叢枝菌根真菌-玉米聯(lián)合修復(fù)Cd、Pb復(fù)合污染土壤技術(shù)應(yīng)用探討

摘 ? 要 ? 工業(yè)和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)使土壤重金屬累積越發(fā)嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)土壤重金屬Cd、Pb污染逐漸引起人們重視。充分利用自然界中廣泛存在的叢枝菌根真菌，利用其能夠提高植物對(duì)重金屬耐受能力的特點(diǎn)，將叢枝菌根真菌與糧食作物玉米聯(lián)合，選育低Cd、Pb重金屬累積籽粒玉米品種，在重金屬Cd、Pb輕中度污染土壤上進(jìn)行安全生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)修復(fù)和生產(chǎn)的“雙贏”局面。分析叢枝菌根真菌-玉米聯(lián)合修復(fù)技術(shù)應(yīng)用須解決的主要問(wèn)題和市場(chǎng)需求。

關(guān)鍵詞 ? 叢枝菌根真菌;玉米;聯(lián)合修復(fù);重金屬?gòu)?fù)合污染;土壤

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.10.011

近年來(lái)，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)、礦業(yè)的發(fā)展使周邊農(nóng)田中土壤重金屬積累越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告》顯示，我國(guó)約0.23億公頃耕地被污染，受重金屬污染的土地面積占污染總面積的64.8%[1]，造成被重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬(wàn)噸以上，經(jīng)濟(jì)損失高于200億元[2]。其中Cd、Pb污染分別位居第一位、第六位，且因Cd、Pb在土壤中具有極強(qiáng)的不可降解性、積累性和不可逆性，對(duì)人類(lèi)健康和土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)存在著巨大風(fēng)險(xiǎn)和危害。重金屬Cd、Pb進(jìn)入土壤后會(huì)改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和生態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤中植物和微生物的生長(zhǎng)。Cd、Pb是植物生長(zhǎng)的非必需元素，但土壤中的Cd、Pb易被植物吸收，通過(guò)根系吸收并在植物體內(nèi)積累，不但影響植物對(duì)氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或鈣、鎂等礦物質(zhì)的吸收[3]，影響植物光合過(guò)程中的電子傳遞，使葉綠素酶活性增大，加快葉綠素分解速度，從而抑制植物的光合作用，破壞植物體內(nèi)新陳代謝，影響植物的核酸代謝，改變合成、編碼蛋白的遺傳物質(zhì)的合成，使酶蛋白失活或結(jié)構(gòu)變異，并會(huì)影響植物呼吸作用及氮代謝，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育或者導(dǎo)致植物體的死亡[4-6]。

農(nóng)業(yè)土壤是國(guó)家食品安全的生命線(xiàn)，保證土壤環(huán)境質(zhì)量是關(guān)系民生安全的頭等大事。因此，探索高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的重金屬土壤修復(fù)技術(shù)，加強(qiáng)土壤重金屬的污染修復(fù)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品食品安全和人居生存環(huán)境的改善至關(guān)重要。目前我國(guó)土壤污染修復(fù)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用較少，多半處于研發(fā)階段。然而，土壤重金屬場(chǎng)地污染、面源污染日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法如改良劑沉淀法、螯合劑修復(fù)法、表面活性清洗劑修復(fù)法，以及工程修復(fù)方法，如客土、換土法、深耕翻土法、電動(dòng)修復(fù)法、土壤淋洗法等，這些措施均有一定的效果，但因?qū)ν寥栏弊饔幂^大、耗費(fèi)較高，可能帶來(lái)二次環(huán)境污染，因而未能成為理想的修復(fù)措施。生態(tài)修復(fù)這種經(jīng)濟(jì)有效且對(duì)環(huán)境友好的修復(fù)技術(shù)和方法是目前的研究熱點(diǎn)。在重金屬污染土壤中利用微生物與植物聯(lián)合修復(fù)，利用了土壤微生物與植物的共存關(guān)系，充分發(fā)揮了微生物與植物修復(fù)技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高土壤中重金屬污染物的修復(fù)效率，最終達(dá)到徹底修復(fù)土壤重金屬污染的目的。利用叢枝菌根真菌（Arbuscular mychorrhizal fungi， AMF）對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行治理被各國(guó)學(xué)者重視起來(lái)。AMF提高植物的重金屬耐受性及AMF生態(tài)修復(fù)能力已得到廣泛證實(shí)[7-8]，并已逐步應(yīng)用于實(shí)踐中。

1 AMF

AMF是土壤與植物根系間養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)橋梁，也是土壤微生物的一個(gè)群組[9]，能與90%以上陸生植物形成共生關(guān)系[10]，具有很高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。植物與叢枝菌根真菌之間的關(guān)系為協(xié)同進(jìn)化[11]，AMF從植物中獲得所有的碳源，再把礦質(zhì)養(yǎng)分從土壤運(yùn)送到植株[12]。一般真菌產(chǎn)生的大量外生菌絲體高度適于養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)移，并形成了植物根系與土壤環(huán)境間的一個(gè)連接體。

