微生物聯(lián)合植物修復(fù)土壤重金屬研究現(xiàn)狀

萬家秀，張永合，王 瑾，陳 臻

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州 730021）

1 概述

1.1 土壤重金屬污染危害

土壤重金屬污染中，存在較明顯生態(tài)毒性的物質(zhì)主要是Hg、Cd、Cr、Pb等，及對生態(tài)危害性可與上述重金屬相比的As，此外還有Zn、Cu、Co、Ni、Sn、V等污染物也具備毒性，這些污染物被稱作重金屬污染物。通過人類活動的影響將以上重金屬污染物或其化合物，經(jīng)過不同途徑輸入土壤的現(xiàn)象，就是土壤重金屬污染，從而使重金屬在土壤中濃度顯著高于原土壤本底含量，隨之而來的就是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降直至惡化。

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著人類工業(yè)的進(jìn)步，土壤污染問題也日益嚴(yán)重。土壤的污染特點(diǎn)為停滯性、隱蔽性和破壞性，土壤污染是污染物逐漸累積的過程。我國的土壤污染修復(fù)問題已經(jīng)迫在眉睫，在調(diào)查的6 300 000km2土壤面積中的超標(biāo)率高達(dá)16.1%。其中以無機(jī)型環(huán)境污染居多，其超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)量占到了所有超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%，其次是有機(jī)型環(huán)境污染，而相對占比小的則為復(fù)合型污染物[1]。我國因土壤污染造成的經(jīng)濟(jì)損失每年可高達(dá)數(shù)億元人民幣，而且也會隨著生物富集作用嚴(yán)重危害人們的生命安全。所以，對土壤重金屬污染的綜合治理已刻不容緩，已成為當(dāng)務(wù)之急。

1.2 土壤重金屬污染來源

重土壤重金屬污染物通過以下三種方式進(jìn)入土壤：第一，在降雨過程中，由于雨水沖淋作用，土壤中的重金屬滲入，進(jìn)入地下水，形成重金屬污染；第二，暴露于環(huán)境中已經(jīng)被重金屬污染的土壤，直接或間接地以土壤粒等形態(tài)被人或動物接觸吸入，從而受到污染。第三，土壤受到了外部環(huán)境因素的改變，如二次污染物的酸雨或因pH的改變而增加了土壤對重金屬的水溶性能。還有一些環(huán)境添加劑等，都會提高土壤生物對重金屬的可利用度，進(jìn)而導(dǎo)致土壤的重金屬逐漸被植物同化并加到食物鏈上，對食物鏈中的所有生物存在毒害性[2]。

2 植物-微生物共同修復(fù)重金屬污染的土壤

微生物修復(fù)重金屬污染的土壤通常是利用微生物的代謝過程進(jìn)行轉(zhuǎn)化形成低毒的化合物或是利用微生物生物活性對土壤中重金屬加以親和吸附，以此減弱污染性。一般可通過細(xì)菌﹑藻類和酵母菌等，可以減弱或去除重金屬的污染。實(shí)際上細(xì)菌并沒有分解和破壞重金屬，而是利用他們的新陳代謝方式使重金屬的化學(xué)或物理功能實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響重金屬在周圍環(huán)境中的移動與轉(zhuǎn)化。而微生物對重金屬修復(fù)機(jī)制可以總結(jié)為生物吸附、細(xì)胞代謝﹑空泡吞飲、氧化還原過程和對表面生物的吸收轉(zhuǎn)移等。并且微生物的生化反應(yīng)產(chǎn)物在水解和沉降，生物吸收、富集、氧化還原的過程中，對環(huán)境中的重金屬的生態(tài)作用也起到了一定的作用。

2.1 微生物對多種重金屬離子的生物吸附和富集

重金屬離子往往被生活環(huán)境中的表面帶電荷的微生物細(xì)菌所吸收，為了吸收必需的營養(yǎng)元素，在細(xì)菌表層或內(nèi)部不斷地吸附重金屬離子，使之達(dá)到聚集狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)了重金屬分子的自然富集。

2.2 微生物對重金屬離子的氧化還原

土壤中的重金屬元素有不同的價位形態(tài)，不同價態(tài)重金屬的溶解程度存在一定的差別，通常高價態(tài)的溶解程度很低，遷移困難，而低價態(tài)的重金屬溶解程度很高，遷移更容易。微生物通過對重金屬的氧化作用降低了重金屬元素的活性，加大了重金屬的遷移難度，從而有助于重金屬的富集。

