根系分泌物對土壤重金屬吸附解吸影響的研究進展

沈美紅，龔玉蓮 ，陳彩鋒，敖曼娟，曾碧健，謝 婕，鄒金城，周曉妤 ，甘苑嫻

(廣東第二師范學院生物與食品工程學院 應用生態工程技術開發中心，廣東 廣州 510303)

1 引言

近年來土壤重金屬的污染現狀不容忽視，因此對土壤重金屬污染的控制也備受關注。利用植物對土壤重金屬的超富集能力進行土壤重金屬污染修復，或者利用植物對土壤重金屬的低積累能力以保障食品安全生產，是重金屬污染生物控制領域研究的熱點問題[1～4]。

作為土壤和植物之間物質交換的媒介，根系分泌物對植物吸收積累重金屬具有重要意義。目前國內外研究表明，這主要是因為根系分泌物能夠對重金屬的形態產生影響，進而影響植物對重金屬的吸收積累，促進對土壤重金屬污染控制[2,4～7]，因此，研究根系分泌物影響土壤重金屬的吸附和解析的機理，對控制土壤重金屬問題具有重要的意義，但此方面的影響及其機理還需要進一步研究。本文就近年來根系分泌物對土壤重金屬吸附解吸的影響及其機制的研究進行綜述，為植物吸收積累重金屬機理的理解和應用提供參考。

2 根系分泌物

植物在生長過程中，根系會對環境釋放許多物質，而這些物質中的有機化合物就統稱為根系分泌物[8]。Hiltner指出非根際和根際土壤理化性質的差異主要是由根系分泌物造成的，這為植物根系分泌物的研究提供了理論基礎[9]。

根系分泌物數量可觀，主要是由分泌物、根組織脫落物、黏膠物質以及滲出物等組成[10，11]。一種為廣大學者所接受的分類方法是根據分泌物的不同性質和分子量大小來劃分，將根系分泌物分為大分子量有機化合物和小分子有機化合物[12]。小分子有機化合物主要為有機酸、氨基酸等物質；大分子量有機化合物包括酶類、凝膠類等物質。不同植物根系分泌物的組成存在差異，如桂花的根系分泌物中含有烷烴、烯烴、有機酸、酚醛類以及雜環類等化合物[13]；而甜椒的根系分泌物中除含有烷烴、酚醛類外，還含有醇類、酯類、胺類等化合物[14]。

根系分泌物對植物吸收積累重金屬具有重要的影響。一方面，根系分泌物能促進超富集植物吸收轉移重金屬，進而促進土壤重金屬的修復。喬冬梅等人研究發現，重金屬Pb能通過促進黑麥草分泌有機酸改變根際微環境，影響黑麥草對Pb的吸收和轉移[15]。另一方面，根系分泌物也能對某些植物重金屬的吸收積累產生抑制作用。秦麗等人研究表明，根系分泌物中的有機酸能降低玉米地上部 Cd、Pb含量[16]，對降低農作物重金屬積累，提高農產品安全性具有重要意義。

根系分泌物能影響土壤重金屬的吸附和解吸，進而影響植物對重金屬的吸收和轉移[15]。根系分泌物可促進超富集植物對重金屬的積累，主要是根系分泌物對土壤重金屬的解吸具有促進作用。根系分泌物也可能增加土壤重金屬的吸附量，促進重金屬從活躍態轉變為穩定態，對植物重金屬的吸收和積累產生抑制作用[5]。因此，研究根系分泌物對土壤重金屬吸附解吸的影響，對于理解和應用植物吸收積累重金屬的機理具有重要的理論意義。

3 根系分泌物對土壤重金屬吸附解吸的影響

3.1 根系分泌物對土壤重金屬吸附的影響

根系分泌物對土壤重金屬吸附的影響因植物、根系分泌物的來源、土壤以及重金屬的不同而呈現不同的影響。

(1)根系分泌物對土壤吸附重金屬具有促進作用。林琦研究發現，小麥根系分泌物能使紅壤對Cd、Pb的吸附量增加，其中對Pb的吸附量增長了12%～21%，對Cd的吸附量增長了66%～102%[17]。陳俊任發現毛竹根系分泌物混合酸的加入促進了土壤對Pb、Cd的吸附，與對照組相比，土壤最大吸附量分別增大了75.16%、10.57%；其中Pb的吸附量明顯增大，最大吸附量達到9283.021 mg/kg[5]。

(2)根系分泌物對土壤吸附重金屬存在抑制作用。在土壤中加入毛竹根系分泌物混合酸，發現土壤對Cu、Zn的吸附作用受到抑制。添加混合酸后，Zn、Cu土壤最大吸附量分別為2025.112 mg/kg、2863.896 mg/kg，與對照處理相比較，Zn、Cu吸附量分別降低了9.83%、32.76%[5]。喬冬梅等人研究發現，外源有機酸的加入對土壤Pb的吸附存在影響。在不同有機酸作用下，土壤對Pb的吸附量均小于對照組。其中EDTA的作用最為顯著，且Pb的活化效果較為明顯[15]。

