施加根系分泌物對重金屬形態及吸收積累影響的研究進展

杜云燕 龔玉蓮 曾碧健 謝婕 馮思紅 鄧高明 陳彩鋒 鄒金城 雷靜靜

摘要：植物分泌的根系分泌物對土壤重金屬的化學行為和植物吸收積累重金屬具有重要影響。對施加根系分泌物的方式、根系分泌物對土壤重金屬化學行為和重金屬吸收積累的影響及機理研究進行了綜述。

關鍵詞：根系分泌物;土壤重金屬形態;重金屬吸收積累

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0082-03

1 引言

人類大量的開采礦產資源以及過量的使用化學產品而造成的土壤重金屬污染，成為了人們迫切關注的問題[1，2]。人類的健康因食用受土壤重金屬污染的糧食和蔬菜等必需品而受到威脅。

重金屬在環境中不易降解，自然清除時間長，采用化學修復、物理和工程等傳統的環境污染清潔技術，由于存在操作復雜、難以大面積實施、成本高、容易造成二次污染等問題，其治理效果受得了一定的影響。植物在生長的過程中，對土壤包括重金屬在內的許多物質具有重要的影響，利用植物進行土壤重金屬污染的修復和控制，因具有費用經濟、保護土壤結構且無二次污染等優點逐步被采用，并取得良好的效果[3～5]。

植物對重金屬污染土壤的修復與控制主要包括兩方面，一方面是利用植物對重金屬進行吸收、去除和固定[6，7]。另一方面是在重金屬污染土壤上種植重金屬低積累植物或品種，利用其對重金屬低量吸收積累的特性，實現植物產品的安全生產[8]。

根系分泌物是影響土壤重金屬化學行為和植物吸收積累重金屬的重要物質，對于植物修復和控制土壤重金屬污染具有重要的意義[9]。根系分泌物主要通過降低環境pH值、改變土壤氧化還原狀態等途徑改變重金屬的形態，影響重金屬在土壤中的有效性，進一步改變植物對重金屬的吸收或者土壤對再金屬的吸附能力[10，11]。

目前，關于根系分泌物提取、組分和作用等方面的研究較多.但未見關于通過施加根系分泌物或相關成分研究植物對重金屬吸收積累影響的綜述。本文就近年來有關施加根系分泌物列重金屬的化學行為和吸收積累的影響研究進行綜述。

4 施加根系分泌物的方式

（1）將有機酸或者根系分泌物施加至土壤中。郭凡嫡等[25]將不同濃度的草酸，淋洗至種植東南景天的土壤中。盧豪良[20]往種植秋茄幼苗的土壤中，分別添加草酸、檸檬酸、五倍子酸。

（2）將有機酸施加到水培系統中。林琦[24]在水培系統中將檸檬酸、酒石酸分別加入Pb處理液、Cd處理液、以及Pb、Cd混合處理液中。

（3）將根系分泌物或者外源物質與含有重金屬的土樣混合。例如，何彩嬌等塒將低分子量有機酸與含重金屬Cr的土樣混合。徐秀月等[21]在沉淀物中分別加入不同濃度的檸檬酸、蘋果酸和草酸。

（4）將裝有有機酸的透析袋放入重金屬離子溶液中。林琦[24]將20 mL有機酸裝在透析袋內，浸泡在Cd（N03）2或Pb（ N03）2的鹽溶液中，并測定透析袋內外Pb、Cd的濃度。

5 施加根系分泌物對土壤重金屬形態的影響

研究表明，根系分泌物對土壤重金屬形態的影響較為復雜，表現為以下幾種情況。

（1）根系分泌物有機酸能抑制土壤重金屬吸附，促進重金屬解吸。甲酸、草酸、蘋果酸等9種有機酸能活化土壤中的重金屬Cr，促進重金屬從土壤中解吸，日，對比單一有機酸，混合酸表現出更強的能力[19]。王瑾等[23]研究發現施加小麥根系分泌物，對Cr（Ⅵ），Cd（Ⅱ）有吸附去除效果。

（2）根系分泌物有機酸對土壤重金屬吸附的影響呈現出濃度效應。根系分泌物有機酸低濃度促進土壤重金屬的吸附而抑制重金屬從土壤中解吸。高濃度抑制土壤重金屬的吸附而促進重金屬從土壤中解吸。樓玉蘭[26]研究發現蘋果酸在低濃度條件下，土壤中Cu、Zn的提取率低于對照，對Cu和Zn的解吸均表現為抑制作用;然而高濃度蘋果酸則明顯提高Cu、Zn的提取率，增加Cu和Zn的解吸。推測可能是土壤表面與溶液中的有機配體爭搶溶液中金屬離子能力不同的結果。

