合物，促进其从土壤向植物根、地上部的转运。螯合剂辅助植物修复的机制可分为若干步骤：首先螯合剂将土壤中固定的重金属转化为可溶性金属—螯合剂复合物，提升生物有效性与移动性；随后复合物被植物根系吸收并转运至地上部分；金属在植物组织内积累或解毒；最终通过收获富金属生物质将重金属从土壤中永久移除。

7 螯合剂的分类

螯合剂主要分为两大类。氨基多羧酸螯合剂(aminopolycarboxylate chelating agents, APCAs)是一类合成有机化合物，通过多个配位位点结合金属离子。结构上，APCAs含有一个或多个胺基和若干个羧酸基团，能够与多种金属阳离子（包括重金属）形成稳定的水溶性络合物。APCAs通过氮和氧供体原子形成五元环或六元环螯合金属离子，典型代表包括EDTA、NTA、DTPA、EDDS。低分子量有机酸(low molecular weight organic acids, LMWOAs)是天然存在的小分子有机化合物，在金属活化、养分循环及根际互作中发挥重要作用，通常为含1至6个碳原子的羧酸。LMWOAs通过提供羧基和羟基与金属离子形成稳定但可生物降解的络合物，常见种类包括柠檬酸、草酸、苹果酸等。

8 十字花科

十字花科(Brassicaceae)，旧称Cruciferae，包含约338个属、3700个物种，涵盖一年生、二年生与多年生草本植物。该科植物具有典型的十字形花瓣。常见蔬菜作物如甘蓝(Brassica oleracea)、花椰菜(Brassica oleracea)、芜菁(Brassica rapa)、萝卜(Raphanus sativus)、芥菜(Brassica campestris)以及模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)均属于该科，体现了其重要的科学、经济与农业价值。十字花科中多个属在超富集方面表现突出，包括Alyssum、Thlaspi、Brassica、Arabidopsis、Bornmuellera、Stanleya、Cochlearia、Arabis、Cardamine、Pseudosempervivum、Streptanthus、Peltaria等，这些植物能够从环境中富集重金属，被视为污染介质修复的潜在材料。

9 芸薹属

芸薹属(Brassica)包含约35种，主要为草本植物。该属是全球第二大油料作物，仅次于大豆(Glycine max)，在满足食用油与生物燃料原料需求方面具有重要地位。其中最具经济价值的为油料作物，如芥菜型油菜(Brassica juncea)、白菜型油菜(Brassica rapa)、埃塞俄比亚芥(Brassica carinata)和甘蓝型油菜(Brassica napus)。许多芸薹属物种能够高效富集铜、镉、镍、铅和锌等重金属。代表性物种包括芥菜型油菜、甘蓝型油菜、黑芥(Brassica nigra)、甘蓝类蔬菜（甘蓝、花椰菜、西兰花）及白菜型油菜。其中芥菜型油菜表现出卓越的金属富集能力，这些物种普遍具有生长迅速、生物量大、重金属吸收能力强的特点。芥菜型油菜是印度的重要油料作物，在哈里亚纳邦、北方邦、拉贾斯坦邦、古吉拉特邦和中央邦等温带地区广泛种植，在旁遮普邦常作为填闲作物种植，因其高产潜力、广适应性和高含油量而备受重视。甘蓝型油菜是由白菜型油菜与甘蓝杂交形成的双二倍体物种，广泛种植用于生产菜籽油或加拿大低芥酸菜籽油，其酯化产物可用于生产生物柴油。白菜型油菜是继棕榈油和大豆之后的第三大油料作物，广泛作为蔬菜和饲料作物种植，具有重要的农业生产与经济价值。黑芥为冬季一年生草本植物，在温带气候下生长迅速，主要栽培目的是收获深色小种子作为香料，同时也用于传统医药和作为改良土壤的覆盖作物。

