鎘污染土壤的微生物-植物協同修復研究進展*

石 浩,彭安安,余春沐

（佛山科學技術學院環境與化學工程學院，廣東 佛山 528000）

我國土壤污染總體形勢嚴峻,2014年發布的 《全國土壤污染狀況調查公報》顯示,全國耕地土壤點位超標率為19.4%,其中,鎘(Cd）污染物點位超標率竟達到7.0%[1-2]。據不完全統計,我國農田Cd污染面積已達2萬hm2,Cd含量超標的農產品年產量達14.6億kg[3],其中稻米中Cd的超標比例高達10.0%,且有日益加重的趨勢[4],給居民健康與生態環境帶來極大危害。國內外研究者針對土壤Cd污染的修復進行諸多嘗試,如客土法、玻璃化法、電動修復法等。這些方法都不同程度地存在著操作費用高、易導致土壤退化、產生二次污染、破壞土壤生物多樣性等缺點,因而不適合大范圍使用,尤其不適合農業用地使用[5-6]。植物修復-微生物協同修復作為一種相對簡單、經濟、有效且環境友好的土壤重金屬污染生物修復方法,極具發展前景。本文就近年來國內外在植物-微生物協同修復Cd污染土壤方面的研究現狀進行綜述。

1 鎘污染的微生物-植物協同修復機理

微生物-植物協同修復是利用植物及與其相關微生物的作用來去除、轉移或者穩定重金屬,從而降低土壤中的重金屬的濃度或者毒性的過程。鎘是一種非必需的劇毒重金屬,具有較長的生物半衰期,對大多數生物都有危害。Cd積累在植物體內可以減少植物葉綠素含量、抑制植物光合作用,誘導增加活性氧(ROS）的形成,導致細胞膜和其他生物分子的氧化損傷,從而抑制植物的生長,影響植物的形態及生理生化代謝過程[7-8]。植物長時間暴露于Cd環境中會表現出生長遲緩,根的伸長和芽的生長的受到抑制,葉片萎黃凋落等。重金屬超累積植物則能夠通過排斥吸收、主動分泌、限制金屬在敏感組織中的分布、限制金屬與細胞壁的結合、增強有機分子的螯合作用和液泡的分隔作用等不同的機制來抵抗Cd脅迫,使其能在高度Cd污染的土壤中生長,并且其體內Cd積累濃度能10～500倍于普通植物[7-8]。基于超累積植物的植物修復法,可通過移除并集中處理超累積植物的可收割部分,實現達到降低土壤重金屬濃度的目的,Pilon-Smits認為這是一種 “經濟的、非侵入性”的方法[9]。

我國一些Cd超積累植物種類資源相繼被發現和報道,如寶山堇菜(Viola baoshanensis）；龍葵(Solanum nigrumL.）；球果薄菜(Rorippa globosa）；伴礦景天(Sedum plumbizincicola）；東南景天(Sedum alfrediiH）等[10]。然而這些超積累植物通常生物量低、生長緩慢、修復周期長,從土壤中吸取Cd受到鎘的生物可利用度,土壤pH值,植物的生長階段等多種的因素限制[11]。

植物的生長及其根際與內生的微生物關系十分密切。鎘脅迫可以影響土壤微生物微量金屬元素的攝取、酶活性、蛋白質合成、DNA復制和細胞分裂等,進而影響土壤微生物的生存和群落結構。然而,作為地球生物化學循環的重要驅動者,許多微生物進化出忍受高Cd2+濃度的能力。這些微生物與Cd具有很強的親合性,通過吸附、沉淀、氧化還原作用,可以降低土壤中Cd的毒性[12],與植物共生的微生物還有可能將積累的Cd轉移到高等植物中。

研究表明,即使在高濃度的Cd環境下,抗Cd的植物促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR）也能生長和產生吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA）,IAA對植物細胞分裂分化十分重要,能促進植物生長,進而促進植物產生更大的生物量和更好的Cd吸收效果。印度梨形孢(Piriformospora indica）在紫花苜蓿根部定殖時,會分IAA,增加植物產量；P.indica的有效定殖能提高根際微生物活性,并使根部Cd含量增加17.92%～38.55%,地上部分Cd含量減少8.87%～33.16%[13]。Prapagdee B等[14]的研究則發現,向日葵幼苗在濃度分別為0,25,50和75 mg/L的Cd環境下,接種抗Cd的植物促生菌Micrococcus sp.MU1時幼苗根增加長度分別為26%,32%,37%和23%,而接種植物促生菌Klebsiella sp.BAM1的幼苗根增加長度分別為68%,43%,40%和21%。劉莉華[15]以龍葵為實驗植株,分別接種兩株具有較強Cd耐受能力的奇異變形桿菌Proteus mirabilisTL3和Proteus mirabilisDBS2后,龍葵根部Cd含量分別比對照組增加了17.2%和85.6%,且兩菌株均能促進植株生長。

表1 微生物強化植物修復功能研究的實例Table 1 Recent examples of phytoremediation promoted by microbe

