根際環境內污染土壤的生物修復研究

李克中，朱永恒

（安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241000）

1 引言

根際環境是指以植物根系為中心，所形成的含有大量微生物、土壤動物、植物根系及其分泌物，在物理學、化學、生物學特性上而不同于周圍土體的微區域環境。根際環境內土壤的重要特征之一就是富有大量的生物，其微生物和原生動物的數量比非根際土壤要多得多［1］。根際環境內土壤生物學特性在很大程度上取決于植物根系分泌物的性質，一些研究結果表明：根際土壤微生物活性及其群落結構隨植物生長發育而變化，對根系生長發育、營養產生很大的影響［2，3］。正是由于根際環境內這些特殊的特性存在使得污染物在根際環境內表現出特殊的化學行為。

作為植物根系生長的真實土壤環境，根際環境在對污染土壤修復中的作用也不容忽視。近年來重金屬和有機污染物對動物、植物及人類的直接的和潛在危害以及被污染環境的綜合治理已成為社會各界關注的焦點。生物修復已成為污染生態學和環境生態學研究的熱點。存在于土壤中的污染物首先通過根際環境與植物相接觸，進而通過植物和根際環境內的生物來降解這些污染物質。根際環境內植物的根及其分泌物和微生物、土壤動物的新陳代謝活動對污染物產生吸收、吸附、降解等一系列活動，在污染土壤修復中起著重要作用［4］。基于此，本文著重從植物根系和根系分泌物、微生物（細菌、菌根真菌）和土壤動物等方面進行概述，總結了它們在根際環境內對污染土壤修復的重要意義。

2 根際環境內植物根系及其分泌物對污染土壤的修復作用

植物根系是土壤食物網的主要基質和能量來源之一，驅動土壤生物、化學和物理過程［5］。植物根系如同一張“過濾網”，使通過的重金屬得到固定并吸附于土壤表面，從而降低重金屬在土壤中的生物有效態，達到減輕重金屬污染的效果［6］。植物根系是植物吸收營養物質的重要途徑之一，因而也成為污染物質進入植物體內的重要路徑。利用植物根系修復污染物正是應用了根系這種“提取能力”，對于富集在植物體內的污染物，通過植物自身的揮發和人為對地上部分的收獲達到修復的目的。

2.1 植物根系分泌物對重金屬污染土壤的修復

植物根系分泌物是植物在生長過程中，根系向生長介質分泌質子和大量有機物質的總稱。Mench等的研究表明，根系分泌物各組分（粘膠、高分子、低分子分泌物）均可與重金屬發生絡合作用，高分子與低分子的絡合物可能有助于重金屬向根表的遷移，而粘膠包裹在根尖表面，可認為是重金屬向根遷移的“過濾器”［7］。

根系分泌物主要通過活化、螯合、還原等作用來降低根際環境內重金屬的有效性和毒性。此外，根分泌物被根際微生物利用，使根際土壤的氧化還原低于非根際土，從而改變根際土壤中變價重金屬如Cr、Cu等的形態及有效性［9］。在重金屬等環境脅迫下，植物通過調節根分泌物的成分使根際環境更好的與外界環境相適應。如在鋁脅迫下，耐鋁植物可通過分泌有機酸，以緩解鋁的毒害［10］。另外，根系分泌物及其分解程度均影響土壤中重金屬的吸附－解吸特性，植物根系分泌的新鮮分泌物可減少土壤對重金屬的吸附，提高其擴散性［11］。

2.2 植物根系分泌物對有機物污染土壤的修復

根系分泌物對污染物的降解主要通過酶系統的直接降解和增加微生物的數量和提高其活性的間接降解［12］。前一種途徑已被一些研究所證實，如有毒有機物在外酶的作用下分解為低毒的形態、磷酸酶可降解有機磷殺蟲劑［13］、植物死亡后釋放到土壤環境中的酶還可以繼續發揮分解作用。其中尤其植物特有酶對多環芳烴的降解為根際修復的潛力提供了強有力的證據［14］。根系分泌物通過影響根際土壤中微生物數量和活性來實現有機污染物的修復是主要途徑。

3 根際環境內微生物對污染土壤的修復作用

根際微生物通常是指細菌、放線菌和真菌（尤以菌根真菌為主）幾大類。根際環境內的微生物對污染物具有多種修復手段，有的以污染物為碳源和能源，有的與污染物共代謝，通過代謝過程，這些離子可被沉淀或被螯合在可溶或不溶性生物多聚物上［15］，進而達到對根際環境內污染土壤修復作用。

3.1 根際環境內微生物對重金屬污染土壤的修復

細菌對重金屬污染土壤的修復主要表現在吸附能力上。尤其集中在汞、鉻（Hg、Cr）等方面的研究上，證實了可以降低重金屬可移動性和生物有效性，從而對污染土壤起到修復作用。根際環境內有獨特的氧化還原電勢與溶解氧水平，也為污染物的揮發和還原提供了條件。例如，土壤細菌對無機與有機汞化合物的還原與揮發；鉻酸鹽的還原與亞砷酸鹽的氧化［16，17］。另外，細菌為了生存在尋找碳源和能源的過程中就會形成一種進化優勢——趨化性。細菌趨化性在根際環境內污染土壤的生物修復過程中發揮重要的作用，例如，趨化性可以使降解菌株與污染物緊密接觸，解決污染物的生物可利用問題［18］。