2.3 菌根真菌與土壤重金屬的生物有效性影響

菌根是由真菌和植物根系結(jié)合而形成的一種真菌菌絲共生體。在這個共生體系中，菌根真菌向植株供給生長因子和必需的礦物物質(zhì)，并以此促進(jìn)植株的生長發(fā)育。其從植株根部所吸收的有機(jī)酸，被菌根性真菌用來活化土壤中的重金屬分子，它們也能夠利用離子交換、激素、分泌的有機(jī)配體等來影響植株對土壤中重金屬的吸收率，從而提高植物對重金屬的富集效應(yīng)。

2.4 植物的重金屬抗性

李婷等[3]認(rèn)為生物體長時間生長在高濃度重金屬環(huán)境中后，有機(jī)體的生長代謝過程和防護(hù)體系都會作出反應(yīng)，而有機(jī)體會經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)節(jié)、平衡體內(nèi)重金屬濃度，在其中體現(xiàn)出了直接抵抗和間接抵抗。植物主要是利用轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對重金屬的特異性來對植物重金屬含量加以管理，或者通過根部的分泌物改變金屬形態(tài)從而降低重金屬的吸收量。植物還會在細(xì)胞壁或者液泡中儲存大量的重金屬來降低重金屬對機(jī)體的損傷。同時植物還會自主地把重金屬從生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)清除，而在生物體內(nèi)的重金屬則和其他的化學(xué)物質(zhì)融合從而減少毒害。除此之外，有科學(xué)資料證實(shí)，植物體抗氧化基因的表達(dá)也間接地抵御了環(huán)境中對重金屬的抗性。

但是微生物與植物分別處理重金屬污染物的速度慢，效率很低。而通過微生物聯(lián)合植物治理重金屬污染物，就會同時具備微生物、植物修復(fù)兩者共同的優(yōu)點(diǎn)。微生物聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)是利用微生物、植物二者通過直接或間接地轉(zhuǎn)移并吸附在土壤中的重金屬單質(zhì)，進(jìn)而使土壤中有害重金屬含量和毒害效應(yīng)減少的技術(shù)。已有研究表明[4]，通過根際微生物生長與根共同生長產(chǎn)生共同的根際微生物，提高了植物的根系中重金屬的富集水平，降低了土地自然環(huán)境中的重金屬。

3 植物與微生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制與應(yīng)用

3.1 菌植物-微生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制

目前，微生物與植株的聯(lián)合抗性研究對象多為根際細(xì)菌和植株以及內(nèi)生菌之間的協(xié)同作用，而促生根際微生物PGPR（Plan Growth Promoting Rhizobacteria）則相對較多。大量研究表明，PGPR在促使植株正常生長，發(fā)育并改變植株對重金屬的利用率方面，是通過固氫、溶磷、分泌植物生長激素增加根、莖生物量，還可以通過植株根部產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)活化土壤中的重金屬分子，提高植株對重金屬吸附。在草本植物和玉米等作物種子中添加PGPR，可以明確地觀測到PGPR的促進(jìn)生長效果以及植株對環(huán)境中重金屬敏感性的增加。而與PGPR有相似性的內(nèi)生菌，在對提高植株生長發(fā)育速度和降低重金屬對植株產(chǎn)生的有害效果上都有著巨大的作用，這便是最近出現(xiàn)的植物-土壤內(nèi)生菌修復(fù)技術(shù)。曾有科學(xué)研究表明從Cd超積累植物龍葵中分離出了沙雷氏細(xì)菌LRE07，這種細(xì)菌對Cd具有強(qiáng)烈的抵抗力，并且可以很高效地吸附Cd和Zn從而解毒。而且，內(nèi)生細(xì)菌可以通過形成植株生長素、鐵載體和溶解無機(jī)磷酸鹽來促進(jìn)植株的繁殖。但是由于對該種技術(shù)的研究尚且并不清晰，對其抗性機(jī)制和多菌群的相互作用機(jī)制方面也是知之甚少。

目前已在物質(zhì)層次上發(fā)現(xiàn)的微生物-植物修復(fù)機(jī)理的有以下四類：①增強(qiáng)了植物吸附重金屬的功能。微生物通過促進(jìn)生長植株，提高了植株自身釋放生長激素的基因表達(dá)來促使植株生長發(fā)育，特別是在植株根部；②微生物通過促使植株生長增強(qiáng)抗氧化的功能，比如細(xì)菌通過促使植株生長提高了谷胱甘肽代謝的關(guān)鍵基因表達(dá)；③微生物通過促使植株生長的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至和能量相關(guān)的基因，并以此來促進(jìn)植株把周圍環(huán)境的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至非敏感區(qū)域；④生物提高了植株的與解毒能力相關(guān)的基因上調(diào)。

