植物-微生物聯(lián)合修復(fù)化學(xué)農(nóng)藥污染土壤的研究進(jìn)展

王 新， 侯佳文， 宋 磊， 柳文睿， 張亞楠， 葛 玲

1沈陽工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870; 2中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016

我國是農(nóng)藥生產(chǎn)和使用的大國。化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)用是防治病蟲害和雜草，保證農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的最有效手段之一?；瘜W(xué)農(nóng)藥不僅給人類帶來了好處，大量化學(xué)農(nóng)藥的使用也帶來了很多副作用，如害蟲雜草的抗藥性、農(nóng)產(chǎn)品中化學(xué)農(nóng)藥的殘留、環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞等問題(Panetal.,2019)?；瘜W(xué)農(nóng)藥進(jìn)入環(huán)境后，除少部分作用在目標(biāo)害蟲和目標(biāo)植物之上外，80%～90%在環(huán)境中遷移或揮發(fā)(Erinleetal.,2016)。殘留在環(huán)境中的化學(xué)農(nóng)藥不僅會對農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)田土壤和地下水造成污染，還會對土壤微生物、動植物和人類造成嚴(yán)重危害(Feldetal.,2015； Lozowickaetal.,2016)。因此，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)修復(fù)自然環(huán)境中的化學(xué)農(nóng)藥污染刻不容緩。由于植物與微生物的協(xié)同作用，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)相比單一技術(shù)更具優(yōu)勢(Verganietal.,2016)，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)體系對化學(xué)農(nóng)藥污染的修復(fù)效果也因此引起了廣泛關(guān)注。本文綜述了影響化學(xué)農(nóng)藥在植物體內(nèi)吸收和轉(zhuǎn)運的因素和植物-微生物修復(fù)技術(shù)的原理，并討論了植物與微生物在化學(xué)農(nóng)藥污染土壤修復(fù)中的協(xié)同效應(yīng)，以期為環(huán)境化學(xué)農(nóng)藥污染的治理提供依據(jù)。

1 環(huán)境中的化學(xué)農(nóng)藥

化學(xué)農(nóng)藥根據(jù)其影響的生物群體、毒性水平、化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。按化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為有機氯農(nóng)藥、有機磷農(nóng)藥、氨基甲酸酯農(nóng)藥、三嗪類和擬除蟲菊酯類等。有機氯農(nóng)藥已在許多國家禁用，它們的穩(wěn)定性、抗降解性和親脂性極易導(dǎo)致其在環(huán)境中大量積累，由于它們的半揮發(fā)性，其可能在土壤中殘留15～16年(Koyiitetal.,2020)。最常見的有機氯農(nóng)藥有艾氏劑、氯丹、雙對氯苯基三氯乙烷及其衍生物等。雙對氯苯基三氯乙烷是一種常見的持久性有機污染物，其代謝產(chǎn)物二氯乙烯和1,1-二氯-2,2-二(對氯苯基)乙烷毒性不亞于雙對氯苯基三氯乙烷(劉利軍等，2019)。為確?；瘜W(xué)農(nóng)藥的生產(chǎn)和使用符合法規(guī)，并確保食品安全，世衛(wèi)組織和歐盟也制定了相應(yīng)的監(jiān)測規(guī)劃(Gürsoyetal.,2017)。

一般被施于土壤的化學(xué)農(nóng)藥，可以通過物理、化學(xué)、生物轉(zhuǎn)化等方式進(jìn)行降解(吳雷明等，2019)，并與生物形成生態(tài)循環(huán)。殘留化學(xué)農(nóng)藥與其代謝物沉積在土壤、水體等生態(tài)環(huán)境中，動物通過呼吸、食物攝入、皮膚接觸等途徑吸收化學(xué)農(nóng)藥，并在動物體內(nèi)沉積富集?；瘜W(xué)農(nóng)藥在動物體內(nèi)進(jìn)行循環(huán)代謝，對生理機能或器官的正?；顒赢a(chǎn)生不良影響，使人或動物中毒以致死亡。因此，了解化學(xué)農(nóng)藥的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及土壤對有毒化學(xué)農(nóng)藥的凈化作用，對預(yù)測其變化趨勢及控制土壤的化學(xué)農(nóng)藥污染都有重大意義。圖1為化學(xué)農(nóng)藥在環(huán)境中的可能形式及其毒性動力學(xué)模型(Daretal.,2019)。