關于菌根真菌對重金屬的相對獨立吸收作用很早就已經有了研究。如，Cooper和Tinker［19］采用能區分根系和菌絲的裝置，利用同位素示蹤技術，演示了內生菌根菌絲吸收、累積和移動65Zn的過程，表明了菌絲本身能夠吸收重金屬，這可能促進了根系對重金屬的吸收能力。此外，外生菌根真菌還具有它獨特的特點——屏障作用，因菌套的形成而較為明顯，對重金屬起了物理阻礙作用，阻止重金屬向植物體內轉移［4］。另外，菌根真菌還通過屏障、螯合以及菌根根際效應來影響微生物活性［20］等作用，進一步促進污染物的降解和轉化。

3.2 根際環境內微生物對有機物污染土壤的修復

根際環境內的細菌除了對無機污染物具有獨特的降解之外，也對大多數有機污染物進行降解。它們除直接的代謝活動外，還能以根分泌物和根際內有機質為主要營養源，從而具有根際環境外細菌所不具有的降解特點［4］。Ortega－Calvo等人首次評價了根際環境內細菌的趨化性使根際內降解性細菌數量增加，提高了污染物的生物可利用性，促進了根際內多環芳烴的降解［21］。

菌根真菌作為根際環境內根系與土壤相接觸的重要媒介，在促進有機污染物的降解和轉化、促進污染土壤中植物的生長、有機污染土壤的生物修復等方面具有積極的作用［22］。研究表明，受菌根接種的植物根系對農藥的污染有很強的耐受力，菌根通過吸收、積累以及分泌物對農藥進行分解、揮發等一系列的作用降低了有機農藥的毒害。林先貴等［23］研究發現了接種VA菌根真菌后，白三葉草的菌根侵染率、生長量和對N、P元素的吸收量都高于不接種的對照植株。王曙光等［24］也進一步揭示了AM真菌的菌絲在酞酸酯的降解和轉移過程中起了某些特殊的作用。在對外生菌根真菌的眾多研究中，均揭示了其對有機除草劑的降解吸收作用。

4 根際環境內土壤動物對污染土壤的修復

目前對于土壤動物修復的概念還沒有準確統一的定義。據大量研究表明土壤動物修復技術是利用土壤動物對污染物進行機械破碎、分解、消化和富集以及在土壤中進行的翻耕和穿插等活動影響污染物的遷移和分布，并通過腸道排放的微生物及分泌的酶而使污染物降低或消除的一種生物修復技術［25］。土壤動物作為土壤中的一份子，它們的活動、生長以及繁殖都與土壤的理化性質息息相關，尤其生活在根際環境內的土壤動物對有機物污染物的機械破碎和分解具有重要的作用。與此同時，大量的腸道微生物及分泌的酶也轉移到土壤中來，它們與根際環境內土著微生物一起通過吸收、降解等方式使得污染物濃度降低或消失。

土壤動物生活在土壤環境內，作為土壤污染的一個評價指標［26］，因此它在一定程度上能夠反映土壤的污染狀況。在土壤中添加有機氯培養蚯蚓試驗中，謝文明［27］等發現蚯蚓對所加的有機氯農藥的富集作用明顯。蚯蚓不但富集了重金屬，還可以改良土壤，保持土壤的肥力。將蚯蚓應用于污染土壤生態系統的恢復，甚至應用于強化污染土壤生態系統的修復，具有一定的發展潛力，在實際應用當中也有較大的可行性。

除了以捕食和代謝分泌為基礎的假說外，土壤動物對微生物群落結構、土壤有機碳、根系生長及植物群落等的影響也將對根際生物修復產生深遠的反饋作用［28］。在今后的研究中應加大土壤動物其它種類，如甲螨、線蟲、跳蟲等微型和中型土壤動物對土壤污染修復作用研究。

5 結語

根際環境內除了上述的生物種群外，還有很多微生物及土壤動物類群，而對于它們在根際污染土壤中修復作用研究的較少。土壤遭受污染是一個十分復雜的過程，不存在相對單一的污染物，幾乎都是多種污染物綜合污染的結果。生物修復體系中任何單一生物體一般都不具備降解復合污染物整體能力，因此，生物聯合修復是必須采用的。修復過程中可以充分發揮各有機體及相互結合產生的修復作用。隨著科技的進步根際環境內污染土壤的生物修復技術已經取得很大的發展，但由于受到區域生物特性以及自然環境的限制，還存在著許多局限性。

（1）土壤中根系的形態和根系的構型在污染土壤中的修復作用研究的很少，應加強不同土壤層中根系修復作用的研究。

（2）由于根際環境是動態的、復雜的系統，在營養及重金屬等的脅迫條件下，根系分泌物產生的機制以及影響根際環境中其它組成成分的機理需要進一步的研究。

（3）對于輕度污染的土壤，污染物濃度沒有達到生物降解的最低含量，迫使生物無法發揮其正常的降解功能，鑒于此，微生物對污染物最低量的降解反應能否進行定量的研究。

（4）微生物對根際內污染土壤的修復受多種因素的影響，如菌株的生存條件、營養條件以及菌株的呼吸活性等，而從這一視角研究的比較少。

（5）土壤動物在對根際內污染土壤修復中的研究報道的很少，大部分都是集中于蚯蚓的修復作用，而應加強對土壤動物其它種類，如甲螨、線蟲等微型和中型土壤動物對土壤污染修復作用研究。隨著科學技術的發展和對實驗條件進一步的精確模擬，很多新的技術和理論也得到了很大的發展，如，分子生物學技術、基因工程理論、重新組建微生物的遺傳性狀、篩選具有降解多種污染物且降解效率更高的優良菌株及酶系，顯然已經成為污染土壤修復研究的熱點。通過對以上內容的深入研究，必將促進生物修復技術從實驗室走向大田生產應用。

致謝：感謝在論文的寫作過程中由導師朱永恒提供的指導和幫助。

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