3.2 植物-微生物修復(fù)技術(shù)與應(yīng)用

由于植物細(xì)胞與單一抗性菌株融合后的修復(fù)方式在機(jī)制研究方面也比較完善，故現(xiàn)階段使用得較多。其中PGPR為常見的抗性菌株，在增強(qiáng)植株對重金屬的抵抗力方面具有明顯促進(jìn)作用。另外，內(nèi)生菌群的輔助功能方面也顯示出了其優(yōu)越性，但對于內(nèi)生菌的共同作用機(jī)理尚不清晰，控制過程較難，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，且環(huán)境對其效果影響較大，因此使用得較少，但是具備開發(fā)的潛力。

3.2.1 內(nèi)生菌-植物聯(lián)合修復(fù)

植株內(nèi)生菌就是寄生在植株組織細(xì)胞中的細(xì)胞間隙的菌或細(xì)胞，出現(xiàn)于植株發(fā)育的某個時期或整個過程[5]。內(nèi)生菌具有分泌脫氫酶、脫羧酶和植物素的特點(diǎn)，能提高新陳代謝水平，對植物離子有很大的吸收功能，能明顯減輕重金屬對植株的危害，對重金屬的植株脅迫有很好地減輕效果。例如叢枝菌根真菌與植株根系結(jié)合產(chǎn)生的一個內(nèi)生菌根。這種內(nèi)生菌根，可以通過提高營養(yǎng)成分促使植物繁殖，同時對植物吸收和積累在環(huán)境中的重金屬物質(zhì)都有潛在的風(fēng)險(xiǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)[7]，叢枝菌根的根外菌絲可以吸收周圍環(huán)境中的多種有機(jī)重金屬離子，極大減少其濃度，且對真菌和植物體內(nèi)重金屬離子的分配都有很重要的影響。

3.2.2 根瘤菌-植物聯(lián)合修復(fù)

固氮菌和豆類植物利用共生系統(tǒng)可以固定空氣中的N2，而根瘤菌也可以利用固氮、溶解白磷、生成植物素、釋放鐵載體等加強(qiáng)豆科植物生長發(fā)育的限度增強(qiáng)了豆類植物對有毒重金屬的抵抗力，土的重金屬中毒也得到了減輕。共生系統(tǒng)此外，通過直接沉淀、轉(zhuǎn)化、吸附重金屬，以減少重金屬含量。已有研究[8]發(fā)現(xiàn)天藍(lán)苜蓿根瘤菌的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）可高效地吸附并去除Cu2+。有研究表明，如果將根狀菌索在接種后于褐土中，固相中融合態(tài)的鋅數(shù)量可以減少10%。在專性吸附狀態(tài)中、氧化錳融合態(tài)中和金屬有機(jī)融合態(tài)中，鋅的數(shù)量可以降低高達(dá)9%~26%[9]。微生物聯(lián)用的研究不但從一定意義上增強(qiáng)了重金屬的吸收作用，而且彌補(bǔ)了兩者修復(fù)技術(shù)的不足，兼具了兩者修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。

4 展望

面對日趨嚴(yán)重的重金屬污染，微生物聯(lián)合植物修復(fù)法是一種成本低廉綠色環(huán)保的有效方法。它治理效果好，沒有形成二次污染，在消除土地污染物土壤重金屬的同時，也沒有損害土地的生態(tài)安全。

但是這種技術(shù)也有很多局限性：首先這項(xiàng)技術(shù)還沒有得到發(fā)展，大部分都處在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，還無法確定其是否會有生物風(fēng)險(xiǎn)；這種技術(shù)的前期研究和后期評估的成本較大，存在相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，且存在很大的技術(shù)難度。因此可以認(rèn)為，未來的研究方向可以關(guān)注以下幾個方面：在嚴(yán)重污染環(huán)境中可以發(fā)現(xiàn)更多的原位生物抗性資源和組合模式，污染范圍內(nèi)有豐富的細(xì)菌和植株的共生系統(tǒng)，因此有助于挖掘更廣泛的生態(tài)復(fù)原研究技術(shù)；繼續(xù)研究植物-微生物之間的作用機(jī)理，可以利用現(xiàn)在的分子組學(xué)的技術(shù)，從中發(fā)掘微生物潛在抗性基因，從分子領(lǐng)域開展研究；通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得有說服力的普遍規(guī)律，并將其發(fā)展成能夠定量分析的參數(shù)，以在實(shí)際應(yīng)用上發(fā)揮更大的作用并防止發(fā)生事故。