苋属植物在痕量金属(类)污染陆地环境中的植物修复能力研究

《International Journal of Phytoremediation》：Exploring the phytoremediation capacity of Amaranthus species in trace metal(loid)-impacted terrestrial environments

　　

痕量金属(类)污染对人类健康和生态可持续性构成威胁。植物具有缓解污染环境的天然机制。本综述综合了苋属(Amaranthus spp.)植物修复潜力的现有证据，该属为广布属，以快速生长、高生物量生产和耐受金属胁迫为特征。现有的受控环境和田间研究表明，苋属植物可促进Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、Ba、Cs及其他痕量金属(类)的植物提取(phytoextraction)或植物稳定化(phytostabilization)。然而，其修复性能因物种、污染物、土壤条件和强化策略的不同而存在显著差异。机理证据表明，转运蛋白介导的吸收、螯合作用(chelation)、液泡区隔化(vacuolar sequestration)、抗氧化防御、微生物互作以及遗传/蛋白质组调控共同支持金属耐受性和积累。此外，研究人员通过农艺措施、遗传改良和微生物联合作用评估了苋属植物去除金属污染物的有效性。重要的是，本综述关注了与苋属植物作为植物修复体和食用或药用植物双重用途相关的、常被忽视的食品安全与健康风险。通过识别当前的局限性、知识空白和未来研究优先方向，本综述将苋属植物确立为痕量金属(类)污染陆地生态系统可持续修复的多功能但复杂的候选植物，并为其安全有效部署提供了框架。

文献综述方法
本综述通过系统检索Scopus数据库（2009–2025年）相关文献，采用PRISMA流程筛选，初检获得362篇出版物，经标题相关性筛除及质量评估后最终纳入135篇文献。文献计量分析显示，有关苋属植物修复的出版物数量在2024年达到峰值，研究主题已从早期的一般性污染评估转向物种特异性修复机制（如植物提取、生物量生产、植物–微生物互作）及强化策略研究。

生物学和应用重要性
苋属为一年生或短命多年生C₄草本植物，起源于中美洲，全球广泛分布。该属具有快速生长、高生物量、深根系和广泛环境适应性等特点。其叶片富含维生素和微量元素，种子蛋白质含量高（12.5–17.6%），且富含赖氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸。研究表明苋属具有抗过敏、抗癌、抗高血压和抗氧化等药理活性，可用作食品、饲料、染料和观赏植物。C₄光合途径使其在高温、干旱和养分受限条件下仍能维持较高生物量生产，这些生物学特性与其植物修复性能密切相关。

痕量金属(类)毒性与吸收过程
过量痕量金属(类)会干扰植物光合作用、呼吸作用、CO₂固定、养分吸收和生物量发育等生理生化功能。植物通过根系分泌有机酸、糖类和氨基酸改变根际土壤pH和氧化还原条件，提高Cd、Pb、Zn、Cu等金属的溶解性。 mobilized金属通过植物螯合肽(PCs)、有机酸和金属硫蛋白(MTs)进行螯合和液泡区隔化，从而降低毒性。

耐受策略机制
植物修复潜力通过生物富集系数(BCF)和转运系数(TF)评价。高BCF和TF值的物种可作为植物提取器，而低值物种则为植物稳定器。耐受机制包括螯合、排斥、区隔化和根际修饰等策略。

修复潜力
不同苋属物种表现出金属特异性修复行为。Amaranthus viridis对Cd和Ni主要表现为植物稳定化（根部滞留），但对Ba则表现出高效植物提取（BCF>1, TF>1）。A. hypochondriacus在接种丛枝菌根真菌(AMF)或联合细菌与激素处理后，Cd提取效率显著提高（最高提升60%）。A. tricolor对Cd表现为强植物稳定化（根中滞留92–98%），而对Cs则表现为高效植物提取（BCF=28.4, TF=3.37）。A. retroflexus对Ni和Pb具有植物提取能力，田间试验显示其对Ba、Mn、Sr和Zn的TF>1。A. spinosus主要通过根系滞留Pb和Cd发挥植物稳定化作用。

遗传参与
膜转运蛋白家族（包括ABC、MATE、HMA、NRAMP、CAX、ZIP和MTP）调控金属离子的跨膜运输、液泡区隔化和解毒过程。表观遗传调控参与金属胁迫响应，如DNA甲基转移酶基因（AcCMT1、AcCMT2a等）在Cd胁迫下上调。胁迫响应基因Ah24和AhDGR2在金属胁迫下显著诱导表达。

蛋白质/酶参与
转录因子如AhDof-AI通过上调超氧化物歧化酶(SOD)增强解毒能力；AhERF在Pb胁迫下根中诱导表达达2013倍。代谢酶包括半胱氨酸合酶、谷胱甘肽S-转移酶(GST)、过氧化氢酶(CAT)和脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)参与螯合和抗氧化防御。

增强策略
农艺措施包括施用生物炭、有机质、螯合剂（如EDTA、GLDA、NTA）以及间作系统，其中GLDA和NTA组合在A. hypochondriacus中达到最高的Cd提取效率。微生物措施包括接种植物促生根际细菌(PGPR)和丛枝菌根真菌(AMF)。组合策略如Serratia sp. CTZ4与24-表油菜素内酯(EBR)联合处理使A. hypochondriacus的植物提取效率提高60%。

局限性与食品安全
植物修复过程缓慢，金属摄取具有选择性，根系深度限制修复深度，高浓度污染会抑制植物生长，部分苋属物种可能成为入侵杂草。作为食用和药用植物，苋属在污染土壤中生长可能导致金属进入食物链。需严格区分修复用途和食用用途，建立监管框架和安全生物质处理策略。

知识空白与未来研究
需要更多田间尺度的长期验证试验、标准化物种筛选和多金属复合污染研究。应将组学方法（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学）与田间验证相结合。可探索转基因技术（如CRISPR-Cas9）、纳米技术和蚯蚓辅助等新型强化手段。人工智能预测工具可作为场地优先排序和修复规划的辅助技术。

结论
苋属植物不应被视为通用的植物修复体，而是多功能、条件依赖的候选植物，其修复效果取决于物种选择、污染特征和环境条件。将生理学、分子生物学、农艺学和风险评估相结合，可为苋属植物在可持续植物修复系统中的安全、靶向和优化部署提供基础。