根系分泌物及其在修復多環芳烴污染土壤中的應用

荊誠然，閆文德，王姣龍

(1.中南林業科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004)

根系分泌物及其在修復多環芳烴污染土壤中的應用

荊誠然1,2，閆文德1,2，王姣龍1,2

(1.中南林業科技大學 生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004；2.南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004)

污染土壤；多環芳烴；根系分泌物；植物修復

修復被多環芳烴污染的土壤是目前環境和生態領域的一個前沿課題，植物修復是一種經濟廉價、可操作性強、美化景觀的綠色技術，而根系分泌物在植物修復污染土壤過程中有著重要的意義。總結了近年來國內外植物根系分泌物研究的主要成果，系統介紹了根系分泌物的定義、組成、影響因素及其收集和分離純化方法，綜述了近年來根系分泌物在植物修復技術中的應用情況，以期為進一步開展多環芳烴污染土壤植物修復研究提供實踐參考和理論依據。

隨著工業化的迅速發展和城市化水平的不斷提高，我國土地污染狀況變得極為嚴重，已受到社會各界的廣泛關注，成為環境科學界與政府決策部門著重討論和亟待解決的熱點問題之一[1-2]。其中，以多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)為代表的一類廣泛存在于環境中的有機污染物，因其具有致癌、致畸、致突變的作用，以及低流動性和難降解性的特點，成為重點研究對象[3]。修復被PAHs污染的土壤是目前環境和生態領域的一個前沿課題[4]。

PAHs污染土壤的修復主要有化學修復、生物修復和物理修復等方法。植物修復是利用植物群落本身及植物-微生物復合系統來清除環境中污染物質的一種生物修復方法，是一種經濟廉價、可操作性強、美化景觀的綠色技術[5]。根系分泌物在植物修復污染土壤過程中有著重要的意義。根系分泌物不僅在改變土壤根際區微生物種群組成、數量及其活力等方面發揮著獨特的作用[6]，而且通過直接或間接的途徑能夠有效地螯合、活化、轉化、降解直至去除土壤中的有害污染物，使土壤質量得以提升或改善，這種功能特征被認為是污染土壤植物修復的主要理論基礎之一[7]。

根系分泌物作為根際微生態系統活力的保持者和物質循環的重要組分，對植物根際的物理、化學和生物學特性有著重要影響[8]。

1 根系分泌物

1.1 根系分泌物的概念

植物在生長過程中，由根系不同部位分泌或溢泌的無機離子或者小分子有機物統稱為根系分泌物[9]。廣義上的根系分泌物可分為以下4種類型：①分泌物，代謝過程中細胞主動釋放的化合物；②滲出物，通過根細胞被動擴散到介質中的一類低分子化合物；③黏膠質，包括未形成次生壁、根冠細胞的表皮細胞和根毛分泌的黏膠狀物質；④分解和脫落物，成熟根段表皮細胞新陳代謝產生的脫落細胞和碎片[10-11]。一般情況下，根系向環境釋放的有機碳量占植物固定總碳量的1%～40%，其中有4%～7%通過分泌作用進入土壤[12]。

1.2 根系分泌物的影響因素

1.2.1 植物種類

根系分泌物含量與種類在不同種屬植物之間存在顯著差異，譬如：在農作物中，豆科植物根系分泌物之中脂肪酸的含量遠高于一般植物[13]；蕎麥(Fagopyrumesculentum)和油菜(Brassicanapus)根系分泌物中所含的2-十四醇、5-乙基-2-壬醇和另外2種未知的醇，在小麥(Triticumaestivum)的根系分泌物中均不存在[14]；肥田蘿卜(Raphanussativus)和油菜的根系分泌物中主要有機酸的種類也不相同，肥田蘿卜主要為酒石酸、蘋果酸和丁二酸，而油菜主要為蘋果酸和檸檬酸[8]。解文科等[15]研究發現玉米(Zeamays)和煙草屬(Nicotiana)植物根系分泌物中的氨基酸、糖、碳氧比率及有機酸含量差異較大，玉米的根系分泌物不能促進鉻的溶解，而煙草屬植物根系分泌物就可以。在其他植物中少見的脂肪酸，在豆科植物中就比較多見。

