植物-微生物聯合修復技術在Cd 污染土壤中的研究進展

盧晉晶，郜春花，武雪萍，李建華，靳東升，郜雅靜，籍晟煜

（1.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081；3.山西大學生物工程學院，山西太原030006）

隨著世界工業的快速發展，許多國家和地區的土壤都受到一些重金屬不同程度的污染。目前，重金屬對土壤的污染已經引起了世界各國的極大關注。作為農業大國之一，我國土壤的重金屬污染會對農業生產產生巨大的影響[1]。鎘（Cd）是生物毒性最強的重金屬之一，因其可降解率低、可移動性強、污染面積廣而成為國內外研究者們最關注的污染因子之一[2]。

土壤Cd 污染態勢在我國多個地區已經十分嚴峻，如在華南地區和東北地區已出現食品和生態安全問題，其他一些地區也相繼出現類似的問題。例如“鎘大米”事件、廣西大新縣重金屬污染事件等，已成為全社會關注的焦點[3]。2014 年環境保護部、國土資源部對我國土壤污染狀況調查的公報公布結果顯示，重金屬在土壤中的超標率達到16.1%，其中，Cd 的超標率占到7.0%，成為超標率最高的重金屬元素[4-5]。據調查，我國遭受Cd 污染的農田土壤面積已超過20 萬hm2，并且Cd 含量超標的各種農產品生產總量已超過14.6 億kg/a[6]。

Cd 可以通過不同途徑進入土壤環境，參與復雜的土壤物理和化學過程，且大部分以不同形態滯留在土壤中，同時還能被作物吸收和富集進入食物鏈。這不僅會給人類身體健康帶來極大隱患，更有可能引起社會大面積恐慌，危害國家和社會的穩定。因此，加強對Cd 污染土壤的修復治理迫在眉睫。2016 年國務院頒布的《土十條》已經提出，重點監測以Cd 為首位的5 種重金屬元素。由此可見，我國土壤Cd 污染修復已經不容忽視[7]。

近年來，隨著對重金屬污染土壤修復技術的深入研究，逐漸發現利用植物- 微生物聯合修復Cd污染土壤是一種比較有效的生物修復途徑。利用植物與微生物等生物聯合修復方式，可大大提升植物對Cd 的吸收和遷移，從而提高修復效率。與傳統物理、化學修復技術相比，該方法修復具有資源來源廣、操作成本低、二次污染小等優勢，成為國內外研究的熱點[8]。

筆者對當前Cd 污染土壤中植物- 微生物聯合修復技術的作用機制進行了闡述，對現有的具有修復功能的植物、微生物資源進行了統計，并對其未來研究方向進行了總結，以便為今后該聯合修復技術在實踐中的廣泛應用提供理論借鑒。

1 植物-微生物聯合修復機理

植物- 微生物聯合修復技術就是將植物和微生物作為組合，充分發揮各自的優勢，直接或間接地吸收、轉化土壤中的重金屬元素。在土壤環境中，植物的生長可為微生物提供良好的生長環境和生長所需的各種營養元素，但當重金屬脅迫較大時，具有重金屬修復功能的植物生長緩慢[9]、生物量小、富集總量有限[10]；而許多微生物不僅對植物具有促生效應，其本身和代謝物可通過不同機制對重金屬污染土壤進行修復[11]。因此，利用二者之間的這種共生關系，充分發揮二者的優勢，使重金屬污染土壤得到高效修復和治理。

1.1 植物修復作用

在植物- 微生物修復土壤鎘污染過程中，植物主要通過直接或者間接吸收大量具有生物活性的Cd，降低土壤中Cd 總量，或通過根系分泌物鈍化土壤中的Cd，從而降低其毒性。植物對重金屬的作用機制包括以下幾個方面。