10 芸薹属物种在植物修复中的作用

芸薹属物种在上述植物修复过程中发挥着重要作用，其快速生长、根系发达及多污染物富集能力使其成为高效的修复材料。在植物提取方面，芸薹属物种能够富集镉、铅、镍、锌、砷等重金属。其机制是植物主要通过根系吸收污染物，金属经被动扩散或涉及特异性膜转运蛋白的主动运输机制从土壤溶液中进入植物体；吸收后，金属通过木质部转运至地上组织（尤其是茎叶），并在液泡等细胞区室中积累或与有机配体结合。在植物稳定化方面，芸薹属物种能够将污染物固定在土壤中，降低移动性与生物有效性，减少地下水污染风险。其机制主要依靠根系向根际分泌有机化合物，这些分泌物通过络合、吸附和沉淀反应促进污染物固定，从而降低金属移动性与生物有效性；同时金属被隔离在根组织中或结合于土壤颗粒与有机质，限制其向地上部转运，减少淋溶或进入食物链的风险。在植物降解方面，部分芸薹属物种能够降解多环芳烃(PAHs)或农药等有机污染物。其机制是植物通过合成脱卤酶、加氧酶等特异性代谢酶，将污染物转化为更简单、毒性更低且更易生物降解的代谢物。在根际过滤方面，芸薹属物种能够通过根系从水体中吸收重金属。其机制是植物根系凭借庞大的表面积，将溶解态污染物（包括重金属及其他无机或有机污染物）吸附并积累在根组织中。综合多项研究数据，多数芸薹属物种的BCF值大于1，表明其从污染土壤或水体中吸收金属的效率较高；但向地上部的转运普遍受限（TF<1），限制了植物提取效率，使其更倾向于发挥植物稳定化功能。其中，甘蓝、白菜型油菜和芥菜型油菜主要将金属保留在根部，而芸薹(Brassica campestris)和甘蓝型油菜表现出相对更高的转运效率，在特定金属胁迫条件下具备植物提取与根际过滤潜力。

11 影响芸薹属物种螯合剂辅助植物修复的因素

土壤性质显著影响该过程，土壤pH、有机质含量、质地和阳离子交换容量强烈调控根际金属形态、螯合剂稳定性与移动性。酸性土壤通常能增强金属溶解度和螯合剂效能，而高黏土与有机质含量可能固定金属—螯合剂复合物，降低生物有效性。不同芸薹属物种的根系构型、生物量生产、金属耐受性及金属转运蛋白表达存在差异，导致其对相同螯合处理的响应各不相同，进而影响金属吸收、转运及整体提取效率。例如，研究表明在磷酸盐辅助条件下，甘蓝型油菜的生物量生产、砷吸收与转运效率均高于芥菜型油菜，显示出更优的植物提取潜力；另有研究指出甘蓝型油菜对铜、镉、铅、锌的吸收量显著高于芥菜型油菜。目标金属的类型与化学形态也决定修复效率，镉、锌、镍等二价金属在施用螯合剂后容易被活化与吸收，而铅、铬、砷等金属的响应则因络合物稳定性与吸收途径的差异而有所不同。螯合剂类型与剂量是影响结果的关键因素。EDTA等合成螯合剂能提供强效且持久的金属活化作用，但存在植物毒性和金属淋溶风险；柠檬酸和EDDS等可生物降解螯合剂仅引起短暂的金属活化，环境风险较低。例如，水杨酸能改善芥菜型油菜的种子萌发与整体生长，而高浓度EDTA则对其萌发与发育产生不利影响。螯合剂浓度必须优化，以在最大化金属吸收的同时不损害植物生长或土壤质量。研究显示，提高EDDS浓度能增加甘蓝型油菜地上部铜积累，但会造成严重的生长抑制，最终在高剂量下限制总铜提取量。

12 芸薹属物种对螯合剂辅助植物修复的生理响应

螯合剂辅助植物修复的效果因芸薹属物种、螯合剂类型和金属胁迫而异。研究表明，EDTA和柠檬酸等螯合剂虽能显著增强金属吸收，但对植物生长的影响存在差异。甘蓝型油菜的生长主要受金属生物有效性与氧化应激的调控，有机酸（柠檬酸、马来酸、苹果酸）和氨基酸类螯合剂通常通过形成金属络合物来增强吸收，且不诱发严重毒性，从而提高生物量、叶绿素含量与抗氧化活性；而EDTA等强螯合剂在高剂量下常因过度金属活化与氧化损伤而抑制生长，尽管中等剂量可提升金属吸收与转运。芥菜型油菜的生长响应高度依赖螯合剂类型：EDTA常增加金属积累，但在高浓度下导致生物量减少与毒害症状；相反，柠檬酸、马来酸、水杨酸和抗坏血酸等有机酸通过增强抗氧化防御（提高抗坏血酸/脱氢抗坏血酸比值、谷胱甘肽含量与酶活性）、降低活性氧水平并恢复生长与叶绿素含量来缓解金属胁迫；复合螯合剂处理能提高BCF与TF值（大于1），但有时会导致轻微生长下降。白菜型油菜在EDTA处理后金属吸收增加，但生长普遍受抑，而腐殖质和可生物降解螯合剂（如GLDA）则能在适度金属活化的同时更好地维持生物量与叶绿素水平。

