植物联合固氮菌修复土壤重金属污染的研究进展

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　　摘要 近年来，由于工业和农业的高速发展，土壤重金属污染越来越严重，给动植物生长和人类生产生活产生了极大影响。生物修复技术作为一种低影响、高效益的修复方法，包括植物修复、动物修复和微生物修复，植物联合固氮菌的修复方法属生物修复中较为新型的一种技术手段。本文在概述了土壤重金属污染特点、来源、危害以及对传统修复技术评价的基础上，阐述了植物联合固氮菌修复土壤重金属污染的研究进展以及展望，以期为土壤重金属修复方法的研究提供参考。
　　 关键词 植物;固氮菌;土壤重金属污染;植物修复
　　 中图分类号 X53
　　 文献标识码 A
　　 文章编号 1007-5739（2019）08-0180-04
　　 土壤重金属污染是指重金属或其化合物通过各种途径进入土壤并且其含量超过了土壤自净能力而造成的污染"，重金属是指密度≥5g/cm3的金属，包括铬（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、锡（Sn）等，砷（As）、锑（Sb）、硒（Se）虽不属于重金属，但因其来源以及危害都与重金属相似，故通常列人重金属类进行研究讨论2-31。近年来，工业上的采矿、冶炼、电镀、化工等产生的“三废”以及农业，上污灌、农药化肥的不合理施用等造成我国大面积耕地土壤遭受重金属污染。这种污染不仅影响农作物生产，而且也影响大气和水环境质量，甚至通过食物链危害人类的健康。不仅在我国，全世界范围内土壤重金属污染也依旧是一个严峻的问题，并且随着工业化的不断发展和自然界生物的循环，该问题会变得越来越严重"，目前，土壤重金属污染修复技术众多，植物联合固氮菌修复土壤重金属污染不仅可以高效利用生物资源，而且可以起到作物增产和降低土壤重金属污染的双重效果，是一种绿色、低碳、环保并极具发展和应用前景的土壤修复技术。
　　 1土壤重金属污染的特点、来源及危害
　　 1.1土壤重金属污染的特点
　　 土壤重金属污染由于其自身所具有的3个特点使其在众多土壤污染中处于重要位置。一是复杂性。土壤中的重金属离子形态变换较为复杂，多为过渡元素，有较多的价态变化，如土壤中的砷（As）以三价的亚砷酸盐（AsO2）和五价的砷酸盐（AsO3-）形态存在，土壤中的铬（Cr）通常是以Cr（VI）和Cr（II）2种价态存在，土壤环境的pH值和配位体的不同会使土壤中的重金属离子呈现出不同的价态、化合态和结合态，根据重金属在土壤中的存在形态可将其分为有机结合态残留态、碳酸盐结合态和可交换态等，而重金属的毒性大小与其价态和化合物的种类密切相关，有机态比无机态的毒性更大，不同价态的重金属离子毒性不同，如As（II）的毒性远大于As（V），而Cr（VI）的毒性比Cr（II）大。二是隐蔽性。土壤中的重金属大多数以化合物、聚合物等形式存在，不易被察觉，必须要利用一定的检测技术才能测定其存在。三是长期稳定性。重金属离子进人土壤之后，通过物理、化学和生物等作用转变为较稳定的状态，一般情况下不会降解和消除，最多只能发生形态的变化，土壤污染相对于大气污染和水体污染来说，比较固定，流动性很小，扩散速度较慢，如果不及时处理，会长期存在于土壤中心。
　　 1.2土壤重金属的来源
　　 土壤中重金属的来源主要有2个方面：一方面是自然因素，主要指矿物的风化、侵蚀和火山活动等;另一方面是人类活动，这是造成土壤重金属污染的最主要原因，主要包括工业上矿山开采、礦石冶炼、电镀等过程中产生的富含重金属的废水、废气、废渣等，煤和石油等能源物质燃烧所释放的大量含重金属的有害气体和粉尘等，农业上杀虫剂等农药和磷酸盐类化肥的过度使用、农业污水的灌溉，城市生活中含铅（Pb）汽油的燃烧、汽车的粉尘燃料与润滑油的泄漏、城市生活污水排放等。在这些原因中，以工业来源与农业来源污染对土壤的影响最为严重。
