微生物聯合植物修復土壤重金屬研究現狀

萬家秀，張永合，王 瑾，陳 臻

（蘭州資源環境職業技術大學，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，存在較明顯生態毒性的物質主要是Hg、Cd、Cr、Pb等，及對生態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，經過不同途徑輸入土壤的現象，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環境質量下降直至惡化。

土壤是人類賴以生存和發展的物質基礎，隨著人類工業的進步，土壤污染問題也日益嚴重。土壤的污染特點為停滯性、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問題已經迫在眉睫，在調查的6 300 000km2土壤面積中的超標率高達16.1%。其中以無機型環境污染居多，其超標點位數量占到了所有超標點位的82.8%，其次是有機型環境污染，而相對占比小的則為復合型污染物[1]。我國因土壤污染造成的經濟損失每年可高達數億元人民幣，而且也會隨著生物富集作用嚴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，已成為當務之急。

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，進入地下水，形成重金屬污染；第二，暴露于環境中已經被重金屬污染的土壤，直接或間接地以土壤粒等形態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。還有一些環境添加劑等，都會提高土壤生物對重金屬的可利用度，進而導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-微生物共同修復重金屬污染的土壤

微生物修復重金屬污染的土壤通常是利用微生物的代謝過程進行轉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。一般可通過細菌﹑藻類和酵母菌等，可以減弱或去除重金屬的污染。實際上細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或物理功能實現了轉化，進而影響重金屬在周圍環境中的移動與轉化。而微生物對重金屬修復機制可以總結為生物吸附、細胞代謝﹑空泡吞飲、氧化還原過程和對表面生物的吸收轉移等。并且微生物的生化反應產物在水解和沉降，生物吸收、富集、氧化還原的過程中，對環境中的重金屬的生態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境中的表面帶電荷的微生物細菌所吸收，為了吸收必需的營養元素，在細菌表層或內部不斷地吸附重金屬離子，使之達到聚集狀態，以此實現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，不同價態重金屬的溶解程度存在一定的差別，通常高價態的溶解程度很低，遷移困難，而低價態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，并以此促進植株的生長發育。其從植株根部所吸收的有機酸，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。

2.4 植物的重金屬抗性

李婷等[3]認為生物體長時間生長在高濃度重金屬環境中后，有機體的生長代謝過程和防護體系都會作出反應，而有機體會經過相應的調節、平衡體內重金屬濃度，在其中體現出了直接抵抗和間接抵抗。植物主要是利用轉運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從而降低重金屬的吸收量。植物還會在細胞壁或者液泡中儲存大量的重金屬來降低重金屬對機體的損傷。同時植物還會自主地把重金屬從生態系統內清除，而在生物體內的重金屬則和其他的化學物質融合從而減少毒害。除此之外，有科學資料證實，植物體抗氧化基因的表達也間接地抵御了環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。而通過微生物聯合植物治理重金屬污染物，就會同時具備微生物、植物修復兩者共同的優點。微生物聯合植物修復技術是利用微生物、植物二者通過直接或間接地轉移并吸附在土壤中的重金屬單質，進而使土壤中有害重金屬含量和毒害效應減少的技術。已有研究表明[4]，通過根際微生物生長與根共同生長產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，降低了土地自然環境中的重金屬。

3 植物與微生物聯合修復機制與應用

3.1 菌植物-微生物聯合修復機制

目前，微生物與植株的聯合抗性研究對象多為根際細菌和植株以及內生菌之間的協同作用，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生的有機質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的促進生長效果以及植株對環境中重金屬敏感性的增加。而與PGPR有相似性的內生菌，在對提高植株生長發育速度和降低重金屬對植株產生的有害效果上都有著巨大的作用，這便是最近出現的植物-土壤內生菌修復技術。曾有科學研究表明從Cd超積累植物龍葵中分離出了沙雷氏細菌LRE07，這種細菌對Cd具有強烈的抵抗力，并且可以很高效地吸附Cd和Zn從而解毒。而且，內生細菌可以通過形成植株生長素、鐵載體和溶解無機磷酸鹽來促進植株的繁殖。但是由于對該種技術的研究尚且并不清晰，對其抗性機制和多菌群的相互作用機制方面也是知之甚少。

目前已在物質層次上發現的微生物-植物修復機理的有以下四類：①增強了植物吸附重金屬的功能。微生物通過促進生長植株，提高了植株自身釋放生長激素的基因表達來促使植株生長發育，特別是在植株根部；②微生物通過促使植株生長增強抗氧化的功能，比如細菌通過促使植株生長提高了谷胱甘肽代謝的關鍵基因表達；③微生物通過促使植株生長的營養物質轉運至和能量相關的基因，并以此來促進植株把周圍環境的重金屬轉運至非敏感區域；④生物提高了植株的與解毒能力相關的基因上調。

3.2 植物-微生物修復技術與應用

由于植物細胞與單一抗性菌株融合后的修復方式在機制研究方面也比較完善，故現階段使用得較多。其中PGPR為常見的抗性菌株，在增強植株對重金屬的抵抗力方面具有明顯促進作用。另外，內生菌群的輔助功能方面也顯示出了其優越性，但對于內生菌的共同作用機理尚不清晰，控制過程較難，實踐經驗較少，且環境對其效果影響較大，因此使用得較少，但是具備開發的潛力。

3.2.1 內生菌-植物聯合修復

植株內生菌就是寄生在植株組織細胞中的細胞間隙的菌或細胞，出現于植株發育的某個時期或整個過程[5]。內生菌具有分泌脫氫酶、脫羧酶和植物素的特點，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合產生的一個內生菌根。這種內生菌根，可以通過提高營養成分促使植物繁殖，同時對植物吸收和積累在環境中的重金屬物質都有潛在的風險。有研究發現[7]，叢枝菌根的根外菌絲可以吸收周圍環境中的多種有機重金屬離子，極大減少其濃度，且對真菌和植物體內重金屬離子的分配都有很重要的影響。

3.2.2 根瘤菌-植物聯合修復

固氮菌和豆類植物利用共生系統可以固定空氣中的N2，而根瘤菌也可以利用固氮、溶解白磷、生成植物素、釋放鐵載體等加強豆科植物生長發育的限度增強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。共生系統此外，通過直接沉淀、轉化、吸附重金屬，以減少重金屬含量。已有研究[8]發現天藍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，固相中融合態的鋅數量可以減少10%。在專性吸附狀態中、氧化錳融合態中和金屬有機融合態中，鋅的數量可以降低高達9%~26%[9]。微生物聯用的研究不但從一定意義上增強了重金屬的吸收作用，而且彌補了兩者修復技術的不足，兼具了兩者修復的優點。

4 展望

面對日趨嚴重的重金屬污染，微生物聯合植物修復法是一種成本低廉綠色環保的有效方法。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安全。

但是這種技術也有很多局限性：首先這項技術還沒有得到發展，大部分都處在基礎實驗中，還無法確定其是否會有生物風險；這種技術的前期研究和后期評估的成本較大，存在相當的風險，且存在很大的技術難度。因此可以認為，未來的研究方向可以關注以下幾個方面：在嚴重污染環境中可以發現更多的原位生物抗性資源和組合模式，污染范圍內有豐富的細菌和植株的共生系統，因此有助于挖掘更廣泛的生態復原研究技術；繼續研究植物-微生物之間的作用機理，可以利用現在的分子組學的技術，從中發掘微生物潛在抗性基因，從分子領域開展研究；通過大量的實驗獲得有說服力的普遍規律，并將其發展成能夠定量分析的參數，以在實際應用上發揮更大的作用并防止發生事故。