1.2.2 養分脅迫

營養物質的供給直接影響根系分泌物的質和量，植物通過自身的調節機制來適應養分脅迫，根系釋放與正常狀況下不同種類或含量的有機酸等。國內外大量學者都對植物缺磷狀態下根系分泌物的種類和數量進行了較為深入的研究。在缺磷脅迫下，磷高效植物能夠通過增加有機酸的分泌，促進植物對難溶性磷的吸收與活化。缺磷條件下，苜蓿(Medicagosativa)根系分泌物中的有機酸有蘋果酸、檸檬酸和丁二酸，其中檸檬酸的分泌量是正常時的2倍[16]。在缺磷時，油菜根系分泌物中含有大量的檸檬酸和蘋果酸[17]。白羽扇豆在缺磷脅迫下可形成特殊的排根，并在排根處分泌大量的檸檬酸，檸檬酸活化的磷可滿足白羽扇豆自身生長對磷的需要[18]。

1.2.3 根際微生物

根際微生物的代謝活動與群落變化可以對植物根系的分泌作用產生抑制或促進效應。多黏類芽孢桿菌產生的多糖素能夠增加根細胞膜的通透性，從而導致氨基酸的分泌量增多。在滅菌條件下，小麥根系分泌物是自然條件下的一半。

1.2.4 其他環境因素

根際是植物生長的微環境，它的濕度、透氣性和土壤顆粒性質等都會對根系分泌物產生影響，如白菜(Brassicarapa)在水分脅迫下會分泌更多有機酸[19]。除此之外，光照、土壤有機質、土壤空氣、機械阻力和植物損傷因子等因素也會影響植物根系分泌物的分泌[20]。

1.3 根系分泌物的研究方法

1.3.1 根系分泌物的收集

植物根系部位釋放的低分子量有機化合物(氨基酸、有機酸、糖等)對根際化學、物理和微生物環境的改變起著重要作用。嚴謹準確的收集方法能夠使我們更加清楚地理解根際相關動態的整個過程[21]。如今比較常用的3種收集方式為基質(玻璃珠、石英砂和瓊脂等)培收集、溶液培收集和土培收集，研究者可以根據不同的實驗目的去選擇相對合適的收集方式。

通過觀察對比可以發現，3種方法收集出的根系分泌物種類通常不盡相同，土培法相對更接近植物實際生長環境，所以根系分泌物種類相對較多，也更符合實際情況，但所得的分泌物成分復雜，容易被微生物分解。

除此之外，學者們一直在探尋一種可操作性強、能夠相對真實地反映植物根系分泌情況的研究方法。OBURGER et al.[22]設計了一種新型的根系分泌物的收集方法，這種方法能夠確保根系分泌物的原位檢測。VRANOVA et al.[23]在研究根系分泌物的收集方法與植物代謝和收集目的之間的關系時，采用連續滲透的固體培養基并且調節營養液強度的方法來收集植物體的根系分泌物，這種方法盡可能模仿了根際條件，更加準確地定性了根系分泌物的組成。除此之外，該方法還有助于評估根系分泌物對土壤微生物種群的影響和降解污染物的能力。

1.3.2 根系分泌物的分離純化

因為收集的根系分泌物成分相對復雜，所以不能直接用于分析，必須經過預處理后方可進行定量和定性的分析。根系分泌物的分離和純化是一個非常關鍵的環節，這個階段的提取效果直接影響著之后的檢測結果，所以如何保證分泌物各組成部分的最大提取率，找到各個組分適宜的提取方法，是目前學者們所要突破的難點和重點。通常，分離和純化這個過程要根據各組分的生物學特性和理化性質，選擇適當的分離方法。目前為止，有文獻記載的分離純化方法主要有以下幾種：衍生化法、離子交換法、萃取法、吸附樹脂法、層析法和分子膜與超速離心法。其中，萃取法被廣泛采用。因為相較其他方法而言，這種方法所需器械簡單，分離效果相對較好。

常用的有機溶劑主要有乙醚和正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷等。不同有機溶劑萃取后的根系分泌物種類不盡相同。張愛華等[24]在研究人參(Panaxginseng)根系分泌物的提取及鑒定時，依次用石油醚、乙酸乙酯對其根系分泌物進行了萃取，鑒定出的20種化合物包括6種有機酸酯類物質、11種烷烴類物質、1種吡喃、1種烷烴衍生物和1種酚酸類物質。相比石油醚層，乙酸乙酯層中主要成分為有機酸酯類和烷烴，其結構復雜，物質分子量較大。楊先國等[25]在提取丹參(Salviamiltiorrhiza)根系分泌物時，采用正己烷和乙酸乙酯這2種不同極性的有機溶劑浸提根際土壤，結果表明兩者中共有的化學成分有13種，提取物中總的化合物的量是正己烷中的1.2倍，而分泌物主要成分均為醛類、醇類、烴類、酸類和酯類等物質。