2 叢枝菌根真菌-植物協同修復

菌根是土壤中真菌與高等植物營養根系形成的一種聯合體,具有降解污染的能力。其中叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）不僅能提供土壤和植物根系之間的直接聯系,并能夠影響植物對礦物質的吸收,受到了大批研究者的青睞。

不同的菌種作用于不同的植物,作用原理不一樣,作用效果也會不一樣。部分AMF與高等植物根系的相互繁殖,使得AMF菌絲和植物根系的細胞壁滯留下Cd,增強植物對Cd毒性的耐受能力；AMF還具有很強的酸溶和酶解能力,可利用有機酸降低pH值及與Cd結合,達到富集Cd的效果。Hu J在黑麥草(Lolium perenneL.）上接種兩種 AMF菌株Glomus caladium90036(Gc）和Glomus mosseaeM47v(Gm）,發現Gc和 Gm均降低了土壤有效Cd含量21%～38%(P＜0.05）,而接種Gc的東南景天(Sedum alfrediiHance）的Cd的植物提取效率也得到顯著提升[21]。賀章咪等[22]以納米氫氧化鎂(n Mg）為化學鈍化劑、套種Cd富集植物黑麥草、(Lolium multiflorumL.）并接種AMF微生物聯合修復菜園土壤Cd污染,AMF菌種分別為摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae）和幼套近明球囊霉(Claroideoglomus etunicatum）。實驗結果表明:與對照相比,n Mg、n Mg+AMF、n Mg+黑麥草和n Mg+AMF+黑麥草4個處理都能降低蘿卜根和地上部Cd含量,分別降低了32.5%～41.4%和13.7%～17.4%；土壤全Cd含量明顯降低,降幅為7.3%～17.1%。

而有些真菌則能降低植株對重金屬的吸收。羅方舟通過盆栽實驗,研究在土壤不同 Cd添加水平(0、2、10 mg/kg）下,接種叢枝菌根真菌摩西球囊霉(Glomus mosseae,GM）,研究其對旱稻(Oryza SativaL.）生長、Cd吸收累積和根際土壤酶(脲酶和蔗糖酶）活性的影響。研究發現,接種GM菌能同時降低旱稻對Cd的富集和轉運能力,從而顯著降低其各部分尤其是籽粒中的 Cd含量,降低了26.8%～57.1%[23]。Li H等[24]通過使水稻(Oryza sativaL.）與兩種 AMFRhizophagus intraradices(RI）和Funneliformis mosseae(FM）共生,發現AMF與水稻共生可以使植株地上部和根系的Cd濃度顯著降低,而且在高Cd底物(≥0.05 mm）上的AMF定殖能降低在植株嫩枝和根部中無機態和水溶性態Cd的濃度和比例,這表明AMF可以將Cd轉化為毒性較小的不活躍形式來增強水稻抗鎘的能力。

不同的AMF接種到不同的植株,對植株的Cd植物提取效率影響不同。這樣會產生兩種AMF-植物協同修復方法:一種是AMF促進植株吸收Cd,使得土壤有效Cd含量降低,從而使污染土壤能夠重新進行耕作和生產；另一種是在Cd污染土壤上種植對Cd低吸收的農作物,接種AMF增強農作物對吸收Cd的抑制作用,減少Cd在此類農作物中的積累。無論是增強還是減弱,AMF-植物協同修復方法都是我們修復重金屬Cd污染土壤的重要方法之一。

3 根瘤菌-植物協同修復

根瘤菌主要指與豆類作物根部共生形成根瘤并能固氮的桿狀細菌,其和豆科植物之間互惠共生固氮,是一類重要的微生物。研究發現根瘤菌也有活化土壤中Cd的作用；根瘤菌莢膜外脂多糖能促進金屬元素的離子化,金屬元素離子化后其生物可利用性會被提升,易被植物富集吸收。婁晨用紫花苜蓿—根瘤菌共生體系來修復鎘污染土壤,發現中華根瘤菌CCNWSX002與紫花苜蓿共生結瘤后,根瘤內可以大量積累Cd,使得接菌后紫花苜蓿地下部分富集Cd的能力顯著提高[25]。陳雯莉等[26]在紅壤和褐土中接種根瘤菌后,發現專性吸附態和氧化錳結合態的Cd含量降低了1～1.5 mg/kg,交換態和有機結合態的Cd含量增加了0.4～0.5 mg/kg。在Cd污染土壤中,接種根瘤菌Rhizobium radiobacterHZ6、Mesorhizobium lotiHZ76及根瘤內生細菌Herbaspirillum chlorophenolicumHZ10的刺槐(Robinia pseudoacacia Lin）幼苗,其抗氧化酶系統中的過氧化物酶Peroxidase(POD）和過氧化氫酶catalase(CAT）活性增強,而丙二醛Malondialdehyde(MDA）含量的降低,能減弱Cd對植物膜系統的損傷,起到保護植物、提高植物抗性作用；且HZ76、HZ10+HZ76、HZ6+HZ10+HZ76處理的結瘤數量顯著增加,為不接菌處理的3.86、4.85、4.14倍；刺槐的株高、根長,地上與地下干重、氨態氮、硝態氮及葉綠素含量整體呈現增加趨勢[27]。Sriprang等[28]通過重組將編碼植物鰲合肽的基因轉入華庫根瘤菌株Mesorhizobium huakuii subsp rengeiB3中,重組華庫根瘤菌株在離體單獨培養時與對照相比Cd2+的吸收增加了9～19倍,當將其接種到擬南芥(Arabidopsis sinicus）上形成共生體后,根瘤中Cd的含量增加1.5倍。

