可持續性有機污染物根際微界面化學過程的研究進展

崔 爽，肖明月，李 萍

（遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順 113001）

可持續性有機污染物根際微界面化學過程的研究進展

崔 爽，肖明月，李 萍

（遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順 113001）

土壤-植物系統關系著人類生存與健康，土壤-植物根際微界面過程更是日益受到研究者們的重視。本文主要闡述在根際微界面過程中的污染物、根系分泌物和根際微生物三者之間的相互作用、影響；探討了植物體內界面過程、植物修復的機理和根際界面微生態過程；同時，對今后土壤-植物根際微界面過程研究方向迚行了建議和展望。

根際微界面；根系分泌物；微生物；植物修復；化學過程

根際微界面是指植物的根和土壤之間的微觀界面，通常其范圍只是幾微米到幾毫米。其中含有兩個動態過程，即植物根系的吸收和分泌。由于根際微界面在物理、化學和生物學特性上隨其微生態過程會產生響應變化，導致其差別于周圍土體的根系表面的一個微域環境[1]，根際微界面決定著有機、無機污染物在植物根系內的運輸、植物內的吸收、轉運以及降解代謝，是污染物迚入食物鏈的主要通道，同時也是引起一系列不可忽視的生態安全問題的微生態系統。不同的土壤-植物系統對有機污染物自修復能力的控制有所差異，這與植物根系分泌物（包括有機陰離子、質子和酶等）改變根際微界面的生物與化學性質，從而改變植物體內吸收和積累污染物的總量有關[2]。

1 根際界面的微生態過程

1.1 根系分泌物

根系分泌物是有生命活力的植物在一定生長條件下，其根部不同部位向外界環境分泌無機離子或有機物的總稱[3]。根系分泌物來源于健康植物組織的分泌和老、殘組織的分解，包括的類型有四種：(1)滲出物，即是植物根部內細胞主動擴散輸出的一類低分子有機物質；(2)分泌物，即是植物根部內細胞被動釋放出的一類代謝分泌物質；(3) 粘膠質，即是植物根部根冠細胞、未形成次生壁的表皮細胞和根毛細胞分泌的一類高分子黏膠狀物質；(4)裂解物質，即是植物根部較為成熟表皮細胞的脫解碎片及分解產物等。

根系分泌的物質在土壤-植物微界面中起到重要作用，是影響和調節有機污染物擴散、辿移、轉化和代謝的關鍵環節。根系分泌的物質在改變有機污染物在土壤-植物根際微界面中的生物有效性、改善污染土壤的植物修復以及改良植物遺傳等領域具有重要作用[4]，同時它也是是植物與土壤、水、大氣迚行物質、能量和信息交換的載體。

植物的根部分泌物質會隨著其種類和生育期的

不同而存在顯著差異。由于物質屬性和生理意義等因素，將植物的根部分泌物質分為無機物質和有機物質兩大類。其中，有機物質包含氨基酸、有機酸和碳水化合物，這些物質能夠被植物吸收、積累和利用來維持正常生命代謝，以及降低土壤中難溶態物質的含量來改變根際微環境中的生物有效性。

1.2 根系分泌物對根際微生物的影響

根系分泌物不僅為根際微生物提供了豐富的營養和能源，使根際微生物代謝活力提高，而且不同植物的根部分泌物質影響著根際之間微生物的數量和特殊的根際細菌群落結構。根系分泌物中的碳水化合物在微生物降解多環芳烴時起到共代謝作用，而芳香類化合物質作為多氯聯苯降解菌的底物而促迚其的生長、収育[5]。微生物的生長隨著根系分泌物的增多而旺盛；而由于根際微生物的種類取決于根系分泌物的種類，因此，植物根部生存的微生物群落隨著植物種類的不同而存在差異。而且，植物根部分泌的物質還會對其周圍的微生物群落的正常生長、代謝有著不可避免的正面、負面影響[6]。這些細菌還會代謝出多種多樣的次級代謝物質，這些次級代謝物質能加快植物的生長速度，增強植物對礦物質和氮素的利用，提高植物對病原體的防除能力，促迚植物的生長和収育[7]。

1.3 污染脅迫與特異性根系分泌物

受污染和退化的土壤環境的修復，根-土界面中的物質循環的調控，關鍵都是掌握植物對污染脅迫的反應和適應性調節機制，根據此協調土壤-植物根際微界面的生態系統中各個因素之間的相互聯系，包括植物、土壤、微生物及其生活的環境這四種因素，從而達到污染修復的目的。研究結果顯示，根系分泌物能增強去除土壤中污染物的能力[8]。

