综述：利用硅基生长介质实现农业与城市绿色系统中重金属可持续修复的系统综述

《Environments》：Harnessing Silicon-Based Growing Media for Sustainable Heavy Metal Remediation in Agricultural and Urban Green Systems: A Systematic Review

　　

重金属对农业土壤和城市绿地的污染已成为重大环境问题，威胁到生态系统功能、食品安全和可持续土地管理。硅基生长介质（silicon-based growing media）已成为一种环境友好的方法，可在受污染环境中降低金属迁移性，同时促进植物定植。尽管研究兴趣日益增长，但目前仍缺乏对硅改良生长介质在不同植物系统中的机制、有效性和实际应用的综合评估。该综述遵循PRISMA 2020框架综合现有证据，以弥补这一空白。通过对Web of Science、Scopus、PubMed、ResearchGate和Google Scholar的系统检索，确定了2010年至2025年间发表的247篇出版物，其中32篇同行评审研究符合预先设定的定性分析纳入标准。所评文献表明，将硅掺入生长介质可以通过改变其理化性质、固定重金属、调节植物体内金属转运、增强抗氧化和渗透保护防御系统、维持光合活性、改善养分吸收和水分利用效率来提高基质功能性。此外，硅影响分子信号通路，并促进有益的根际互作，从而协同增强植物在金属胁迫下的恢复力。在评估的材料中，硅纳米颗粒（silicon nanoparticles, SiNPs）因其更高的表面反应性和改善的生物利用度，始终表现出优于传统硅源的修复效率。总体而言，硅基基质工程是一种多功能且可持续的策略，可在减轻重金属污染的同时改善农作物和城市植被的表现。未来研究应重点在长期田间条件下验证这些发现，针对不同基质类型和污染情景优化硅配方，评估环境安全性，并将硅基技术纳入适应气候变化的农业实践和城市绿色基础设施。

1 引言
重金属污染具有持久性和不可降解性，常见污染物如镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)和锰(Mn)多来自工业活动、采矿、交通排放和大气沉降，城市多金属复合污染尤为突出。重金属会诱发活性氧(ROS)大量积累，破坏酶功能、膜完整性和光合机构，进而抑制植物生长。硅(Si)虽非高等植物必需营养元素，但缓解多种非生物胁迫的效应已得到广泛关注；目前尚缺乏对硅富集基质在农业作物和城市绿色植物系统中整体修复作用的系统综合。

2 材料与方法
本综述遵循PRISMA 2020报告框架，并在叙述性综合中使用“无Meta分析综合”(SWiM)指南。检索了Web of Science、Scopus、ResearchGate、PubMed和Google Scholar五个数据库，检索时间限定为2010年1月至2025年7月，文献语种为英语。纳入标准要求硅必须以生长介质组分、土壤改良剂或土壤处理形式发挥作用，研究对象涉及一种或多种重金属/污染胁迫，并报告植物生长、生理、生化或分子响应指标，且结果可重复。排除仅以硅纳米颗粒叶面喷施而无基质背景、仅处理生物胁迫、无基质对照及会议摘要等文献。初检获得247篇，经双人独立筛选和全文评估，最终有32篇同行评审研究进入定性综合。数据提取内容涵盖植物种类、硅形态与剂量、目标金属、基质类型、实验设计和结果指标；采用SYRCLE工具评价偏倚风险，并按研究体系与物种来源划分证据强度。由于各项研究在植物种类、金属类型、硅源和实验体系方面存在较大异质性，未进行定量Meta分析。

3 生长基质中的硅：形态、生物有效性与动态
硅占地壳质量约28%，但绝大多数以矿物态存在，植物可直接利用的形态仅为单硅酸/正硅酸(H₄SiO₄)，土壤溶液中的典型浓度只有0.1–0.6 mM。硅的生物有效性受pH、有机质、微生物活性、氧化还原条件和矿物组成调控；pH 5.5–7.0较为有利，碱性条件会使硅聚合沉淀。硅源中，正硅酸可由根系Lsi1/Lsi2转运蛋白直接吸收；硅酸钾等需经微生物或化学风化转为单硅酸；硅纳米颗粒(SiNPs)可穿过细胞壁和气孔，在50–100 mg/L低剂量下即产生明显的生理效应。硅进入植物后以无定形SiO₂·nH₂O形式沉积于细胞壁和组织中，形成植硅体。亚砷酸盐(As(III))与单硅酸共用NIP水通道，是该类转运竞争机制的基础。