圖1 化學(xué)農(nóng)藥在環(huán)境中的可能形式及毒性動力學(xué)模型(修改自Dar et al.,2019)Fig.1 Possible forms and toxicity kinetic models of chemical pesticides in the environment (Modified from Dar et al.,2019)

2 植物去除化學(xué)農(nóng)藥

植物可從環(huán)境中吸收化學(xué)農(nóng)藥，并在其不同的組織中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(Ahmadetal.,2012)。植物對化學(xué)農(nóng)藥的吸收取決于辛醇-水分配系數(shù)(logKow)、酸度常數(shù)、水溶性、辛醇溶解度和污染物濃度等特性。其中，logKow是最重要的影響因子，它直接參與決定化合物的疏水性或親油性(Admireetal.,2014)，logKow值越低，化合物越容易被植物吸收。此外，植物對化學(xué)農(nóng)藥的吸收和轉(zhuǎn)運還取決于植物種類、化學(xué)農(nóng)藥自身特性及環(huán)境條件(李晶等，2020)。如艾氏劑、狄氏劑、七氯、氯丹、林丹、雙對氯苯基三氯乙烷等化學(xué)農(nóng)藥會被不同的植物以不同的速率吸收(Agyekumetal.,2015)。

化學(xué)農(nóng)藥主要通過植物根和葉的吸收和轉(zhuǎn)運進(jìn)入植物?；瘜W(xué)農(nóng)藥是人工合成的化學(xué)物質(zhì)，植物體內(nèi)缺乏運輸化學(xué)農(nóng)藥的特定轉(zhuǎn)運蛋白，因此，它們被根系吸收是通過簡單的擴散從細(xì)胞壁進(jìn)入木質(zhì)部流(Camposetal.,2008)。在吸收和轉(zhuǎn)運后，植物通常通過蒸發(fā)蒸騰和植物降解2種機制，避免吸收化學(xué)農(nóng)藥的毒性。對于大多數(shù)化學(xué)農(nóng)藥來說，蒸發(fā)蒸騰是植物通過葉片向大氣中釋放污染物的主要機制。在進(jìn)化過程中，植物沒有受到選擇壓力，故沒有有機污染物的礦化途徑(Gerhardtetal.,2009)。

化學(xué)農(nóng)藥通過氧化、水解和形成環(huán)氧化物的方式被降解(Chaudhryetal.,2002)。其中，氧化最為普遍，通過不同植物微粒體酶的作用發(fā)生氧化，如過氧化物酶和細(xì)胞色素P450，2種均屬于氧化脅迫相關(guān)基因，具有防止植物細(xì)胞氧化損傷、抵御逆境脅迫的功能(王瑞莉等，2020)。植物的微粒體酶能夠降解大量的化學(xué)農(nóng)藥。例如，細(xì)胞色素P450可以通過釋放原子硫作用于有機磷(P=S→P=O)殺蟲劑。在玉米和高粱中，細(xì)胞色素P450通過這種脫硫機制催化降解甲硫磷、馬拉硫磷和二嗪磷(Arslanetal.,2017)。為提高植物修復(fù)的整體潛力，最近有研究人員提出了植物-微生物聯(lián)合修復(fù)的方法，可顯著增強包括化學(xué)農(nóng)藥在內(nèi)的有機污染物的降解。

3 植物-微生物聯(lián)合去除化學(xué)農(nóng)藥

圖2為植物-微生物聯(lián)合修復(fù)化學(xué)農(nóng)藥的示意圖。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是指利用植物-微生物組成的復(fù)合體系富集、固定、降解土壤中污染物的技術(shù)(傅婉秋等，2017)。植物根際為根際微生物提供了棲息地和能源，維持旺盛的根際微生物代謝活動(余涵霞等，2018)，微生物能分泌有利于植物生長的物質(zhì)，可提高植物的抗逆性，聯(lián)合修復(fù)通過發(fā)揮植物和微生物兩者的優(yōu)勢來提高化學(xué)農(nóng)藥的降解率(張娜娜等，2018)。有研究發(fā)現(xiàn)，植物根系微生物可以促進(jìn)植物對磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高過氧化氫酶的活性，進(jìn)而提高植物的抗逆性(Tanetal.,2013)。

圖2 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)示意圖(修改自Eevers et al.,2017)Fig.2 Schematic diagram of plant-microbe remediation (Modified from Eevers et al.,2017)