大量研究表明，菌根真菌能顯著促進(jìn)宿主植物的生長(zhǎng)[13-14]。AMF可擴(kuò)大植物根的吸收面積，提高植物根系間的礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)，增強(qiáng)植物光合作用和對(duì)水分的吸收，保護(hù)植株不受根系病害的侵染，還影響到根際其他可促進(jìn)生長(zhǎng)的微生物活性[15]。對(duì)菌根植物修復(fù)重金屬污染土壤的能力和菌根植物抗重金屬機(jī)理的研究表明，AMF能提高植物抗氧化酶活性，清除因脅迫產(chǎn)生的大量活性氧，還能促進(jìn)植物非酶抗氧化劑的產(chǎn)生，減輕植物細(xì)胞的損傷[16-17]。AMF誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的類(lèi)黃酮、酚類(lèi)及植保素等，能增強(qiáng)植物的抗病性[18]。綜上所訴，AMF可增強(qiáng)植物的逆境生存能力。AMF可通過(guò)直接和間接作用提高植物耐受重金屬脅迫的能力，通過(guò)限制重金屬的吸收、細(xì)胞壁結(jié)合、區(qū)室化作用、螯合作用等過(guò)程，提高耐受重金屬毒害的能力。

人們已經(jīng)關(guān)注到了菌根在重金屬污染土壤的生物修復(fù)中的效應(yīng)及作用機(jī)理，而且針對(duì)AMF聯(lián)合不同植物種類(lèi)開(kāi)展了大量研究，如Motaharpoor等[19]測(cè)定了AMF侵染植物對(duì)土壤中Cd的去除效果，結(jié)果表明，AMF與植物的共生不但顯著增加了Cd污染脅迫下植物的生物量，而且促進(jìn)了植物對(duì)Cd的累積。Zhang等[20]研究了AMF接種和生物炭的聯(lián)合應(yīng)用不但能夠顯著改善苜蓿對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，還能降低植物體內(nèi)Cd的累積。還有相當(dāng)多的學(xué)者研究了AMF在高含量銅鋅礦區(qū)的生長(zhǎng)，從污染土壤中分離出的AMF顯著增強(qiáng)高粱對(duì)銅和鋅的抗性，顯示出AMF具有提高植物修復(fù)金屬污染的潛力[21]。

2 AMF-玉米聯(lián)合修復(fù)

國(guó)外很多地區(qū)都是地廣人稀，土地資源豐富，因此對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)治理研究多采用AMF聯(lián)合超累積草本植物。陜西省作為一個(gè)人口和能源消耗大省，農(nóng)用地資源緊缺，采用種植超累積植物進(jìn)行污染修復(fù)的周期較長(zhǎng)，且引進(jìn)的超累積植物可能會(huì)因氣候或土壤性質(zhì)的變化，對(duì)重金屬Cd、Pb的富集累積特性產(chǎn)生影響，可能會(huì)導(dǎo)致技術(shù)的區(qū)域適用性不佳。特別是在小秦嶺金礦區(qū)的重金屬Cd、Pb污染區(qū)，探索出一種既能夠修復(fù)污染，又能保障居民收益，同時(shí)對(duì)污染土壤進(jìn)行安全利用的技術(shù)，成為亟需解決的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)的目標(biāo)。玉米（Zea mays L.）屬一年生禾本科，具有植株高大、莖強(qiáng)壯、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是陜西省廣泛種植的一種糧食作物和飼料作物，其遺傳性較為復(fù)雜，因而變異種類(lèi)豐富。很多研究表明，同一作物的基因型不同，其重金屬累積量差異明顯，如匡少平等[22]研究在Pb脅迫條件下，單株玉米對(duì)Pb的吸收量最大的品種是最小品種的3倍多，而且Pb在不同品種的根部莖葉中含量也有較大差別[23]，這些條件為篩選重金屬低累積品種提供可能性。例如選育籽粒中低Cd、Pb重金屬累積的玉米品種，在重金屬Cd、Pb輕中度污染土壤上進(jìn)行安全生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)修復(fù)和生產(chǎn)的“雙贏”局面。

3 聯(lián)合修復(fù)需要解決的問(wèn)題

在陜西省小秦嶺區(qū)域，存在大量Cd、Pb重金屬污染地塊，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域污染土壤的Cd、Pb含量分別為1.47～3.42 mg·kg-1、175～1 779 mg·kg-1 [24]。要保障重金屬污染地塊的安全利用，對(duì)此類(lèi)型土壤開(kāi)展修復(fù)技術(shù)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