13 芸薹属物种植物修复的成功田间应用

田间试验为验证植物修复策略的实际适用性提供了关键证据。近期田间研究表明，甘蓝型油菜和芥菜型油菜等芸薹属物种能够有效富集并降低农业、工业和边际土壤中的重金属浓度，证实了其在真实环境条件下的修复潜力。

14 螯合剂与微生物联合强化芸薹属重金属植物修复

?合剂与有益微生物的联合施用已成为提升芸薹属植物重金属去除效率的有效策略，可同时改善金属生物有效性与植物耐受性。最新研究表明，植物促生根际细菌(plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR)等微生物与化学活化剂的协同作用能显著提高植物提取效果。例如，接种洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderia phytofirmans)等PGPR并结合伴生种植的芥菜型油菜，相比单作显著提高了生物量产量与微量元素（锌、镉、铅）回收率。在尾矿修复中，接种耐金属根际细菌（沙雷氏菌属和肠杆菌属菌株）的芥菜型油菜改善了根系定殖，增加了铝、铅、镉和铁的生物富集，而某些菌株则通过降低根—冠转移系数促进植物稳定化。将耐镉PGPR（铜绿假单胞菌CTB5）与酸化有机改良剂结合，显著增强了芥菜型油菜对镉的植物提取效率，联合处理提高了镉的生物有效性、生物浓缩与转运能力，并降低了氧化应激。PGPR接种还能通过改变土壤pH与提高溶解性有机碳含量，将金属转化为更易利用的形态，从而提高甘蓝对铅和镉的生物有效性与吸收，其中巨大芽孢杆菌PTCC1656表现出最高的修复潜力。

15 修复后管理与生物质利用

修复后管理是可持续修复策略的关键环节，因为植物修复的最终成效取决于富金属生物质的妥善处理与利用。收获后的污染生物质必须经过严格管理，防止二次污染与重金属重返环境。全球范围内大量产生的作物残渣可通过多种转化技术制成生物燃料，包括燃烧、热解、气化和水热液化等热化学工艺，微生物发酵、酶解和厌氧消化等生化转化，以及用于生物柴油生产的酯交换等化学处理。焚烧和热解等热处理可大幅缩减生物质体积，同时将金属固化或从灰渣中回收。对于芸薹属等能源作物，收获的生物质可因其高含油量用于生产生物柴油，剩余生物质可用于生产生物乙醇、沼气或热能。此外，对修复场地进行长期监测至关重要，以评估残留金属水平、土壤肥力与生态系统恢复状况。将有效的生物质处置或利用策略与修复后土地管理相结合，不仅能提升环境安全性，还能改善螯合剂辅助植物修复系统的经济与生态可持续性。

16 知识缺口与未来方向

尽管螯合剂辅助芸薹属植物修复研究已取得显著进展，但仍存在若干知识缺口。现有研究多局限于受控实验室条件，难以完全反映野外环境的复杂性。关于螯合剂如何影响微生物群落、长期土壤健康及实际场景下的金属淋溶风险，目前认识仍然有限。虽然EDTA等合成螯合剂能有效活化金属，但其在土壤中的持留性引发了生态担忧，亟需进一步研究可生物降解的环保替代品。未来研究应优先考虑田间尺度试验、修复场地的长期监测，以及低风险螯合剂的开发。整合分子工具解析与金属耐受和吸收相关的遗传性状，可进一步优化植物修复效率。融合土壤学、微生物学、植物生理学和环境风险评估的多学科方法，将是推动该技术走向实际应用的关键。

17 结论

螯合剂辅助植物修复为重金属污染土壤修复提供了一种前景广阔的绿色方案。在众多候选植物中，芸薹属物种凭借快速生长、高生物量生产与金属胁迫耐受能力展现出显著潜力。螯合剂通过与金属形成可溶性络合物，提升根际金属生物有效性，促进根系吸收及向地上部转运，在该过程中发挥关键作用。EDTA等合成螯合剂在活化金属方面效果显著，但其强金属结合能力、低生物降解性及潜在的金属淋溶风险带来了环境隐患。相比之下，柠檬酸、EDDS等低分子量有机酸及可生物降解螯合剂与土壤组分、根系分泌物和微生物代谢产物的相互作用更为动态，在促进金属活化的同时降低了生态风险。尽管实验室研究已积累了宝贵认知，但大规模田间试验仍显不足。未来研究应聚焦于优化螯合剂用量、明确长期生态影响，并探索通过遗传改良提升芸薹属物种的植物修复性能。整合先进分子技术与跨学科方法，对于将实验室成果转化为实用、可持续的田间应用至关重要。