(3)根系分泌物對土壤重金屬吸附的影響與濃度有關。王金貴發現，根系分泌物有機酸在低濃度時對土壤吸附Cd具有促進作用，而在高濃度時則對土壤吸附Cd具有抑制作用。低濃度檸檬酸(0～0.5 mmol/L)使紅壤對Cd的吸附率從64.47%增加至67.98%；檸檬酸濃度的增加(0.5～5 mmol/L)使紅壤對Cd的吸附率從67.98%降低至27.75%[18]。

(4)根系分泌物對土壤吸附重金屬的影響作用不顯著。吳龍華等研究發現施加外源草酸、檸檬酸或蘋果酸，對土壤溶液Cu形態及Cu的吸收無顯著影響，其原因可能是處理6 d后草酸、檸檬酸或蘋果酸被分解，而對土壤溶液中Cu濃度變化無明顯影響[19]。

3.2 根系分泌物對土壤重金屬解吸的影響

根系分泌物對土壤重金屬解吸也因植物根系分泌物、土壤以及重金屬的不同而表現不同。

(1)根系分泌物對土壤重金屬的解吸具有促進作用。侯蕓蕓發現藨草根系分泌物能夠促進土壤中Pb的溶解。在Pb單一污染的土壤中，解吸率為3.67%～72.10%。藨草分泌的有機酸(組成為檸檬酸65%、琥珀酸25%、戊二酸10%)濃度從0 g/L增加至50 g/L時，Pb的解吸率增加[20]。覃蔡清研究表明，外源有機酸可促進土壤對Hg的解吸。相比于對照組，加入外源有機酸后，活性態Hg(RHg)、浸提液中總Hg(THg)的含量都增加，其中，檸檬酸組的增加量最多。對照組浸取土壤120 min，THg 和 RHg 的含量達到最大值，分別為33.64 ng/L和10.39 ng/L。8 mmol/L檸檬酸處理，THg和RHg含量的最大值出現時間提早，分別為80 ng/L和19 ng/L[21]。

(2)根系分泌物對土壤重金屬的解吸與濃度密切相關。根系分泌物有機酸在低濃度時對土壤重金屬解吸具有抑制作用，在高濃度時則呈現相反的效果。樓玉蘭發現外源蘋果酸在低濃度條件下(1～3 mmol/L)對土壤中Cu和Zn的解吸表現為抑制作用，然而在高濃度條件下(50和100 mmol/L)則可明顯提高Cu、Zn的提取率，增加Cu和Zn的解吸[22]。何沅潔研究表明，較高濃度的有機酸，對土壤Pb的解吸具有促進作用，而較低濃度的有機酸則對土壤Pb的解吸具有抑制作用[23]。這與根系分泌物對土壤重金屬吸附影響的濃度效應相吻合。

(3)根系分泌物對土壤重金屬解吸的影響作用不顯著。小麥根系分泌物對Pb、Cd的解吸沒有影響。原因可能在于根系分泌物的溶解作用與其成分及絡合的重金屬的性質等有關[17]。

4 根系分泌物影響土壤重金屬吸附解吸的機制

根系分泌物影響土壤重金屬吸附解吸的機制復雜，主要如下。

4.1 根系分泌物、土壤、重金屬間的相互作用

徐仁扣等發現有機酸主要通過兩種機制增加土壤對Cu的吸附量，一種機制是形成“土壤-有機酸-銅”三元表面絡合物。具有3個或3個以上的活性官能團的有機酸可以通過形成“土壤有機酸-鋁”三元表面配合物，增加了對鋁離子的吸附。二是通過增多土壤的表面凈負電荷、增加靜電吸附的Cu。具有兩個活性官能團的有機酸，如丙二酸、乳酸等，通過改變土壤表面負電荷來影響鋁的吸附[24,25]。

根系分泌物中的有機酸，一方面能有效活化土壤重金屬，改變重金屬形態，促進重金屬與有機酸結合；另一方面它可以通過配位交換作用等化學反應，使部分難溶性重金屬溶解和轉化，從而增加土壤重金屬的生物有效性[26]。涂書新等人發現草酸可通過配位交換作用溶解Al和Fe氧化物表面，及與Al和Fe離子形成復合物，從而影響P的土壤化學及吸附性質，并提高土壤P的有效性。根系分泌物中草酸的含量與釋K量有顯著的相關關系[27]。