1.1.1 根分泌物的吸附作用 為了抵抗不利環境，植物會通過自身代謝活動分泌一些有機物（如蛋白質、糖類、有機酸和部分脂類等），來改變土壤的根際環境，如氧化還原電位或pH 等，從而絡合部分形態的Cd 離子，降低其生物有效性。徐愛春等[12]研究發現，土壤酸度是影響鎘遷移的主要因素，在偏酸性環境中土壤游離態Cd 含量增加，堿性環境下結合態的Cd 含量增加。

1.1.2 植物對重金屬的解毒作用

1.1.2.1 金屬配位體的螯合作用 螯合作用是富集植物修復土壤中重金屬元素的重要作用之一。植物體內含有多種能鰲合降低重金屬毒性的重要物質，包括有機酸（如草酸、蘋果酸、檸檬酸）、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PCs）、半胱氨酸（Cys）等小分子物質和金屬硫蛋白（MTs）等[13]。它們可以通過與重金屬離子發生配位作用或者絡合作用，來改變在土壤中的化學形態，從而有效降低重金屬元素在植物體內遷移和轉化。楊紅玉等[14]研究表明，綠藻體內的鎘結合蛋白能夠和滲入細胞內的鎘元素發生螯合作用。

1.1.2.2 細胞壁沉淀作用、區隔化作用 在對大多數鎘富集植物的研究中發現，細胞壁可以作為Cd進入植物體內的一道障礙。細胞壁含有豐富的多糖和蛋白質，并含有大量羥基、醛基、羧基或磷酸基等親金屬離子的配位基團，它們可以與Cd 離子配位結合，在細胞某些部位形成沉淀；或者可以將螯合態Cd、離子態Cd 轉運到液泡內或其他特定部位，從而避免損傷植物重要組織和器官[15]。這種區隔化作用在輕微的重金屬脅迫下表現的更加明顯。

1.1.2.3 抗氧化系統的保護作用 Cd 脅迫會導致植物體內部產生許多活性氧自由基（ROS），為控制活性氧自由基的濃度，植物自身逐漸形成了多種抗氧化酶系統及非酶系統，成為體內重要的抗氧化防衛系統[16]。酶系統一般包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX），非酶保護系統主要有抗壞血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、胱氨酸及α- 生育酚等[17]。它們能夠清除活性氧自由基，保護細胞免受氧化脅迫的損傷。有研究表明，在100 mg/kg 鎘脅迫下，龍葵的SOD，POD，CAT 分別是對照的5 倍、2.5 倍、3倍[18]，旱柳中的POD，SOD，GST 等多種酶活性在高濃度Cd2+脅迫下得到提高[19]，說明他們通過自身抗氧化系統的保護能夠抵抗重金屬脅迫。

1.1.2.4 其他抗逆性因子 除了以上幾種機制以外，植物還能通過其他途徑抵抗重金屬的毒害。如誘導熱休克蛋白、甘氨酸蛋白、致病相關蛋白和幾丁質酶等脅迫相關蛋白的表達，以及脯氨酸、水楊酸等其他小分子物質的表達[20]。

1.1.3 鎘在植物體內的遷移 Cd 元素進入植物體內的主要運移過程為：根部細胞壁先把土壤中的Cd 吸附，使之形成化合態Cd 或者游離態Cd，并在根細胞作用下進行細胞質跨膜運輸；隨后可溶性Cd 離子越過根皮層，遷移至木質部導管，然后再被運輸到植物的地上部分[21]。

1.2 微生物對重金屬的作用

在重金屬污染土壤上，具有修復功能的微生物對重金屬的作用有多種方式，常見的有吸附沉淀、溶解作用、轉化作用[22]，通過這些作用來影響重金屬在土壤中的遷移、釋放以及它的毒性。這方面的研究可為微生物強化植物修復重金屬土壤提供理論基礎。

1.2.1 微生物對重金屬的吸附沉淀作用 微生物一方面可通過帶電荷的細胞表面吸附Cd，或在攝取土壤中營養元素時主動吸收一部分Cd 離子，并將它們貯存積累于細胞表面或內部[23]；還可通過誘導或分泌的微生物產物使之與重金屬發生螯合、配位、沉淀等作用被動吸附重金屬[24]，如生成金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀，以及細菌胞外多聚體、鐵載體、金屬硫蛋白、植物螯合肽與重金屬結合蛋白等[25]。

