根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環境修復中的應用

魏羽含

(江西財經大學 藝術學院，江西 南昌 330032)

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根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環境修復中的應用

魏羽含

(江西財經大學 藝術學院，江西 南昌 330032)

摘要：指出了生物修復以其操作簡便、成本低廉及安全性高等優點被當作修復重金屬污染環境的有效途徑。根瘤菌-豆科植物共生體系是一種固氮能力較強的體系，在改善土壤氮素不足中起到了關鍵作用。闡述了根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環境修復中應用。

關鍵詞：根瘤菌-豆科植物；共生體系；重金屬污染；修復方式

1引言

隨著重金屬污染問題對全球環境及人類健康造成的危害日益擴大，重金屬污染的修復問題越來越為世界各國所關注。我國大部分廢棄地或礦區均存在殘留重金屬濃度高、氮素、磷素等營養元素缺乏及土壤偏酸性等問題，微生物對土壤氮循環中起著關鍵的作用，而根瘤菌-豆科植物共生體系在修復重金屬污染中具有劃時代的意義。豆科植物具有重金屬耐性，其可以與根瘤菌共生，起到固氮的作用，可有效解決上述存在的問題[1]。本文主要論述修復土壤重金屬污染的方法，簡要分析微生物抗重金屬的相關原理，同時講述根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環境修復中的應用，希望能為科研學者們提供參考。

2修復土壤重金屬污染的重要意義

土壤是人類獲取食物和其他資料的基礎保障，同時土壤也是各種物質循環的基礎存儲庫，其對環境的各類變化具有很高的敏感度。土壤中重金屬的殘留時間越久不僅使土壤的肥力退化，而且會通過食物鏈使人類間接的吸收重金屬，危害到人類的健康。有權威資料顯示，土壤、大氣和水體三者之間的相關性和耦合性使得人類對修復大氣和水體的重金屬污染的關注度大于對修復土壤的重金屬污染的關注度，但無論怎樣，若是土壤的重金屬污染環境得不到修復，則大氣和水體的污染環境也無從解決。因此修復土壤的重金屬污染環境可從根本上維持生態的可持續和穩定發展。

3修復土壤重金屬污染的方法

當前很多領域對土壤的重金屬污染修復技術都做了很多研究，筆者經過查閱資料后總結出修復土壤重金屬污染的兩大有效途徑就是運用固化作用和活化提取去除。通過固化作用可降低各生物之間的循環利用性，同時降低重金屬的遷移性和毒性。詳細的方法有自然、物理、化學及生物等修復方式[2]。從綜合的角度分析，自然修復主要與土壤自身的理化性質有很大關系；物理修復和化學修復在整體的修復效果來說非常好，所花費的時間較少，但修復成本較高，會造成土壤物理性質的變化，有可能會引發二次感染，無法解決實際問題；生物修復包含微生物修復、植物修復及微生物-植物共同修復這3種形式，是一種新興的修復技術，其以操作簡便、成本低廉、安全性高及對環境影響少等優點而被當作修復重金屬污染環境的有效途徑。微生物修復雖然可通過積累重金屬或是改變重金屬的化合狀態來達到降低土壤中重金屬毒性的作用，但純粹的微生物修復在實際應用中并沒有將Cu、Pb等重金屬離子從土壤中移除，待微生物細菌死亡后這些金屬又會自然的回到土壤中產生循環污染，因此采用微生物修復方式沒有明顯作用。而微生物-植物共同修復方式則是結合微生物與植物共生的關系，充分發揮各自的修復作用，并彌補對方的不足，從根本上提升了土壤重金屬污染的修復效率，具有很高的應用價值。

4微生物-植物共同修復方式的具體闡述

4.1微生物的抗重金屬性及解毒機制

若土壤中的重金屬濃度過高，則會影響到微生物的代謝功能，最終改變微生物物種的分布和數量。因此為了適應這樣的污染環境，微生物會形成對應的抗重金屬性和解毒機制[3]。而微生物對重金屬的解毒機制在理論上非常復雜，且不同種類的微生物其抗性及解毒機制也不太相同，所運用的解毒原理通常都包括沉淀、整合、外排、富集和隔離等。例如微生物對銅的抗性最顯著的就是大腸桿菌，其主要是負責將過量的Cu2+移出細胞質，并通過其他組分將細胞周圍的Cu2+濃度進行控制，保證植物在一定Cu2+濃度下存活；而微生物對對鋅的抗性則表現為當細胞內的Zn2+濃度達到一定值時，微生物會通過自身對Zn2+的吸收性，啟動外排系統將細胞內定量的Zn2+排出細胞外，從而達到降細胞內Zn2+濃度的效果。利用這樣的抗性機制，微生物可以同時轉化和改變土壤中重金屬的離子形態，這本身就是一種解毒效果，對土壤的整體環境而言就是一種良好的修復效果(圖1)。