　　 1.3土壤重金属的危害
　　 当重金属离子富集超过土壤自净能力的时候，会对土壤的结构与功能、农作物的正常生长及人民生命安全产生较大威胁。重金属离子可与土壤中的水羟基、氨以及一些有机质中的某些分子形成螯合物，并在土壤中迁移转化，被植物或微生物吸收利用。重金属离子的富集会导致土壤中微生物的生物量降低、土壤微生物呼吸作用受到抑制、土壤中各种酶的活性降低、土壤微生物群落结构被改变，继而造成土壤肥力的下降，农作物减产甚至绝收问。土壞重金属离子也可以通过食物链的生物放大作用，成千百倍地富集，最终进入人体，导致各种急性或者慢性疾病，如慢性中毒致癌和致畸等。
　　 2传统土壤重金属污染修复技术及评价
　　 2.1物理修复方法
　　 物理修复方法包括客土法、深耕翻土、电动修复、电热修复、隔离法、淋滤法热处理法、电化学法、吸附固定法等。该方法虽然在一定程度上对重金属污染起到了控制作用，但是同时也面临着成本高、费时费力、不适于大面积应用的困境。
　　 2.2化学修复方法
　　 化学修复方法包括通过向土壤施用改良剂（如石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐）和促进还原作用的有机物质，将重金属吸附、氧化还原、拮抗或沉淀，降低重金属的生物有效性"。该方法虽然减少了对植物的危害，并阻断了其在食物链中的传递，但只改变了重金属在土壤中的存在形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化而危害植物，破坏土壤物理、化学和生物特性，带来二次污染。
　　 3植物修复策略
　　 植物修复是指利用植物来降解或去除污染土壤中的毒性物质。植物修复的策略包括植物萃取、植物过滤、植物固定、植物挥发和植物降解5个方面。
　　 植物萃取指利用超积累植物从土壤中吸收重金属或有机毒物，并将其转运和储存到该植株的可收割部分，从而达到降低或去除土壤重金属污染的目的。
　　 植物过滤指利用植物根部或种苗从污水中吸收、沉淀、富集重金属或其他污染物。 　　 植物固定指通过植物将重金属吸附、沉淀或络合在根部，阻止重金属的迁移和向地下水的扩散，通过降低重金属生物活性，从而减少重金属的毒害作用或者通过促进土壤中重金属离子发生价态和形态的改变，转变为低毒形态，进而防止其进人地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的危害4。
　　 植物挥发指利用植物吸收：土壤中的污染物并将其转化为可挥发的物质释放到大气中。这种方法只限于具有挥发性的污染物，应用范围较小，同时该方法仅仅是将污染物从土壤转移到大气，对生态环境仍有一定影响，是最具争议的植物修复策略5。目前这方面研究最多的是汞（Hg）和硒（Se）。例如细菌的汞（Hg）还原酶，能够在拟南芥体内将含汞（Hg）的污染物转化为可挥发的汞（Hg）元素。微生物和藻类也可以吸收硒（Se），并将其转化为二甲基硒挥发到大气中心。
　　 植物降解是指植物利用酶（如脱卤素酶和过氧化物酶等）降解有机污染物，这种机制只限于有机污染物的去除，基于土壤一微生物一植物的共存关系，植物可利用根际微生物分解土壤中的有机污染物，植物修复与微生物修复技术可优势互补，提高土壤中重金属污染物的修复效率7。植物通过含有碳水化合物氨基酸、黄酮类化合物的根际分泌物的渗出液，使微生物的活性增强10～100倍。
　　 4固氮菌在植物修复土壤重金属污染中的作用机理4.1固氮菌可促进植物生物量的增加