1.2.2 微生物對重金屬的溶解作用 微生物一方面可以通過分解根系分泌物或者某些有機物，使得重金屬及含重金屬的礦物得到間接溶解；另一方面微生物代謝產生一些低分子量的有機酸、氨基酸或者酶類等物質，可以通過絡合溶解、酸溶解和還原作用等直接或間接地活化固定態重金屬[24-26]。

1.2.3 微生物對重金屬形態的轉化作用 微生物對重金屬的轉化方式有：（1）微生物自身對重金屬的轉化作用，常見的有甲基化、氧化還原或烷基取代作用等，使重金屬形態發生改變，從而得以固定或降低毒性，如硒的微生物甲基化可降低沉積物中硒的毒性[27]；（2）微生物代謝產物的活化作用，如一些有機化合物、大分子酸性物質或其他微生物分泌物等可與土壤中的Cd 發生絡合，從而使之轉化為無毒或低毒形態[28]。

1.3 植物-微生物聯合作用機制

在植物- 微生物聯合修復污染土壤過程中，微生物和植物二者之間存在多種協同機制[29]：一是微生物可通過自身或者代謝物吸收重金屬，降低重金屬元素在土壤中的總量和毒害程度，從而對植物起到促生作用；二是改善植物營養、抑制病原菌侵害，從而對植物起到促生作用；三是微生物代謝過程中的分泌物如有機酸、鐵載體、表面活性劑、螯合劑等可轉變重金屬的價態，促進其在植物體內的富集，強化植物修復效果。楊雪艷等[30]在研究“雙耐”菌株與香根草聯合修復Pb 和Cd 復合污染土壤時，發現該菌株在促進植物生長的同時還能提高Pb 和Cd的有效態含量，強化污染土壤的修復效果。

1.3.1 微生物提高植物抗性 微生物可通過多種作用機制來提高植物對重金屬的抗性并促進其生長，以增強植物修復的效率。作用機制主要有：促生作用、增強植物重金屬抗性、生防作用、解毒作用。

1.3.1.1 促生作用 微生物可以通過分泌特定植物促生物質（如吲哚乙酸、赤霉素、細胞分裂素等），刺激植物根系的生長，提高植物對營養元素的吸收[31]。微生物代謝產生的多種低分子有機酸在土壤環境中可參與成土作用，促進某些礦物溶解（如難溶性的磷酸鹽），加強植株吸收養分[32]。同時分泌物鐵載體可以為植物生長提供鐵元素，直接促進其生長[33]。還有研究發現，某些微生物可以通過固氮和解鉀作用來促進植物在脅迫環境中的生長，如WU 等[34]在研究具有固氮、溶磷和解鉀功能的某些植物促生細菌對印度芥菜的影響時發現，它們能夠顯著增加植物地上部生物量，改變土壤中重金屬生物有效性。

1.3.1.2 增強植物抗性 微生物幫助植物提高對重金屬的抗性方式之一就是通過增強抗氧化酶活性。一些研究結果表明，接種某些微生物之后，植物對重金屬的抗性增強，主要原因就是抗氧化酶活性提高，減緩了重金屬對植物的氧化損傷[35]。GARG 等[36]研究也發現，與低濃度相比，高濃度的Cd 污染土壤條件下接種AMF 可顯著增強谷胱甘肽還原酶（GR）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POX）、超氧化物歧化酶（SOD）等酶的活性，從而提高了樹豆對Cd 的抗性。

