综述：镍污染土壤的植物修复：植物种类、修复机制与土壤因素的综合评述

《Soil Systems》：Phytoremediation of Nickel-Contaminated Soils: An Integrative Review of Plant Species, Remediation Mechanisms, and Soil Factors

　　

土壤中潜在有毒元素（PTEs）污染的日益加剧损害了环境质量和生态系统健康，凸显了对有效修复策略的需求。植物修复利用植物去除、固定或中和污染物，是一种可持续的污染土壤修复方法。尽管镍（Ni）是植物必需的微量元素，但高浓度会引发植物毒性。本综述旨在综合并批判性分析2000至2026年间发表的关于镍污染土壤植物修复的科学文献，重点关注所评估的植物种类、其植物修复潜力，以及主要研究趋势与知识空白。通过Web of Science核心合集检索共识别出230条记录。纳入标准为涉及镍污染土壤植物修复且提供足够信息以表征植物修复潜力的原创研究论文，最终纳入91项研究。植物响应因物种和镍浓度而异。在449条植物记录（即某一研究中某植物分类单元的出现次数）中，超过86%为草本植物；禾本科（Poaceae）占记录的27.2%，其次为十字花科（Brassicaceae，15.1%）。印度芥菜（Brassica juncea）被一致认为是具有前景的镍植物修复物种，在不同研究中表现出镍耐受性、植物提取和超积累特性。墙生庭芥（Alyssum murale）因其高镍积累和植物提取潜力而在报道的超积累植物中脱颖而出。总体而言，现有证据支持植物修复作为镍污染土壤的可持续策略。然而，仍存在重要知识空白，特别是长期田间研究的缺乏、方法学异质性、对植物-土壤-微生物互作的理解有限、主要产镍区域代表性不足，以及技术与经济可行性证据不充分。未来研究应通过标准化方法和对比性土壤气候条件下的综合田间评估来解决这些空白，以推动镍植物修复的有效和可持续应用。

3. 镍毒性的影响

镍（Ni）是一种归类为重金属的矿物元素，对植物生长发育至关重要，参与重要的代谢功能。镍也对某些微生物不可或缺，并参与广泛的细胞过程。镍的毒性潜力与其在土壤中的浓度和化学形态有关，其行为受土壤pH值、有机质含量和金属氧化物的直接影响。不同化学和矿物形态决定了其在环境中的生物有效性和迁移性。大多数植物物种正常生长所需镍浓度较低，通常在干物质基础上为0.1至5.0 mg kg^-1，但该需求因物种和土壤镍有效性而异。镍主要参与氮代谢、铁吸收以及脲酶、乙二醛酶-I、氢化酶和超氧化物歧化酶等特定酶的活性。然而，高浓度镍会诱导作物产生植物毒性，因为它促进活性氧（ROS）的产生，如超氧阴离子（O₂•^?）、过氧化氢（H₂O₂）和羟基自由基（•OH），从而损害光合作用、蒸腾作用和矿质营养等生理生化过程。高浓度镍与叶片失绿、生长抑制、养分失衡和光合活性降低有关。镍胁迫下的离子失衡还会延迟多种阳离子的吸收，损害植物水分关系。敏感物种的临界镍毒性水平通常定义为干物质中浓度超过10 mg kg^-1，中度耐受物种为50 mg kg^-1，镍超积累植物则为1000 mg kg^-1。超过这些阈值会在作物中引发一系列植物毒性症状。

4. 植物修复

利用植物进行修复已成为修复和恢复污染土壤的可行策略，因其成本低、易于建立和应用，并能减轻土壤中重金属的不利影响。与传统修复技术相比，植物修复具有成本效益高、可修复大面积污染区域等优势。然而，选择用于土壤净化的植物物种需考虑多个因素。此外，通过植物修复实现满意的修复可能需要较长时间，并且存在污染植物生物量进入食物链的潜在风险。镍在土壤中的行为取决于其化学形态，并受关键土壤理化性质（尤其是pH值、质地、矿物组成、有机质含量和阳离子交换容量（CEC））的强烈影响。植物修复涉及植物的直接作用或根际微生物刺激介导的间接过程，主要通过植物提取、植物降解、植物挥发、植物刺激和植物稳定化等机制进行。

4.1 植物提取

用于植物提取的植物通常被称为超积累植物，因为它们能在组织中积累高浓度重金属。对于镍，超积累植物被定义为能够在干生物量中提取和积累超过1000 mg kg^-1镍的物种。植物提取是目前研究最深入的植物修复技术之一，依赖超积累物种和高生物量植物从污染土壤中吸收并向上转运污染物，通过收获地上部生物量逐步去除污染物。