4.2微生物-植物共同修復技術的作用

該項技術一方面主要是運用PGPR細菌(促植物生長根際細菌)能分泌的酶、有機酸和表面活性劑等物質，進而提高土壤中重金屬的生物有效性，從而提升植物對重金屬元素的可吸收性、累積和固化等效率；另一方面主要是依靠ACC脫氨酶等各類分泌特異性酶、維生素、各類植物激素以及具有氮固定作用的根瘤菌來促進植物的生長，從而提升植物的總量，進而增加重金屬的總積累量。同時植物在整個過程中不斷的分泌類似糖、氨基酸和有機酸等物質，在一定程度上為微生物提供了能源，保證了微生物的作用持續，同時還改善了土壤的理化性質，也間接促進了微生物的繁殖和生長[4]。由此可見，微生物-植物共同修復技術彌補了微生物及植物各自在修復過程中存在的不足，提高了整體的修復效率。由上文的分析中可知，氮素等營養成分不足是限制重金屬污染地植被恢復的關鍵因子，因此氮素含量水平成為了判斷重金屬污染地生態修復效果的指標。根瘤菌-豆科植物共生體系是目前固氮能力及抗逆能力最強的體系，兩者之間存在一種緊密互利關系，既可以提升土壤的肥力，同時還能夠固定或移除土壤中的重金屬。

4.3根瘤菌-豆科植物共生體系修復重金屬污染的效果

4.3.1根瘤菌的選擇和促植物生長的相關特性

具有重金屬抗性的根瘤菌在重金屬長期污染環境下，可有效的與宿主(豆科植物)進行結瘤和固氮。與眾多的微生物相同，根瘤菌也可以通過某一種重金屬抗性系統維持某一種金屬離子的穩定狀態，其作用機制與上文提到的相同。因此，國內外很多學者對豆科植物和根瘤菌的共生體系做了很多研究，并提出了根瘤菌的選擇的重要性。有學者從受Ni污染的土壤中分離出40余種微生物后進行分類，對其中的9種重金屬做耐性評定之后發現某一株菌對Zn2+具有很好的耐性；也有學者在某一礦區中篩選出某一種株菌并對其進行液體培養基時發現存在具有很好耐受性的Zn和Cd離子。由此可見根瘤菌作為一種內生菌，其通過長期的進化后能與植物形成一種穩定的互惠互利關系，其能夠為植物提供營養，發揮促進植物生長的作用；同時其位于植物的內部，植物本身也對其具有保護和提供能源的作用，從而發揮穩定的促生作用。當然，根瘤菌也與其他促生菌相同，除了促進植物生長，同時還有重金屬累積作用，在重金屬污染地的修復中發揮著強大的作用。

4.3.2根瘤菌的抗重金屬性及解毒機制

根瘤菌通過長期的進化后能有效適應環境的改變和有害物質的存在，這就表現出了根瘤菌的抗重金屬性。有學者對某一株菌對Cd的抗性書評進行研究，經鎘處理前后觀察GSH變化后發現，Cd抗性對根瘤菌處理前后其GSH變化明顯，且GSH對Cd有一定的解毒效果。現階段關于根瘤菌的抗重金屬性及解毒機制的研究成果還比較少，需要更進一步研究。

4.3.3根瘤菌-豆科植物共生體系生態修復效果

通常根瘤菌在土壤中生長速度較慢，但如果侵染豆科植物后其生長速度明顯加快。侵染后其能在豆科植物的根部形成根瘤，隨后持續繁殖，此時它可為植物提供氮素，同時還能通過自身的分泌物促進植物的生長和累積重金屬[5]。有學者對兩者共生體系的特性進行研究時候發現，沒有經過接種的某一株菌其生物量非常小，并表現出營養不足的癥狀，但經過抗金屬性接種后其生長速度明顯加快；也有研究學者研究As對根瘤菌-大豆共生體系所產生的影響后發現As營養液中生長的某一株菌其莖和根的重量雖沒有上升，但相對于沒有接種的植物來說，其重量上升了40%左右，而植物本身的氮素含量卻沒有升高，由此可以得出這一株菌能分泌植物激素，有促生作用。以上學者的研究結果表示可通過根瘤菌-豆科植物共生體系之間的相互作用，以固氮作用加快重金屬污染地中氮元素的累積，促進土壤中的氮素循環和其他營養成分的累積，同時還可富集眾多的重金屬元素，保護生態環境。

5結語

近年來，我國各大礦區和廢棄地接連發生土壤貧瘠、氮素等營養元素不足及重金屬污染的不可降解性等問題，而這些均是限制重金屬污染土壤生態修復的主要因素。根瘤菌作為一種重要的農業資源，其在環境修復過程中起著關鍵的作用。能在重金屬環境中存活的豆科植物，主要是依靠根瘤菌侵染自身后與之進行共生和固氮，將兩者的共生體系應用在重金屬污染土壤的修復中，對土壤的氮素循環和積累營養元素有了顯著的促進作用。文中，筆者介紹了目前全球最先進的土壤重金屬污染修復技術，指出了根瘤菌-豆科植物共生體系共同修復能夠維持污染環境的氮素平衡，實現了人類與環境的和諧共生。

參考文獻：

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[2]趙葉舟，王浩銘，汪自強.豆科植物和根瘤菌在生態環境中的地位和作用[J].農業環境與發展，2013，4(9):7～12.

[3]冀玉良，李堆淑，趙龍飛，韋革宏.陜西商洛部分地區刺槐根瘤菌的遺傳多樣性和系統發育[J].農業生物技術學報，2013，11(19):1373～1383.

[4]何永美，楊志新，秦麗，等.土壤滅菌和殺真菌劑對紫花苜蓿生長和重金屬累積的影響[J].農業環境科學學報，2015，4(18):646～652.

[5]梁彥濤，徐太海，金連豐，等.豆科植物在生態恢復方面的應用研究進展[J].安徽農業科學，2014，20(23):6637～6638.

文章編號：1674-9944(2016)02-0076-03

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

作者簡介：魏羽含(1992—)，女，河北唐山人，江西財經大學藝術學院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-06