　　 4.1.1通过生物固氮促进植物生长。生物固氮作用被认为是固氮根瘤菌最重要、最独特的特征，氮是植物生长所必需的重要元素，是蛋白质和核酸的一个组成部分，是植物生长至关重要的元素之一。固氮菌是一种很重要的改善植物生长的植物促生细菌，在固定植物所需氮元素方面发挥了重要作用。
　　 4.1.2释放植物激素等促进植物生长。固氮菌还可以释放如吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、ACC脱氨酶等物质，来促进植物的萌发和成长9。IAA是植物生长过程中一种重要的植物激素，主要与细胞分裂和分化相关，在豆科植物和根瘤菌共生过程中，低浓度IAA可刺激植物的生长.根瘤的形成、植物根系的发展、矿物质和营养元素的吸收等。根据目前的研究报道，在根瘤菌中存在3种IAA产生途径，即色胺途径、吲哚乙酰胺途径以及吲哚丙酮酸途径。在植物三羧酸循环途径中IAA也发挥了重要作用，在Ronson等的研究中发现，三羧酸循环可为类菌体固氮作用提供必需的能量，三羧酸循环中某些关键酶的缺失，均会导致根瘤菌固氮能力的消失，IAA可诱导三羧酸循环中一些关键酶的活性，间接地促进了根瘤菌的固氮能力叫。ACC脱氨酶可以通过降低植物生长的乙烯水平来达到促进作物生长发育的作用。植物体内大量的IAA会诱发乙烯前体物质ACC的合成，使植物体内乙烯浓度增加，进而抑制植物根系的生长。在根瘤菌中，ACC脱氨酶的产生可分解植物体内的ACC进而阻断乙烯的合成，是克服乙烯抑制作用的一种调控机制，一些含有ACC脱氨酶活性的根际细菌还可以辅助根瘤菌的结瘤过程，这些对植物生长和修复作用也具有促进和辅助作用2。
　　 4.1.3通过磷酸盐的溶磷作用促进植物的生长。磷是植物生长必需的大量元素，土壤中有大量的磷是属于不溶性的，植物不能直接利用。固氮菌的存在可使不溶性的磷溶解，固氮菌的溶磷机制主要是通过释放各种有机酸，如葡糖酸、琥珀酸及延胡索酸等络合磷酸盐上的阳离子，从而提高植物对磷的利用率。溶磷作用在ATP合成与信号转导、细胞膜的生物合成、成瘤作用中起重要作用，可以加速土壤中无效磷的有效化，从而促进植物的生长。
　　 4.2固氮菌可促进植物对重金属的吸收和固定
　　 固氮菌在自身生理机制和抗氧化酶的协助下可增强植物对非生物胁迫如干旱、重金属、渗透胁迫、氧化应激等的耐受能力。
　　 固氮菌可依靠植物根瘤促进对重金属的吸收和固定。固氮菌在根瘤里可以自由移动，可作为吸附剂储存和固定重金属离子，增加植物根瘤内金属的积累量。根瘤可作为金属缓冲区，提供植物进一步对抗人侵的有害离子所需的蛋白质，扩大了植物吸收储存金属的区域，从而降低了重金属离子对植物的直接毒害作用。
　　 固氮菌可通过甲基化、代谢产物的鳌合作用等方式改变土壤中重金属离子的生物活性，促进植物对重金属的吸收和固定。固氮菌通过甲基化酶的作用与重金属离子结合，甲基化如Hg、Se、Te和Pb等重金屬离子，从而改变土壤中重金属离子的溶解度。固氮菌具有分泌Fe载体、有机酸等物质的能力，这些物质可以与重金属形成络合物，活化土壤中的重金属，从而提高重金属的生物有效性，减轻重金属对植物体的毒害作用。Fe载体是固氮菌在低铁条件下产生的一种能够高效率结合Fe+的小分子量有机化合物。土壤中的物质和金属Fe载体都带有电荷，带相同电荷的离子会产生排斥作用，可以活化和调动金属离子;带不同电荷的离子相互吸引，使金属离子得到了固定叨。Fe载体不仅可以与Fe离子结合，还可以与Zn、Cu、Cd等重金属离子络合形成稳定的复合物28。在Fe载体作用下，许多植物会利用土壤中中微量可利用铁，获得生长所需的Fe元素，固氮菌也可以释放有机酸，例如葡萄糖酸.草酸、柠檬酸等。有机酸的产生造成了土壤环境的酸化，在重金属的络合反应中也发挥了重要作用，它们可以与土壤中重金属离子结合，增强了重金属离子的可溶性和移动性，使土壤中的重金属得到活化，在一定程度上提高了土壤重金属的生物有效性9。
