来源：区域土壤环境质量与安全团队 （2025年8月27日）
论文要点
Key points
01
农田土壤中的重金属污染比例估计为 14–17%，且可能更为广泛；
02
修复技术的选择应以保障农田作物及饲料的质量与安全为优先目标；
03
由于污染具有大面积弥散性并涉及作物，修复工作面临较大挑战；
04
植物修复和原位微生物组工程等生物修复方法被认为是可行路径；
05
系统性策略的结合至关重要，以克服复合污染、高经济成本和消费者对农产品接受度等方面的挑战。
农田重金属污染已成为全球粮食安全和人类健康面临的突出挑战。源于化肥和农药的长期施用、灌溉水体的输入以及大气沉降等途径，镉（Cd）、砷（As）、铅（Pb）、汞（Hg）等重金属在土壤中的广泛存在。这些污染物可通过植物根系和叶片进入作物组织，在食物链中逐级累积，最终危及人类和动物健康。现有研究表明，欧洲大面积农田土壤中镉含量已普遍超标，而中国农田的砷污染呈现出不断加剧的趋势，这凸显了污染在全球范围内的普遍性与治理的紧迫性（图1）。
图1 全球优先关注的重金属污染分布情况
针对农田污染治理，植物修复技术提供了绿色、低成本且可持续的解决方案。植物通过根系吸收、分泌物沉淀和屏障作用限制有害金属的迁移；不同修复方式如植物稳定化、植物提取和植物挥发转化等已被应用于不同情境中。同时，土壤改良剂如生物炭、沸石和纳米铁也被证明可通过络合、沉淀、吸附等作用降低金属生物有效性，或增强植物对金属的吸收和固定（图2）。植物—土壤—微生物的耦合过程是实现修复的重要基础，这些策略揭示了生态系统工程在农田污染治理中的关键作用。
图2 植物修复作用的示意图
常规育种与现代生物工程是降低作物重金属积累的另一重要途径。通过多年努力，科研人员已成功培育出低镉积累的作物品种，例如加拿大的“Strongfield”小麦，既能保持高产又能避免粮食中镉含量超标。然而，传统育种周期长且成功率有限。近年来，基因编辑技术如CRISPR被用于靶向改造金属结合蛋白或离子通道基因，从而显著增强作物的耐受性和安全性。此外，工程化根际微生物的接种，也能够通过调控金属离子迁移和转化，进一步提升修复效果（图3）。这些方法形成了从常规育种到基因工程再到微生物干预的多层次体系，为未来农田修复提供了广阔前景。
图3 重金属耐受性的工程化途径
纳米材料的兴起为污染治理开辟了新前沿。Mn₃O₄、CeO₂、零价铁等纳米材料不仅具有类酶活性，能够调节植物体内的活性氧水平、减轻氧化胁迫，还能通过沉淀、络合或吸附作用改变金属的有效性。研究发现，这些纳米颗粒能够通过叶片气孔进入植物体内，也能经由根毛和种子渗透，从而在植物体内实现转运与分布，进而改善植物对污染环境的适应能力（图4）。这些结果表明，纳米技术在农业环境修复中具有巨大的潜在应用价值。
图4 纳米材料在植物体系中的穿透与转运
然而，从实验室成果到田间应用的转化并非易事。不同技术在实际推广中面临经济可行性、食品安全和公众接受度等多重挑战。单一策略往往无法完全解决问题，因此跨学科整合显得尤为重要。未来的实践应聚焦于将植物修复、土壤改良、基因工程、微生物调控和纳米技术等方法进行有机结合，并充分考虑作物类型、土壤性质和区域特征，才能在田间实现稳定且可持续的修复效果。
总体而言，这篇综述强调了系统化和跨学科策略的重要性：唯有通过植物修复、土壤改良、基因工程、微生物干预与纳米技术的协同应用，才能有效应对农田重金属污染。未来的治理重点不仅是降低土壤中的污染水平，更应注重恢复农业生态系统的韧性，确保作物质量与人类健康的长期保障。这不仅符合可持续农业发展的方向，也呼应了联合国可持续发展目标对农业与环境治理的多重要求。