4 內生菌-植物協同修復

植物內生細菌是指從表面消毒的植物組織中分離得到或從植物內部獲得的、能夠定殖在健康植物的各種組織和器官內,并未使植物的表型特征和功能發生改變的細菌。植物內生菌包括內生真菌、內生細菌和內生放線菌等,而內生菌系統分布在植物體根、莖、葉、花、果實和種子等器官、組織的細胞或細胞間隙等多處。從龍葵中分離出來的內生菌具有提高植物重金屬修復能力的巨大潛力:在龍葵的根、莖、葉中曹喆等[29]發現了7株耐Cd毒性,可吸收Cd的芽孢桿菌(Bacillussp.）,分別命名為 SDE01-07,其中SDE06在初始Cd2+濃度為20 mg/L、pH 6.0、溫度37℃下,培養36 h,對Cd2+的去除率達80.2%；Luo[30]采用栽培相關技術,從龍葵根、莖和葉中分離出四類耐Cd細菌內生菌Actinobacteria,Proteobacteria,Bacteroidetes和Firmicutes,分離物在Cd脅迫下,根系干重從55%增加到143%,地上干重從64%增加到100%,能抑制Cd的植物毒性,而且接種植株后,龍葵根部的Cd累積量從66%增加到135%,地上部分積累量也從22%增加到64%；Guo H等[31]從龍葵中分離出的內生枯草桿菌(Bacillussp.）菌株L14,在重金屬毒性的刺激下,其ATP酶(adenosine triphosphatase）異常活性增強,能夠通過輸出陽離子提供能量,幫助EB L14降低Cd的毒性,使其對Cd2+的吸收率達到75.78%。接種內生菌后的植物能通過增強吸收植物示蹤元素鋅和鐵來降低Cd的毒性,增強植株在高濃度Cd環境下的存活能力,提高植物Cd修復能力。Mastretta等[32]從煙草種子中分離出的具有Cd抗性內生菌Burkholderiasp.strain Ps JN.,研究發現與未接種的植物相比,接種內生菌對植物的生長有積極影響,可提高植株在Cd脅迫條件下的生物產量；Chen L等[33]把功能內生假單胞菌Pseudomonassp.LK9接種到超積累植物龍葵上,研究發現LK9能改善土壤鐵磷礦質營養供應,提高土壤重金屬有效性,影響宿主介導的低分子量有機酸的分泌,與未接種對照相比,龍葵莖干生物量增加14%,龍葵中Cd總量提高46.6%,Cd的植物提取率達到17.4%。內生菌在促進植物生長的同時也改善植物對礦物質的利用率,從而達到與植物聯合修復Cd污染問題的目的。接種內生菌后,內生菌能富集并積累一定量的重金屬,減輕重金屬對植物的毒性。Keren W發現一種新的內生細菌Buttiauxellasp.SaSR13,能成功地在植物長根期和成熟期內定殖。在Cd處理過的超積累植物東南景天植株上接種SaSR13后,其地上部和根部生物量分別提高39%和42%,Cd含量分別減少32%和22%,植株葉綠素含量增加38%；接種后東南景天中吲哚-3-乙酸濃度的增加,超氧陰離子(O2-）濃度的下降；此外接種SaSR13可促進東南景天根的發育長度,促進根系分泌物特別是蘋果酸和草酸的釋放,促進植株對Cd的吸收[34]。

5 研究展望

近年來,重金屬污染物、微生物和植物之間的相互作用已經引起人們關注。植物-微生物協同修復就是將植物和與其相關的微生物綜合考慮,充分發揮各自的優勢,直接或間接地吸收、轉化土壤中的重金屬元素。植物的生長對周圍環境會產生一定的影響,其根系為微生物提供了更好的營養條件,保證微生物群數量和活性,維持良好的生存環境和微生物群落多樣性；反過來旺盛生長的根際微生物會通過分泌更多的有機酸、鐵載體、生物表面活性劑等方式來提高根際環境中重金屬Cd的生物有效性,從而提高植物修復的效率[35],這種協同修復較于單一超富集植物修復,效果更顯著,是未來的重要發展方向。但目前的研究更多停留在對修復效果的關注上,而對于植物-微生物之間的相互影響和相互作用的分子機制還有待進一步研究。同時,如何構建微生物和植物的重金屬污染高效修復模式,最大程度縮減進程,提高修復效率,降低修復成本,以及如何處置重金屬富集后的植物等問題還有待我們進一步探討。