2 根系分泌物在PAHs污染土壤修復中的應用

PAHs具有顯著的憎水性，通常會與土壤顆粒緊密結合，很難被植物體吸收，所以植物修復技術的關鍵就在于提高PAHs在土壤中的有效性。現在的研究主要通過增加PAHs生物可利用性和增加土壤微生物數量及其活力這兩種途徑來修復PAHs污染土壤。根系分泌物可通過影響土壤理化性質或影響土壤微生物的數量增加土壤中的PAHs活性，進而提高植物對PAHs的吸收或降解能力。研究表明，根際周圍微生物的種類和數量高于非根際很多，這可能是植物根際通過一些復雜的作用，削弱了PAHs脅迫對根際土壤微生物的影響，促進了PAHs的降解和微生物生長。BANKS et al.[26]將酥油草(FestucaovinaL.)種植在被苯并芘(14C標記)污染的土壤中，50%以上的苯并芘在6個月后得到了降解，這表明植物根際對PAHs的降解產生了有利的影響。研究發現，直接以PAHs作為碳源的微生物，可以顯著提高環境中PAHs的降解率[27-28]。

添加表面活性劑也是一種較為多見的土壤修復技術。表面活性劑是指加入少量能使其溶液體系的界面狀態發生明顯變化的物質，該物質可減少土壤中難溶有機物的吸附、降低土-水界面張力，提高PAHs的生物可利用度，修復被污染的土壤[29]。表面活性劑的分類方法很多：根據疏水基結構進行分類，可分為直鏈、支鏈、芳香鏈、長鏈等；根據親水基進行分類，分為羧酸鹽、硫酸鹽、季銨鹽、PEO衍生物、內酯等；有些研究者根據其分子構成的離子性將其分成離子型、非離子型等；還有根據其水溶性、化學結構特征、原料來源等分類的各種方法。但是眾多分類方法都有其局限性，很難將表面活性劑合適定位，并在概念內涵上不發生重疊。多數表面活性劑大量使用也會污染土壤[30]，這是因為在一段時間內大量使用表面活性劑會導致土壤中大量PAHs的活化，但植物和微生物在較短的時間內很難吸收或降解這些PAHs，最終導致土壤被污染。陳靜等[31]運用Tritonx-100、Tween-80、SDS、LAS這4種表面活性劑洗脫土壤中的PAHs，發現具有較低HLB值的表面活性劑PAHs增溶能力較好，其增溶能力排序為SDS

3 展 望

根系分泌物是植物正常生理代謝的一部分，是聯系植物和土壤的重要紐帶，是植物營養和土壤科學重要的研究課題。由于根系分泌物處于地下，因此很難直接觀察和測定。首先，根系分泌物的收集、分離和鑒定方法存在不少局限性，實驗模擬條件與植物實際生長狀況之間存在較大差別，分離提純得到的成分往往只是根系分泌物總量中的一部分，且受鑒定方法的特定性限制，目前檢測和確定的根系分泌物類型也不完全覆蓋所有成分，因此對根系分泌物研究方法的完善和改進是未來研究的重要內容之一。其次，對多環芳烴污染脅迫條件下根系分泌調控機制的研究有限，針對菲、苯并芘等多環芳烴代表物污染脅迫下植物地上部分的研究報道較多，而有關地下部分根系分泌物的研究相對較少，因此加強對多環芳烴污染下植物地下部分的研究，對了解植物整體對多環芳烴的響應具有重要意義，同時也可為植物修復技術在有機污染土壤治理中的應用提供更廣闊的前景。

[1] LIU S,TAO S,LIU W,et al.Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons in north China:a winter-time study[J].Environmental Science & Technology,2008,41(24):8256-8261.

[2]YANG Y,GUO P,ZHANG Q,et al.Seasonal variation,sources and gas/particle partitioning of polycyclic aromatic hydrocarbons in Guangzhou,China[J].Science of the Total Environment,2010,408(12):2492-2500.

[3] WILCKE W.Global patterns of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soil[J].Geoderma,2007,141(3):157-166.

[4] 王姣龍,諶小勇,閆文德,等.4種綠化樹種根系分泌物中的化學成分分析[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2016,44(10):107-113.

[5] 張晶,林先貴,曾軍,等.植物混種原位修復多環芳烴污染農田土壤[J].環境工程學報,2012,6(1):341-346.

[6] BAIS H P,WEIR T L,PERRY L G,et al.The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms[J].Annual Review of Plant Biology,2006,57(1):233-266.

[7] 許超,夏北成.土壤多環芳烴污染根際修復研究進展[J].生態環境學報,2007,16(1):216-222.