（3）施加有機酸對土壤重金屬吸附行為沒有顯著影響，吳龍華等[27]發現分別施加等量的草酸、檸檬酸或蘋果酸，土壤溶液Cu的濃度、Cu的狀態都與空白處理無顯著差異，推測施加的這些有機酸在6天中可能因被分解而無產生實質影響。

（4）施加有機酸對土壤重金屬吸附行為影響的復雜性，可能與其有機配體在土壤中狀態有關。羅洪亮等[28]發現有機配體具有降低、升高、不改變溶液Cu2濃度三個方面的作用，是土壤表面與溶液中有機配體搶奪Cu2+的結果。換言之，體系加入的有機配體，若成為固相中的一員，溶液Cu2+濃度下降;若成為液相中的一員，溶液CU2+濃度上升[29]。

6 施加根系分泌物對植株吸收積累重金屬的影響

研究表明，根系分泌物對植物吸收積累重金屬的影響較為復雜，表現為以下幾種情況。

6.1 根系分泌物有機酸促進植株吸收重金屬

且隨著濃度的增高，促進作用進一步增強。施加草酸顯著促進間作系統中續斷菊對Cd的吸收，并隨著草酸濃度的增加，植物吸收積累的Cd量也增加[20]。蘋果酸、檸檬酸、丙二酸、酒石酸和EDTA對黑麥草吸收積累Pb的影響均表現為止相關的促進作用[31]。

施加根系分泌物促進植物吸收積累重金屬，原因在于有機酸能有效活化土壤中的重金屬，增加重金屬在土壤中的有效性。根系分泌有機酸，H+含量增加，H+可置換出土壤上的重金屬離子，解除土壤的束縛，從而易于被植物根系吸收，并進一步增加了運往地上部分的數量。同時H+濃度的變化影響了與根際酶、微生物、根系等有關的代謝過程，從而直接或間接影響重金屬在土壤中的濃度[20]。

6.2 根系分泌物對植株吸收積累重金屬的影響呈現出濃度效應

在較低的濃度范圍內，隨著有機酸的濃度升高，施加有機酸使植株吸收積累重金屬能力不斷增強。隨著有機酸濃度的進一步升高，減弱了植株吸收積累重金屬能力。郭凡嫡等[25]用5、10、25、50 mmol/L 4種濃度的草酸分別淋洗土壤，發現草酸濃度在25 mmol/L濃度范圍內，東南景天Cd含量與有機酸濃度呈正相關，當草酸濃度為50 mmol/L時，植物Cd含量則降低。

有機酸濃度過高對植物吸收積累重金屬具有抑制作用，可能是由于高濃度有機酸破壞了金屬離子與有機酸形成的化合物結構。秦麗[30]發現高濃度檸檬酸使地上部Pb含量降低，據此推測在較低濃度時，檸檬酸能與Pb形成化合物而進入根細胞，并向木質部裝載往地上部分運輸;當檸檬酸濃度過高，反而破壞了與重金屬的結合，而不利于根系吸收重金屬，導致根部及地上部分Pb含量的降低。

另一方面，施加根系分泌物抑制植物吸收積累重金屬，可能是由于根系分泌物中的一些大分子有機化合物作用于重金屬離子，使其被土壤束縛住，從而降低了土壤溶液中重金屬離子的濃度，緩解了重金屬對植物的損害[32]。

6.3 施加根系分泌物有機酸，對植株吸收積累重金屬無顯著影響

施用等量的草酸、檸檬酸或蘋果酸，對芥菜葉的Cu含量無顯著影響，原因可能在于施加的有機酸被分解而失去效果[27]。

7 展望

施加根系分泌物影響植物吸收積累重金屬的研究，對于重金屬的污染治理具有一定的指導意義，可在環境治理者制定方案時，為試劑種類、劑量和施加方式等的選擇提供重要的參考信息。

近年的研究主要集中在施加單一有機酸上，混合有機酸的研究較少。根系分泌物中的有機酸種類繁雜，植株吸收積累重金屬是多種物質聯合作用的結果，因此研究混合有機酸對植株吸收積累影響，對于探明根系分泌物的作用具有重要的作用。

此外，研究對象主要是有機酸，而根系分泌物的其他物質例如氨基酸、糖類等的相關研究則鮮有報道。根系分泌物是一類極其復雜的混合物質，對土壤重金屬的作用是多種物質多種因素復合作用的結果，因此有必要研究有機酸以外的其他物質。

值得注意的是，相關研究多為根系分泌物中的某些物質對土壤重金屬化學行為的影響，或者是施加一種或幾種物質對植物吸收積累重金屬的影響，而較少研究直接施加來源于植物的根系分泌物對重金屬形態、吸收積累的影響。直接研究根系分泌物對重金屬化學行為和積累的影響，將具有更加現實的意義。

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