1.3.1.3 生防作用 微生物可通過多種作用來抑制或減輕植物根際病原微生物生長及蟲害的發生，間接促進植物的生長。其中，產生抗生素和鐵載體是微生物抑制病害的最常見的機制。抗生素是微生物代謝產生的一類非酶類的化學物質，它在低濃度下對其他微生物的生長有抑制或滅菌作用，對枯萎病、瓜類花葉病、小麥赤霉病及果樹病害和其他作物病害有顯著控制效果。常見的抗生素有戊酮、辛酮、類菇、多肽和氨基酸衍生物等[37]。鐵元素是致病菌生存和生長所必須的元素之一，而鐵載體是致病菌從宿主的鐵結合蛋白獲取鐵元素的重要載體。具有修復功能的微生物本身可分泌鰲合能力更強的鐵載體，因而，這類微生物成為致病菌的競爭者，結果可使病原菌的生長因缺鐵受到抑制[31]。有一些研究表明，熒光假單胞桿菌能持久有效地抑制康乃馨鐮刀菌枯萎病的發生，主要源于其分泌的鐵載體。

1.3.1.4 解毒作用 在重金屬濃度較高的環境下，植物會受到一定程度的毒害，導致修復效率降低。微生物能夠通過各種物理化學作用來吸附和轉化重金屬離子，例如，細胞表面電荷吸附作用可將重金屬離子富集在細胞表面或內部，或者氧化- 還原、甲基化、脫烴作用可使重金屬轉化為低毒或無毒的物質，從而降低重金屬對植物的毒害效應，保證植物在重金屬污染條件下的最佳生長[38]。

1.3.2 微生物強化植物修復能力 微生物可以通過分泌金屬螯合物、聚合物和蛋白等代謝物，絡合土壤中有毒金屬，降低其生物有效性和毒性[39]。有研究發現，當固氮菌屬被接種到小麥根際后，它們能夠結合15.2 mg/g 的Cd，降低小麥對土壤中Cd的吸收量，減少量高達50%[40]。另外，微生物可以分泌一些表面活性物質（如糖脂、多糖脂、脂肽和脂蛋白等）和低分子有機酸（如葡糖酸、草酸、檸檬酸等），它們通過絡合溶解、酸溶解和還原活化作用活化重金屬，促進植物對重金屬的吸收和轉移，強化植物修復能力[41]。楊卓等[42]研究表明，巨大芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌不僅促進富集植物印度芥菜的生長，還能增強其對土壤中Cd 的吸收，很大程度上提高了植物的修復效率。目前還有不少研究發現，植物促生細菌和菌根在強化植物修復方面有較好的效果。

2 植物-微生物聯合修復

2.1 Cd 修復植物

國內外對鎘修復植物進行了大量的研究工作。目前根據富集能力的大小，可用于Cd 污染土壤修復的植物分為3 類[38]。

2.1.1 Cd 超富集植物 超富集植物是用于土壤修復最多的一類植被，它是指那些對某些重金屬具有特別的富集能力且自身不受毒害的一類植物[43]。Cd超富集植物并不常見，一般集中于金屬礦區和重金屬廠區附近。目前為止，Cd 超富集植物大致有：東南景天、伴礦景天、寶山堇菜、龍葵、天藍遏藍菜、忍冬、三葉鬼針草、商陸[44]等。

2.1.2 Cd 轉基因富集植物 轉基因富集植物指的是從基因水平改變植物的耐重金屬特性。通過將超富集植物的相關基因轉移到一些生物量較大、生長周期短的植物中，來提高這些植被的富集能力和修復效率。目前，Cd 轉基因富集植物有：擬南芥（基因來源為酵母）[45]、印度芥菜（基因來源為擬南芥）[46]、煙草（基因來源為水稻）[47]。但值得注意的是，轉基因技術會打亂植物的自然進化規律，存在潛在的生態風險。

2.1.3 Cd 耐性植物 耐性植物指雖達不到超富集植物的富集標準，但對重金屬還是有一定的耐受能力的植物。因其生物量大、生長迅速，表現出很強的植物修復潛力。常見的Cd 耐性植物有黑麥草、籽粒莧、馬齒莧、向日葵、印度芥菜[48]等。其中一些植物吸收的Cd 并不會進入食物鏈，因此，在凈化環境的同時還可取得一定的經濟效益[49]。