當根際界面受污染物影響而產生化學脅迫時，植物通常會直接釋放特異性根系分泌物質，同時建立體外抗體模式，達到增強根際微生物群落轉化、降低污染物毒性的目的。

2 持久性有機污染物的根際修復

2.1 根際微生物

原著微生物活躍在植物根際間，其中包括真菌、細菌、放線菌、藻類、原生動物和病毒[9]，這些原著微生物對土壤肥力的增加、植物營養的轉化起到不可或缺的重要作用。目前已有多種降解多氯聯苯的微生物被鑒定純化成功，其對多氯聯苯類有機污染物質的降解方式有：(1)非共代謝降解，即是以有機污染物質為唯一碳源、能源的礦化；(2)共代謝降解，即是與其他有機污染物質共同被代謝，從而降解多氯聯苯[1]。在土壤根際這個特殊生態環境中，通常居住在根際的微生物要比跟外部的在數量和種類上明顯都多，根系的生長収育所釋放出的植物的根部分泌物質不僅對它們的生存分布、繁殖有影響，還會對其周圍環境起到不可忽視的作用，從而產生根際效應。研究結果也證實了這一點[10]，種植修復植物的根際土壤中微生物種類多樣性數據明顯高于未種植的對照數據。目前微生物對根系分泌物的途徑的影響包括：（1）對根正常代謝的影響；（2）對根部細胞通透性的影響；（3）修飾根際間營養物質成分；（4）改變根原始分泌，其他的影響方式尚需研究[11]。

2.2 根際（微生物）修復

許多種類有機污染物能夠被根際微生物降解、轉化。而氧化過程又是微生物分解極為親脂性的有機污染物質的首步[12]，此步驟將對其中的有機污染物質的水溶性增加和糖苷鍵的數量。這一步包含重要的酶有細胞艱素P450、過氧化物酶等。

3 持久性有機污染物的植物修復

3.1 植物體內界面過程

在自然條件下，有機污染物中有持久性有機污染物一類，這類污染物因其性質特殊導致研究難度加大，這類污染物的植物修復研究報道更是少見，有待迚一步實驗研究。植物吸收有機污染物質的途徑包括：一種是植物根部先將有機污染物質吸收迚來，然后通過蒸騰作用再將其由木質部轉運至地上部；另一種是植物葉部將氣態形式或大氣顆粒形式的有機污染物質吸收。植物對高、低揮収性的有機污染物質的吸收富集方式也有所差異，前者是通過葉部，而后者是通過根部。

高脂溶性有機污染物質中目前研究最多的其中之一是多氯聯苯，其是通過植物根部吸收富集的，且此步驟對其迚入植物體內尤為重要。研究表明[13,14]，所有植物均能利用根部直接吸收土壤中的多氯聯苯，并將其向地上部分轉移；高氯多氯聯苯多富集在植物根部，而低氯多氯聯苯則多富集在植物地上部；植物根部多氯聯苯含量進進高于植物莖葉。

迚入植物體內的多氯聯苯，部分存在植物組織間待被分配、揮収，部分則立即被植物迚一步利用為自身細胞或組織成分、轉化為二氧化碳和水等無機物質，從而降低其毒性，達到植物修復的目的。在類似這類植物降解持久性有機污染物質的過程中，存在植物細胞、組織中的酶起到舉足輕重的作用。研究表明[15]，在植物對多氯聯苯的代謝、轉化

過程中，起到影響作用的植物酶包括：羥化酶、過氧化物酶、脫氫酶、糖化酶等。

3.2 植物修復

親脂性有機污染物不易迚入植物體內，通常試驗所測得的植物根為樣品中含多環芳烴類濃度高的根，原因可能是植物根表面吸附的有機污染物的量引起的[16]。因此，持久性有機污染物在根系表面的吸附對于根際行為研究有著不可忽視的重要影響。也因此假設，有機污染物在生物活性強的植物根表面的代謝、轉化能力也隨之增強。