　　 4.3固氮菌在植物修复中的应用
　　 根瘤菌是目前研究较多的一种共生固氮菌，常与豆科植物共生结瘤。根瘤菌联合豆科植物在修复重金属污染中作用明显，豆科植物黄花羽扇豆和根瘤菌Bradyrhizobiumsp.共生系统对土壤中铜、锌、铬、铅的固定量较高，并且随着土壤污染程度的增加，植物根和茎对重金属离子的积累量会大幅度增加80。土壤中重金属离子Pb对玉米根和植株的生长会产生较大影响。然而，当接种了固氮菌如圆褐固氮菌或者豌豆根瘤菌后，与对照组相比，接种后的植株生长量显著增加口，并且与接种其中某一单一菌种相比，同时接种圆褐固氛菌和豌豆根瘤菌2种固氨菌的植株长势更好121。相关学者在研究向日葵与固氮菌对重金属铬的修复时，将固氮菌P.putida06909接种进向日葵根部中，发现其明显降低了镉对植物的毒害作用，并且在植物根系中镉的积累增加了40%，明显提高了植物对重金属的萃取能力3。郝秀丽从甘肃铅锌矿区刺槐根瘤中分离出2株重金属抗性细菌AgrobacteriumtumefaciensCCNWGS0286及MesorhizobiumamorphaeCCNWGS0123，通过全基因组测序分析、转座子突变等技术，对Cul/Zn抗性机制以及对Cul/Zn污染土壤的联合修复作用进行了研究。研究结果表明，A.tumefaciensCCNWGS0286（176）及MesorhizobiumamorphaeCCNWGS0123具有良好的重金属抗性及促植物生长能力，根瘤菌刺槐共生体系在修复矿区重金属污染环境中拥有巨大潜能。康夏等凹利用盆栽试验来捕获钒钛磁铁废矿土中的大豆和豇豆根瘤菌，结果表明，重金属含量高且十分贫瘠的矿土中存在丰富的土著根瘤菌，并能在非常恶劣的土壤环境中共生固氮;还构建出豇豆一syj1和大豆-ms12-11等2个固氮效率较高的共生体系，，其在增加豆科植物抗逆性的同时，还可补充贫瘠土壤中的氮营养，可作为一种生物修复方式应用于钒钛磁铁废矿土壤的修复。 　　 基于固氮菌在促進植物生物量的增加和促进植物对重金属吸收和固定的双重作用，如果植物被接种上耐重金属的固氮菌，将极大地改善植物的生长状况和植物修复土壤重金属污染的能力。目前的研究表明，大量植物已经被发现具有吸收重金属的潜力，然而许多具有修复重金属的能力的植物不能产生足够的生物量。因此，在超富集植物生长过程中弓入固氮菌既可促进植物生物量的增加，又可促进植物对重金属的吸收和固定，减少土壤中重金属含量，是一种极具发展前景的土壤修复技术。
　　 5展望
　　 目前，土壤重金属污染对人类的生存和发展产生了严重威胁，治理形势严峻，世界各国已投入大量的人力、物力和财力致力于土壤重金属污染的修复。一些常用的土壤重金属污染修复技术如物理修复、化学修复生物修复和联合修复等技术也在不断改进。植物联合固氮菌的修复方法属生物修复中较为新型的一种技术手段，影响因素较多，如固氮菌和宿主植物的种类、土壤重金属污染的类型和污染程度等针对利用植物联合固氮菌来修复土壤重金属污染的领域，未来还需从以下方面加强研究。
　　 5.1固氮菌的选育
　　 固氛菌种类繁多，应筛选出能高效吸附某一特定重金属元素的菌株，并根据具体的土壤条件筛选与其相适应的特定菌株，深入探究修复固氮菌与土壤环境之间的相互关系，为构建协同修复技术提供理论基础。
　　 5.2固氮菌修复机理的研究
　　 固氛菌联合植物参与的重金属污染修复过程是一个复杂的物理、生化过程，可以结合分子生物学、代谢组学系统研究固氮菌对重金属污染修复的机制，研究固氮菌、植物、土壤.重金属离子之间的相互作用。通过对修复机理的进步深入研究，可以为联合修复技术的建立以及实际工程应用提供理论支持。
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