4.2 有機配體作用

羅洪亮[28]等人在研究有機酸對土壤吸附Cu的影響中發現，土壤重金屬的吸附受有機配體的影響。有機配體對Cu離子吸附的影響，取決于吸附在土壤表面的有機配體與保留在溶液中的有機配體競爭溶液中Cu2+的結果。當體系中加入的有機配體成為固相的一部分時，將促進Cu的吸附，而當加入的有機配體成為液相的一部分時，將抑制Cu的吸附，植物根系分泌物中的有機酸就是一種重要的有機配體。土壤中有機配體溶度較低時，有機酸的加入基本被土壤表面所吸附。土壤表面重金屬吸附位點的增加提高了土壤表面負電荷的數量，從而達到促進重金屬吸附，抑制重金屬解吸的效果。提高有機酸的濃度，土壤溶液中的有機配體濃度也會增加，土壤溶液中的有機配體和重金屬會共同競爭土壤表面的吸附點位，且有機配體絡合重金屬的能力大于土壤對重金屬的吸附能力，因而最終表現為抑制土壤對重金屬的吸附作用，而促進重金屬的解吸作用[18，21，28]。

4.3 pH值變化

pH值的升高、降低也能影響土壤重金屬的吸附解吸。在酸性環境中，pH值增大，吸附量也隨之顯著增加；而在中、堿性環境中時，吸附量基本穩定[15]。樓玉蘭[22]、盧豪良[26]、謝丹[29]等人研究發現，土壤中的有機質、Fe、鋁氧化物帶可變電荷，pH升高使可變負電荷增加，重金屬陽離子的靜電吸附量隨之增加。重金屬離子也可以吸附在土壤有機質、Fe和鋁氧化物上，對土壤重金屬的吸附、土壤重金屬的解吸分別起到抑制和促進的作用。pH降低，鐵鋁氧化物溶解放出部分專性吸附的重金屬，促進土壤重金屬的解吸，抑制重金屬的吸附。

5 根系分泌物影響土壤重金屬吸附解吸對植物積累重金屬的意義

5.1 促進超富集植物的重金屬吸收效率

超積累植物能高效富集重金屬，其根系能夠增加土壤重金屬的游離態，促進植物吸收積累重金屬，對改善土壤重金屬的污染狀況具有重要意義。喬冬梅研究發現，在不同的Pb2+濃度條件下，富集植物黑麥草分泌的有機酸能調節根際微環境，吸收積累Pb2+。在不同有機酸作用下，所有處理的土壤對Pb吸附量均較對照組有所減少，而解吸量則較對照組高。有機酸增加土壤重金屬活性，使土壤對Pb的吸附量降低，促進超富集植物吸收重金屬。在此研究基礎上，添加外源有機酸，結果表明，與對照組相比，不同有機酸處理后黑麥草對Pb的吸收升高，說明有機酸能提高土壤中重金屬的活性，促進黑麥草對Pb的吸收。其中丙二酸和冰乙酸的作用效果較為明顯[15]。秦麗研究發現，續斷菊根系分泌物中主要含有草酸、檸檬酸等6 種低分子量有機酸，其中草酸含量最高。在此研究上，通過添加外源草酸，與對照處理比較發現，隨著草酸濃度的增加，續斷菊地上部和根部Cd的含量也隨之增加。地上部Cd含量分別增加了9.8%、10.9%、23.9%和66.4%；根部Cd含量分別比對照增加了42.1%、48.7%、66.9%和71.6%。草酸具有較強的活化土壤中Cd的能力，能夠增加土壤中具有活性的可交換態Cd的含量，從而抑制土壤對Cd的吸附，促進續斷菊對Cd的吸收[16]。可見關于根系分泌物對土壤重金屬的吸附解吸影響研究，能夠提高超富集植物對重金屬的吸收效率，減輕土壤重金屬的污染。

5.2 降低植物對重金屬的吸收積累

土壤中的重金屬不易被降解、去除，易通過食物鏈威脅人類健康。研究發現玉米根系分泌物能降低玉米對重金屬的吸收積累，玉米根系分泌物中有含有草酸、檸檬酸等5 種低分子量有機酸，其中草酸含量較多，占有機酸總量的53.2%。草酸能夠使土壤重金屬的形態發生改變，影響土壤對Cd、Pb吸附解吸，從而影響玉米體內Cd、Pb的含量。在此基礎上，施加外源草酸，玉米地上部 Cd含量降低，且隨著草酸處理濃度(5、10、20、40 mg/kg)的增加，地上部Cd含量呈下降的趨勢，40 mg/kg草酸處理時玉米地上部Cd含量最低，為0.79 mg/kg，比對照顯著降低了16.2%。而玉米地上部和地下部Pb含量均低于對照，分別比對照降低了60.8%和31.3%，同樣也隨著草酸處理濃度的增加而下降[16]。由此可見根系分泌物對土壤重金屬吸附解吸的影響研究，也有助于減少植物對重金屬的吸收積累、降低農產品的重金屬含量、保障食品安全。