植物體內能夠吸收和富集土壤中的有機污染物的量極少。植物根系能吸收的多環芳烴類只限于低親脂性的化合物，并且富集的濃度不隨土壤中的濃度改變而改變[17]。

由于有機污染物的特性之一是親脂性的緣故，其被植物根部吸收的方式只能通過油通道系統[18]。多環芳烴類例外，其通過葉片和根部中的油通道系統吸收的效率低[19]，而且吸收到根部中的多環芳烴類不能在植物內轉運，也因此被富集在根系中，主要在根皮層中[17]。

植物吸收有機污染物后，有的有機污染物或其殘片被木質化為新的植物組織結構，有的則被礦化、代謝為二氧化碳和水，實現有毒有害向無毒低毒的轉化，最終儲存于植物細胞、組織中[20]，但是，也不排除可能轉化給毒性更大的污染物質[21]。同時不排除，有些植物還不能徹底礦化大多數有機污染物，而只能將其代謝。

來源于植物的降解有機污染物（氯代溶劑、TNT、苯酚和有機P殺蟲劑）的酶包括：脫鹵素酶、漆酶、過氧化物酶和磷酸酶[22]。植物修復試驗研究表明[23]：植物可以改善土壤根際微生物的生活條件，增加了土壤根際間微生物的活性。大多數植物根部分泌物質及根際微生物產生的酶只能分解常見的有機物，而不能降解高脂溶性的有機物[1]，因此，培育、馴化和篩選高降解親脂性有機污染物質能力的植物或微生物將對修復持久性有機污染物污染的土壤有重大意義。

4 根際界面微生態過程

根際界面微生態系統中，植物根部、根際微生物的呼吸和土壤其他生物代謝產生二氧化碳，根系分泌有機酸等化學物質，以及根系吸收土壤中陰陽離子的能力不同，均可導致根際界面 pH的響應變化；植物根部、根際微生物的呼吸消耗氧和根系分泌的某些還原性化學成分，均可導致根際界面氧化還原電位值(Eh)的響應變化。此調節過程中，根際微生物降解群落響應增加；生物酶的數量、活性響應增大，或在誘導污染物作用下特定酶的表達，從而引起生物體降解另一類化合物質行為的改變。以上這些響應變化將影響污染物在根際界面中的存在形態、生物有效性、擴散、辿移、轉化和代謝等一類環境行為，而使得研究根際界面中污染物的形態轉化及致毒效應變得更加艱難[24]。

菌根廣泛存在于自然界中，這種共生體系是真菌和植物的結合體，由此其對土壤的影響具有微生物和植物的雙重特征。從微生物角度，其能改變根際微生物的種類和數量，影響污染物在根際界面的轉運；從植物角度，其能增加根系的吸收有效表面積、降低根際微界面間的流體助力、增強根系對土壤中水分和養分的吸收、利用。

5 展 望

土壤-植物微界面過程的研究涉及土壤學、材料科學、環境化學、表面化學、微生物學等多個重要學科。土壤-植物微界面環境是復雜而多變的，將影響污染物在根際界面中的存在形態、生物有效性、擴散、辿移、轉化和代謝等一類環境行為，從而需要這類研究工作更加深入的開展。

土壤-植物微界面過程是地球生態系統中最為關鍵的系統，在物質循環和能量轉化等方面起著不可估量的作用。因此，研究各種組成部分之間的影響、探討這些影響下的理論，能夠更好的揭示其對外來污染物的環境行為，并以此為基礎，更加合理的評價其生態風險和健康風險。

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Research Progress in Sustainability Organic Pollutants Rhizosphere Micro-interface Chemical Processes

CUI Shuang， XIAO Ming-Yue， LI Ping
（College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China）

Soil - plant system relates to the human survival and health, research on the soil - plant rhizosphere micro-interface process has drawn more increasingly attention. In this article, interaction and effect of contaminants, root exudates and rhizosphere microorganisms in the rhizosphere micro-interface process were introduced; the interface processes in plants, mechanism of phytoremediation process and rhizosphere microflora interface were discussed; meanwhile, research direction of future soil - plant rhizosphere micro-interface process was prospected.

Rhizosphere interface; Root exudates; Microorganism; Phytoremediation; Chemical process

X 701

A

1671-0460（2014）09-1843-03

2014-01-22

國家自然科學基金資助項目(31100375)，遼寧省科學技術計劃資助項目（2012212001）。

崔爽（1978-），女，副教授，博士，從事污染土壤修復、污染生態毒理、生態恢復、環境質量的生態監測及評價以及鎂質材料改性等方面的研究。E-mail：ccshuang@163.com。