[8] 陳龍池,廖利平,汪思龍,等.根系分泌物生態學研究[J].生態學雜志,2002,21(6):57-62.

[9] BERTIN C,YANG X,WESTON L A.The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere[J].Plant and Soil,2003,256(1):67-83.

[10] 張知貴,王明賢,楊華,等.植物根系分泌物研究進展[J].廣東農業科學,2013(2):219-222.

[11] 羅永清,趙學勇,李美霞.植物根系分泌物生態效應及其影響因素研究綜述[J].應用生態學報,2012,23(12):3496-3504.

[12] 劉子雄,朱天輝,張建.林木根系分泌物與根際微生物研究進展[J].世界林業研究,2005,18(6):25-31.

[13] 張錫洲,李廷軒,王永東.植物生長環境與根系分泌物的關系[J].土壤通報,2007,38(4):785-789.

[14] 安保珠,王俊儒,趙效文.小麥、油菜、蕎麥根分泌物中非極性和弱極性組分的比較研究[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,1995,23(3):31-35.

[15] 解文科,王小青,李斌,等.植物根系分泌物研究綜述[J].山東林業科技,2005(5):63-67.

[16] LIPTON D S,BLANCHAR R W,BLEVINS D G.Citrate,malate,and succinate concentration in exudates from P-sufficient and P-stressedMedicagosativaL. Seedlings[J].Plant Phy-siology,1987,85(2):315-317.

[17] HOFFLAND E,FINDENEGG G R,NELEMANS J A.Solubilization of rock phosphate by rape[J].Plant and Soil,1989,113(2):161-165.

[18] DINKELAKER B,R?MHELD V,MARSCHNER H.Citric acid excretion and precipitation of calcium citrate in the rhizosphere of white lupin (LupinusalbusL.)[J].Plant Cell & Environment,2010,12(3):285-292.

[19] ZhANG F S,MA J,CAO Y P.Phosphorus deficiency enhances root exudation of low-molecular weight organic acids and utilization of sparingly soluble inorganic phosphates by radish (RaghanussatiuvsL.) and rape (BrassicanapusL.) plants[J].Plant and Soil,1997,196(2):261-264.

[20] 孟梁.根系分泌物及其在有機污染土壤修復中的作用[J].上海農業學報,2013,29(2):90-94.

[21] 劉欣宇,霍姍姍,陳歆,等.植物根系分泌物的組成及分析方法研究進展[J].中國熱帶農業,2015(3):100-106.

[22] OBURGER E,DELL'MOUR M,HANN S,et al.Evaluation of a novel tool for sampling root exudates from soil-grown plants compared to conventional techniques[J].Environmental & Experimental Botany,2013,87(1):235-247.

[23] VRANOVA V,REJSEK K,SKENE K R,et al.Methods of collection of plant root exudates in relation to plant metabolism and purpose:A review[J].Journal of Plant Nutrition & Soil Science,2013,176(2):175-199.

[24] 張愛華,彭洪利,雷鋒杰,等.人參根系分泌物的提取及鑒定[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2014,42(7):191-196.

[25] 楊先國,劉塔斯,陳斌,等.丹參根際土壤浸提物的GC-MS分析[J].中國農學通報,2013,29(10):173-177.

[26] BANKS M K,LEE E,SCHWAB A P.Evaluation of dissipation mechanisms for benzo[a] pyrene in the rhizosphere of tall fescue[J].Journal of Environmental Quality,1999,28(1):294-298.

[27] BLUM J,FRIDOVICH I.Inactivation of glutathione peroxidase by superoxide radical[J].Archives of Biochemistry and Biophysics,1985,240(2):500-508.

[28] 劉世榮.微生物在多環芳烴降解應用中的機理及其研究趨勢[J].現代商貿工業,2008,20(8):379-380.

[29] 張嬌,耿永娟,朱世富,等.有機質對土壤吸附性能的影響研究[J].青島理工大學學報,2007,28(6):78-81.

[30] 紀婷婷.表面活性劑應用于污染土壤修復的研究進展[J].遼寧化工,2012,41(4):26-28.

[31] 陳靜,胡俊棟,王學軍,等.表面活性劑對土壤中多環芳烴解吸行為的影響[J].環境科學,2006,27(2):361-365.

[32] 朱利中,馮少良.混合表面活性劑對多環芳烴的增溶作用及機理[J].環境科學學報,2002,22(6):774-778.

(責任編輯 徐素霞)

S157.433；X53

A

1000-0941(2017)05-0055-04

荊誠然(1992—)，男，河南鄭州市人，碩士研究生，主要從事污染土壤修復方面的研究。

2017-03-09