在土壤環(huán)境中，許多微生物分泌有機酸、表面活性劑和酶等物質(zhì)改變環(huán)境中化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的存在狀態(tài)，將化學(xué)農(nóng)藥在細(xì)胞外降解或是吸收進(jìn)入微生物體內(nèi)進(jìn)行降解(Hussainetal.,2009)。目前，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)已被應(yīng)用于化學(xué)農(nóng)藥降解(表1)。按添加的微生物種類的區(qū)別，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)可分為內(nèi)生菌-植物、根際微生物-植物和外源專性降解菌-植物3種聯(lián)合修復(fù)體系。

表1 不同植物-微生物聯(lián)合修復(fù)體系對化學(xué)農(nóng)藥的降解能力Table 1 Degradability of chemical pesticides by different plant-microbe remediation systems

3.1 根際微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

根際微生物是植物的根表面以及受根系直接影響的土壤區(qū)域中的微生物群落(趙佳等，2012)。近年來，根際微生物因可以提高化學(xué)農(nóng)藥的降解效率受到了廣泛關(guān)注。目前，已經(jīng)篩選出多種可降解包括化學(xué)農(nóng)藥分子在內(nèi)的污染物的根際微生物(Khanetal.,2013)。然而，單一的根際微生物在污染環(huán)境中難以生存和繁殖。人們發(fā)現(xiàn)，將根際微生物與植物聯(lián)合用于污染土壤修復(fù)可以更加有效地礦化和降解化學(xué)農(nóng)藥(Pandeyetal.,2009)。在聯(lián)合修復(fù)中，根際微生物以包括化學(xué)農(nóng)藥分子在內(nèi)的多種污染物為碳源來維持它的細(xì)胞功能和新陳代謝，植物通過根際分泌物、根際氧化、共代謝產(chǎn)物誘導(dǎo)、分泌H+ /OH-離子和有機酸及生物表面活性劑等途徑來調(diào)整根際環(huán)境，從而促進(jìn)根際微生物的生存和繁殖(Afzaletal.,2013)。

根際微生物和植物聯(lián)合修復(fù)的優(yōu)勢主要有3點：一是可提高根際土壤中化學(xué)農(nóng)藥分解代謝基因的豐度和表達(dá)程度，從而促進(jìn)化學(xué)農(nóng)藥分子的礦化、降解和穩(wěn)定(Jhaetal.,2015)；二是根際微生物有保障植物的健康、提高植物的生物量的作用，從而為根際微生物的生長提供了更加適宜定殖的根表面，提高了化學(xué)農(nóng)藥的降解效率(陸濤等，2019)；三是根際分泌的植物萜烯、黃酮類化合物和水楊酸等物質(zhì)，可促進(jìn)化學(xué)農(nóng)藥的共代謝作用，進(jìn)而使化學(xué)農(nóng)藥達(dá)到降解的目的(Singeretal.,2003)。

在植物根際區(qū)域中，微生物種類多，與植物聯(lián)合修復(fù)化學(xué)農(nóng)藥效果顯著，其中叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza， AMF)可與世界上大多數(shù)陸生植物根系建立共生關(guān)系。AMF可以增強植物對化學(xué)農(nóng)藥等多種污染物的抗性，減輕污染物對植物的毒害作用(Dongetal.,2016)。Fanetal.(2018)選擇紫花苜蓿MedicagosativaL.作為叢枝菌根真菌的寄主植物來修復(fù)阿特拉津污染土壤，發(fā)現(xiàn)在接種叢枝菌根真菌后，阿特拉津?qū)ψ匣ㄜ俎５娜~綠體結(jié)構(gòu)和功能的毒性作用減輕，使植物在光合作用過程中能更好地利用光能。

3.2 植物內(nèi)生菌-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

植物內(nèi)生菌是指存活于健康植物組織內(nèi)部，又不引發(fā)宿主植物表現(xiàn)出感染癥狀的微生物類群，內(nèi)生菌與植物是互利共生關(guān)系(姚領(lǐng)愛等，2010)。一方面，植物內(nèi)生菌能夠產(chǎn)生降解酶類直接代謝化學(xué)農(nóng)藥；另一方面，內(nèi)生菌參與調(diào)控植物代謝有機污染物。當(dāng)內(nèi)生菌定殖于植物體時會分泌一些植物激素、鐵載體、脫氨酶等物質(zhì)，促進(jìn)植物根系生長，提高植物生物量，增強植物抗逆境能力，從而增強植物體內(nèi)化學(xué)農(nóng)藥的代謝能力(黃俊偉等，2017)。在修復(fù)容易被植物吸收的化學(xué)農(nóng)藥時，植物與內(nèi)生菌聯(lián)合修復(fù)比植物與根際微生物聯(lián)合修復(fù)更具優(yōu)勢，對于具有親脂性且在根際區(qū)域停留較短的化學(xué)農(nóng)藥，根際微生物能發(fā)揮的作用微弱，而植物內(nèi)生菌可以通過胞內(nèi)作用分泌雙加氧酶來降解化學(xué)農(nóng)藥(Afzaletal.,2014)。內(nèi)生菌生活在植物組織內(nèi)部，與根際微生物受到土著微生物的競爭相比，面臨較少的生存空間和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭(Doty,2008)。