4.2 植物降解

植物降解主要与有机污染物的修复相关，但也可能涉及硝酸盐等无机物质，通过植物吸收和代谢实现。该机制对镍修复的适用性有限，因为镍是化学元素，无法被生物降解。

4.3 植物挥发

植物挥发是一种应用于挥发性有机污染物和某些可代谢转化为气态形式的无机元素的修复策略。污染物被根系吸收后转运至植物组织，经植物代谢途径转化为挥发性化合物释放到大气中。根际微生物在该过程中发挥重要作用。由于镍不具备显著的挥发性转化能力，该机制对镍污染土壤的修复适用性非常有限。

4.4 植物刺激

植物刺激，也称根际降解或根际修复，指植物根系通过释放分泌物刺激根际微生物活性，从而增强有机污染物的降解。鉴于镍是无机元素，该机制同样不适用于其去除。

4.5 植物稳定化

植物稳定化利用植物通过根系吸附、根际沉淀、化学络合或根部积累来固定污染物，同时有助于控制退化区域的风蚀和水蚀。对于镍污染场地，植物提取和植物稳定化是最广泛应用和研究最多的策略。植物提取因存在能高效吸收镍并将其转运至地上部的超积累物种而占主导地位；植物稳定化则适用于高浓度镍或无法完全去除金属的场地，可降低镍的迁移性和生物有效性。

5. 镍植物修复研究进展

文献检索共识别出2000年至2026年间发表的91项研究。最常见的关键词包括植物修复、积累、镉、镍、重金属、植物、污染、土壤、植物提取、铅和锌。科学研究始于21世纪初，但在2020年后显著增加，2023年达到最高峰（15%）。这一增长与全球对镍的兴趣上升相一致，尤其是在能源转型和电动汽车电池应用的背景下。研究分布广泛，亚洲（54.9%）贡献最大，其次是欧洲（33.0%）。值得注意的是，大部分研究集中在非主要产镍区域，揭示了在采矿活动密集国家（如印度尼西亚、澳大利亚、巴西）存在重要的科学空白，亟需在这些地区扩大研究。

6. 植物物种分类

449条植物记录显示，草本植物占主导地位（86.20%），其次是灌木（7.6%）、乔木（4.90%）和水生大型植物（1.34%）。在科级分类上，禾本科（Poaceae）占比最高（27.2%），其中香茅属（Cymbopogon spp.）、芒属（Miscanthus spp.）和稻（Oryza sativa）研究最多。十字花科（Brassicaceae）占15.1%，芸薹属（Brassica spp.）和庭芥属（Alyssum spp.）最为突出。菊科（Asteraceae）占10.5%，万寿菊属（Tagetes spp.）和向日葵（Helianthus annuus）常见。灌木中以大戟科（Euphorbiaceae）为主，乔木中以豆科（Fabaceae）居多。印度芥菜（Brassica juncea）被一致认为具有高镍修复效率，在不同土壤质地中均表现出植物提取、超积累和耐受性。墙生庭芥（Alyssum murale）则以其极高的镍积累能力（干生物量中高达25500 mg kg^-1）脱颖而出。

7. 评估土壤的镍浓度与质地类别

对镍浓度和土壤质地的了解对植物修复研究至关重要。依据巴西CONAMA决议，镍的预防值为30 mg kg^-1，农业调查值为70 mg kg^-1。在所报告的230种镍浓度中，32.2%低于30 mg kg^-1，30.9%超过130 mg kg^-1。土壤质地方面，砂质土（21.2%）和砂壤土（16.3%）研究最多。砂质土因其低吸附能力和高渗透性，增加了镍的生物有效性，有利于植物提取；粘质土则因高吸附能力更适用于植物稳定化。研究表明，印度芥菜在不同土壤质地（如工业土壤、砂质土、砂壤土）中均表现优异，而其他一些芸薹属物种效果有限，凸显了植物特性和土壤性质之间的复杂关联。

8. 未来展望

将受控条件下的研究成果转化为大规模应用仍是重大挑战。主要知识空白包括长期田间研究匮乏、方法学异质性、对植物-土壤-微生物相互作用理解不足，以及在对比性土壤和环境条件下修复性能评估不够。未来研究方向应包括整合植物修复与促生微生物、菌根真菌、生物炭和土壤改良剂；发现新的超积累物种、遗传改良耐镍植物以及应用组学方法揭示耐受机制；开展成本效益分析、生命周期评估和可持续性指标研究；并在主要产镍区域扩展实地研究。

9. 结论

本综述证实了植物修复在多种植物物种和土壤条件下处理镍污染土壤的潜力。印度芥菜（Brassica juncea）和墙生庭芥（Alyssum murale）是表现突出的物种。修复效率不仅取决于植物特性，还受土壤性质（如pH、质地、有机质和CEC）的调控。然而，方法学、地理和实践方面的知识空白仍然存在。未来研究应优先采用标准化方案、长期田间验证、综合评估植物-土壤-微生物互作，并加强在代表性不足的产镍区域的研究，以推动镍植物修复从实验阶段迈向实际应用。