4 硅介导的污染缓解机制途径
4.1 根际pH升高与金属固定：硅酸盐溶解使根际pH上升，Cd、Pb等生成氢氧化物、碳酸盐或硅酸盐沉淀，并与硅形成共沉淀，降低金属有效性和植物吸收。
4.2 质外体硅沉积与物理屏障：硅在细胞壁、凯氏带等质外体部位沉积，阻断重金属向木质部的径向运输；叶和茎中的硅沉积也有助于减少城市颗粒态金属对植物组织的接触。
4.3 内流转运蛋白竞争：单硅酸与As(III)竞争Lsi1等NIP水通道蛋白，提高基质硅浓度可直接抑制砷的根系吸收；过表达Lsi1水稻中硅积累升高、砷积累下降，为该机制提供了分子证据。
4.4 螯合与液泡区隔化：硅可诱导植物螯合素(PCs)和金属硫蛋白(MTs)合成，将Cd、Zn等金属络合并转运至液泡中长期区隔，降低细胞质游离金属离子浓度。
4.5 抗氧化酶上调与ROS清除：硅补充可协同上调超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化物酶(POD)，同时增强非酶抗氧化物质水平，显著减少H₂O₂、丙二醛和电解质泄漏。
4.6 光合机构保护：硅处理有助于维持叶绿素a/b含量、F_v/F_m、净光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度，从而保护光系统II和类囊体膜功能。
4.7 基因水平调控：硅下调OsNramp5等金属内流转运蛋白，上调HMA2/HMA3等液泡隔离转运蛋白及SOD-CP、APX7等抗氧化基因；与丛枝菌根真菌联用时还可改变激素信号和木质素沉积，进一步降低重金属累积。

5 硅在不同重金属和污染物中的效果
5.1 镉(Cd)：一项纳入105篇文献、593对观测数据的Meta分析显示，硅可显著降低水稻、小麦和玉米等作物的Cd积累；效果受基质pH、Cd初始含量、硅源与施硅方式影响，土壤改良通常优于叶面喷施，籽粒Cd降幅多在30%至60%以上。
5.2 铅(Pb)：硅通过根际沉淀固定和增强ROS防御降低Pb毒性。硅与铁纳米粒联合施用可提高SOD、CAT、POD等基因表达并减少Pb向地上部转运。
5.3 砷(As)：硅与As(III)在Lsi1/Lsi2位点的竞争是水稻降砷的核心机制。将基质硅浓度提高至1–2 mM可有效降低稻谷As含量，因此硅被认为是一种实用的水稻砷管理策略。
5.4 铬(Cr)：SiNPs可缓解油菜和铬超积累植物Leersia hexandra的Cr毒性，促进Cr区隔化、恢复光合色素、平衡抗氧化酶活性，并上调SOD-CP和APX7等保护基因。
5.5 铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)：硅可调节必需微量元素的吸收比例和组织分布，避免Cu、Zn或Mn过量积累引起的毒害。例如Si与AMF联合可降低玉米Cu浓度，硅也可减少Mn过量条件下黄瓜叶质外体中羟基自由基的积累。

6 讨论
硅的修复效果与基质组成、物理性质及微生物生态密切相关。在土壤农业系统中，钙/钾硅酸盐对Cd、Pb、As复合污染农田有效，机制以根际固定和抗氧化体系增强为主；但低微生物量或强淋溶条件下，硅释放较慢且可能损失。在无土/水培体系中，单硅酸可直接供给植物，1–2 mM硅浓度对多数作物表现出良好效果，适合在受控环境农业中应用和调控。

7 城市绿色屋顶与硅基基质的前景
城市植物长期暴露于交通和工业源重金属以及颗粒物污染，野外监测显示路边植物叶片Pb可达16.34 mg/kg、Cu可达32.74 mg/kg，说明城市绿色设施具有污染物拦截需求。绿色屋顶基质可作为重金属汇，但其截留能力因基质配方而异。硅藻土和SiNPs因轻质、高反应活性等特点，可被设计进绿色屋顶基质中，以提供持水和缓释硅功能。城市热污染与重金属胁迫会同时加剧ROS损伤，而硅已被证明可增强SOD/CAT/APX/POD等共同防御途径，因此硅富集基质有望用于缓解多重城市胁迫，但直接实验验证尚属空白。

8 结论
硅强化基质通过同时激活多种互补机制产生广谱修复效应，其保护能力优于单一靶向调控。SiNPs因高比表面积、高生物有效性和更强的细胞/气孔穿透能力而表现出更高的修复效率，但其长期生态毒性仍需要系统评估。基因水平证据主要集中在以水稻为代表的作物中，景天属等典型绿屋顶植物和城市观赏植物的分子调控研究仍非常缺乏。同时，硅基质改良与植物修复、生物炭或有机改良等措施之间的成本效益比较尚待深入开展。现有证据支持将硅基质改良纳入农业推广和城市绿色基础设施设计指南。在32项纳入研究中，29项为低偏倚风险(91%)，3项为中等风险(9%)，无高风险研究；常见偏倚来源为结果评估者盲法报告不充分。

9 空白与局限性
目前硅富集基质在城市绿色基础设施尤其是绿色屋顶中的直接证据极为有限；已有机制研究大多在受控单金属条件下完成，对实际多金属共存时各机制的相对贡献和转运蛋白互作认识不足。绿色屋顶基质的多年期现场试验仍缺乏，硅在基质中的长期形态转化、植硅体溶解与硅循环，以及补充施硅的时间和剂量均不明确。本综述自身也存在未进行前瞻性注册、文献中正面结果占比较高、风险偏倚工具并非针对作物生态生理学开发，以及以水稻/小麦为主的研究证据限制向城市植物外推等问题。