Fengetal.(2017)將從韭菜AlliumtuberosumRottl. ex Spreng.中分離得到的降解毒死蜱的內(nèi)生菌株Sphingomonassp. HJY接種于韭菜，該菌在韭菜體內(nèi)成功定殖，可降解韭菜的葉和根中70%和66%的毒死蜱，可降解種植接種內(nèi)生菌株韭菜土壤中75%的毒死蜱，在有效去除土壤中毒死蜱的同時保障了韭菜的食品安全。Eeversetal.(2018)從多種植物中篩選了促進(jìn)植物生長的內(nèi)生菌株SphingomonastaxiUH1、MethylobacteriumradiotoleransUH1和EnterobacteraerogenesUH1，將這3株菌株混合后接種于可以積累高濃度二氯乙烯的西葫蘆CucurbitapepoL.上，西葫蘆的根、枝芽的質(zhì)量增加，西葫蘆植物修復(fù)效果提高了46%。

3.3 專性降解菌-植物的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

專性降解菌包括從化學(xué)農(nóng)藥污染土壤、污水廠排污口和植物根際等經(jīng)篩選得到的高效降解菌株或經(jīng)過改造的基因工程菌株。將專性降解菌直接投加到自然環(huán)境后，因其與土著微生物的競爭作用以及環(huán)境的影響，專性降解菌的實際降解效果與實驗室結(jié)果相差較大。故人們將專性降解菌與植物的聯(lián)合用于化學(xué)農(nóng)藥污染的土壤修復(fù)，由植物給微生物提供生存場所和營養(yǎng)，以促進(jìn)污染物的快速降解和礦化(程國玲等，2003)。

專性降解菌與化學(xué)農(nóng)藥抗性植物聯(lián)合用于土壤修復(fù)，可緩解化學(xué)農(nóng)藥對敏感作物的毒性。姚夢琴(2017)研究發(fā)現(xiàn)，30 d內(nèi)玉米-微生物聯(lián)合修復(fù)克百威較微生物單獨修復(fù)降解率提高了19%，玉米-微生物聯(lián)合修復(fù)毒死蜱較微生物單獨修復(fù)降解率提高了18%。專性降解菌株與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)為已篩選出的降解化學(xué)農(nóng)藥的微生物資源應(yīng)用提供了有效思路。

4 結(jié)論與展望

植物-微生物聯(lián)合為修復(fù)化學(xué)農(nóng)藥污染的土壤提供了有效途徑。在微生物輔助植物修復(fù)土壤中化學(xué)農(nóng)藥時，根際細(xì)菌和內(nèi)生細(xì)菌具有適合化學(xué)農(nóng)藥降解、轉(zhuǎn)化和礦化的基因，可以減輕對植物的毒性。雖然許多研究發(fā)現(xiàn)，土壤中殘留的化學(xué)農(nóng)藥可以通過植物-微生物聯(lián)合作用降解，但這一努力仍然面臨很大的挑戰(zhàn)，主要的限制因素是這些降解微生物的活性易受到復(fù)雜的環(huán)境條件影響。為了使聯(lián)合修復(fù)被更廣泛、更有效地應(yīng)用，應(yīng)該更好地了解植物和微生物對化學(xué)農(nóng)藥的耐受機制、微生物在化學(xué)農(nóng)藥環(huán)境中的存活以及不同植物-微生物組合的最大降解作用等相關(guān)特性。此外，進(jìn)一步篩選新菌種以及利用基因工程提高已有菌種的活性和構(gòu)建多功能高效降解菌以及了解微生物的代謝活動及其多樣性，并研究其在環(huán)境中的適應(yīng)機制使其更加適應(yīng)土壤環(huán)境，可以進(jìn)一步幫助研究人員設(shè)計可持續(xù)的聯(lián)合修復(fù)的策略。