2.1.4 其他植物 已發現蒲公英、小白酒花和狼把草等部分雜草對Cd 及其他復合污染均顯現出較強的耐性和富集能力[50]，可以進一步研究其應用價值。

2.2 Cd 修復微生物

2.2.1 細菌 細菌是土壤環境中最大的一類微生物群體，因此，關于細菌的修復研究相對較多。據報道，具有Cd 修復能力的細菌較多，如球菌、芽孢桿菌、鏈霉菌、銅綠假單胞菌等[51]。其中，研究較多的是具有修復功能的促生細菌，如芽孢桿菌屬、沙雷氏菌屬、腸桿菌屬、假單胞桿菌屬、固氮螺菌屬、無色菌屬等[52]。

2.2.2 真菌 近些年，越來越多的真菌被用于土壤重金屬修復中[53]。由于擁有龐大的比表面積和吸附能力，真菌往往表現出對重金屬很強的耐性，如釀酒酵母、假絲酵母、黃曲霉、白腐真菌、食用菌、腐木真菌等[54]。

目前，在植物- 微生物聯合修復中，將菌根用于土壤重金屬污染修復的研究相對較多。由于土壤中真菌菌絲與植物根系具有互利共生的作用，因此，二者形成聯合體成為菌根。在自然界中菌根分布極其廣泛，常見的菌根真菌有格氏霉菌、根內球囊霉、蘇格蘭球囊霉、摩西管柄囊霉、幼套近明球囊霉、地球管孢囊霉、巨孢囊霉屬、盾巨孢囊霉屬、刺盤孢屬、鏈格孢屬、鐮孢霉屬等[55-58]。

2.2.3 放線菌 放線菌是目前已知的抗生素的主要來源之一。放線菌制劑活性強、便于保存，有利于實際大面積生產和應用。不少研究者已發現，放線菌對重金屬Cd 也有較強的吸附效果，大多屬于鏈霉菌屬[59-62]，已知的有密旋鏈霉菌[38]和高加索鏈霉菌[63]等。

2.2.4 藻類及其他微生物 藻類微生物一般用于污水處理，在土壤重金屬修復方面的研究目前相對較少。藻類微生物對重金屬離子的選擇吸附性強、容量大，是一種應用前景廣闊的新型生物吸附劑，但目前大多停留在實驗室階段。已知的具有修復重金屬功能的藻類有：小球藻、馬尾藻、墨角藻、巖衣藻、藍藻、紅藻和褐藻等[64]。

此外，還發現了一些其他菌株對重金屬具有吸附功能。如將趨磁細菌[65-66]應用于重金屬污染的土壤，通過設置磁場并結合淋洗措施后發現，土壤中重金屬的含量可逐漸達到土壤環境安全標準。

3 展望

在所有聯合修復技術中，植物- 微生物聯合修復技術相對破壞性小、修復高效且對環境無二次污染等優勢，因此，其成為國內外土壤修復領域的研究熱點。目前這方面的研究重點更加關注污染土壤的實際修復效果，對于植物- 微生物二者之間相互作用機制的研究不夠深入。另外，構建微生物和植物的高效修復模式是實際研究中的重點和難點，可進行大面積推廣的聯合模式目前還比較少。因此，植物- 微生物聯合修復技術的研究重點和發展趨勢應放在以下幾個方面：（1）探索微生物、植物以及土壤三者之間的相互作用機制[67]。（2）利用微生物或者植物在不同地區的定殖技術，構建最佳植物-微生物修復體系，提高修復效率。（3）建立多種復合修復模式。植物- 微生物修復體系過程周期長，為了達到最優的Cd 修復效果，應該考慮結合其他物理或化學修復，形成多種聯合修復模式[68]。（4）尋找修復效果強的土著微生物菌株和植物類型，避免對當地自然生態環境造成威脅。