2018年8月1日起實(shí)施的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，農(nóng)用地土壤中Cd、Pb含量高于標(biāo)準(zhǔn)篩選值但低于或等于管制值時(shí)，可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，需要采取安全利用措施。作為當(dāng)?shù)刂饕秤玫募Z食作物——玉米，通過(guò)向其人工接種AMF，利用AMF-玉米對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，需要解決幾個(gè)問(wèn)題：1）菌種必須對(duì)重金屬污染土壤有較強(qiáng)的耐性和適應(yīng)性。對(duì)重金屬Cd、Pb污染區(qū)與不同品種玉米共生的AMF混合菌進(jìn)行篩選，可解決引進(jìn)的菌株因?qū)ξ廴就寥拉h(huán)境不適應(yīng)而導(dǎo)致的侵染率低等問(wèn)題，為重金屬Cd、Pb污染土壤生物修復(fù)研究工作奠定基礎(chǔ)。2）AMF-玉米協(xié)同作用應(yīng)對(duì)重金屬污染土壤質(zhì)量改善具有良好效果，且玉米籽粒應(yīng)達(dá)到安全利用標(biāo)準(zhǔn)。有研究表明，在重金屬污染土壤中廣泛存在抗逆性的AMF，大多數(shù)能夠緩解重金屬對(duì)共生植物的毒害，菌根對(duì)植物組織器官中重金屬累積量和分配的影響，往往取決于植物種類(lèi)等因素，因而，研究不同品種的玉米在接種或不接種AMF條件下，對(duì)重金屬Cd、Pb污染土壤質(zhì)量、肥力和微生物活性的改善情況，以及不同品種的玉米組織器官中，尤其是對(duì)籽粒中Cd、Pb的累積量和分配規(guī)律進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出對(duì)Cd、Pb具有不同穩(wěn)定性和適應(yīng)性的籽粒重金屬低累積玉米品種，能夠?yàn)橹亟饘貱d、Pb輕中度污染區(qū)的玉米種植品種提供科學(xué)規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)在污染區(qū)生產(chǎn)修復(fù)同時(shí)進(jìn)行的目的。3）優(yōu)化玉米種植密度和水肥管護(hù)等參數(shù)，保障玉米生產(chǎn)和土壤修復(fù)效果。重金屬Cd、Pb污染區(qū)，土壤質(zhì)量不高，研究重金屬污染區(qū)玉米的種植密度及其對(duì)低水環(huán)境的響應(yīng)特點(diǎn)對(duì)于種植管理工作安排至關(guān)重要。

4 聯(lián)合修復(fù)的市場(chǎng)需求

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可或缺的寶貴自然資源。保護(hù)土壤環(huán)境是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、維護(hù)生態(tài)安全的重要內(nèi)容。環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部此前發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂(yōu)，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問(wèn)題突出。2018年8月31日，十三屆全國(guó)人大常委會(huì)第五次會(huì)議全票通過(guò)了《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》。這是我國(guó)國(guó)家層面制定的第一部土壤污染防治領(lǐng)域的單行法。政策利好之下，我國(guó)土壤污染防治工作有望取得較大突破，并將極大地釋放土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和土壤修復(fù)等市場(chǎng)空間。

2017年初，陜西省政府出臺(tái)《陜西省土壤污染防治工作方案》，提出到2020年，受污染耕地安全利用率達(dá)到92%以上，污染地塊安全利用率達(dá)到90%以上，土壤環(huán)境質(zhì)量點(diǎn)位達(dá)標(biāo)率不低于82%，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量點(diǎn)位達(dá)標(biāo)率不低81%;到2030年，受污染耕地安全利用率達(dá)到95%以上，污染地塊安全利用率達(dá)到95%以上，土壤環(huán)境質(zhì)量點(diǎn)位達(dá)標(biāo)率不低于88%，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量點(diǎn)位達(dá)標(biāo)率不低于90%。

在污染土壤修復(fù)日益受到國(guó)家和地方政府關(guān)注的背景下，探索安全、高效、成熟的污染土壤修復(fù)技術(shù)顯得尤為重要和緊迫。我國(guó)存在面積達(dá)數(shù)十萬(wàn)公頃的有色礦山開(kāi)采區(qū)和金屬加工區(qū)，每年產(chǎn)生大量含有重金屬的尾渣等污染物，因不當(dāng)處置使重金屬進(jìn)入環(huán)境并最終進(jìn)入土壤環(huán)境造成污染。AMF不但能與植物協(xié)同進(jìn)化，還能夠提高植物的重金屬耐受性，且其生態(tài)修復(fù)能力已得到廣泛證實(shí)，但目前就采用AMF與玉米對(duì)污染地塊中的Cd、Pb修復(fù)應(yīng)用技術(shù)研究尚缺乏。因此，加強(qiáng)AMF與玉米協(xié)同作用在重金屬Cd、Pb污染土壤修復(fù)效應(yīng)和安全利用方面的研究十分必要，可為循環(huán)、綠色、生態(tài)的現(xiàn)代化治理技術(shù)應(yīng)用提供一條新思路。

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（責(zé)任編輯：易 ?婧）