植物聯合固氮菌修復土壤重金屬污染的研究進展

張倩　趙秀芳　高歡歡　朱心寧　殷金巖

摘要 近年來，由于工業和農業的高速發展，土壤重金屬污染越來越嚴重，給動植物生長和人類生產生活產生了極大影響。生物修復技術作為一種低影響、高效益的修復方法，包括植物修復、動物修復和微生物修復，植物聯合固氮菌的修復方法屬生物修復中較為新型的一種技術手段。本文在概述了土壤重金屬污染特點、來源、危害以及對傳統修復技術評價的基礎上，闡述了植物聯合固氮菌修復土壤重金屬污染的研究進展以及展望，以期為土壤重金屬修復方法的研究提供參考。

關鍵詞 植物;固氮菌;土壤重金屬污染;植物修復

中圖分類號 X53

文獻標識碼 A

文章編號 1007-5739（2019）08-0180-04

土壤重金屬污染是指重金屬或其化合物通過各種途徑進入土壤并且其含量超過了土壤自凈能力而造成的污染"，重金屬是指密度≥5g/cm3的金屬，包括鉻（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、錫（Sn）等，砷（As）、銻（Sb）、硒（Se）雖不屬于重金屬，但因其來源以及危害都與重金屬相似，故通常列人重金屬類進行研究討論2-31。近年來，工業上的采礦、冶煉、電鍍、化工等產生的“三廢”以及農業，上污灌、農藥化肥的不合理施用等造成我國大面積耕地土壤遭受重金屬污染。這種污染不僅影響農作物生產，而且也影響大氣和水環境質量，甚至通過食物鏈危害人類的健康。不僅在我國，全世界范圍內土壤重金屬污染也依舊是一個嚴峻的問題，并且隨著工業化的不斷發展和自然界生物的循環，該問題會變得越來越嚴重"，目前，土壤重金屬污染修復技術眾多，植物聯合固氮菌修復土壤重金屬污染不僅可以高效利用生物資源，而且可以起到作物增產和降低土壤重金屬污染的雙重效果，是一種綠色、低碳、環保并極具發展和應用前景的土壤修復技術。

1土壤重金屬污染的特點、來源及危害

1.1土壤重金屬污染的特點

土壤重金屬污染由于其自身所具有的3個特點使其在眾多土壤污染中處于重要位置。一是復雜性。土壤中的重金屬離子形態變換較為復雜，多為過渡元素，有較多的價態變化，如土壤中的砷（As）以三價的亞砷酸鹽（AsO2）和五價的砷酸鹽（AsO3-）形態存在，土壤中的鉻（Cr）通常是以Cr（VI）和Cr（II）2種價態存在，土壤環境的pH值和配位體的不同會使土壤中的重金屬離子呈現出不同的價態、化合態和結合態，根據重金屬在土壤中的存在形態可將其分為有機結合態殘留態、碳酸鹽結合態和可交換態等，而重金屬的毒性大小與其價態和化合物的種類密切相關，有機態比無機態的毒性更大，不同價態的重金屬離子毒性不同，如As（II）的毒性遠大于As（V），而Cr（VI）的毒性比Cr（II）大。二是隱蔽性。土壤中的重金屬大多數以化合物、聚合物等形式存在，不易被察覺，必須要利用一定的檢測技術才能測定其存在。三是長期穩定性。重金屬離子進人土壤之后，通過物理、化學和生物等作用轉變為較穩定的狀態，一般情況下不會降解和消除，最多只能發生形態的變化，土壤污染相對于大氣污染和水體污染來說，比較固定，流動性很小，擴散速度較慢，如果不及時處理，會長期存在于土壤中心。

1.2土壤重金屬的來源

土壤中重金屬的來源主要有2個方面：一方面是自然因素，主要指礦物的風化、侵蝕和火山活動等;另一方面是人類活動，這是造成土壤重金屬污染的最主要原因，主要包括工業上礦山開采、礦石冶煉、電鍍等過程中產生的富含重金屬的廢水、廢氣、廢渣等，煤和石油等能源物質燃燒所釋放的大量含重金屬的有害氣體和粉塵等，農業上殺蟲劑等農藥和磷酸鹽類化肥的過度使用、農業污水的灌溉，城市生活中含鉛（Pb）汽油的燃燒、汽車的粉塵燃料與潤滑油的泄漏、城市生活污水排放等。在這些原因中，以工業來源與農業來源污染對土壤的影響最為嚴重。

1.3土壤重金屬的危害

當重金屬離子富集超過土壤自凈能力的時候，會對土壤的結構與功能、農作物的正常生長及人民生命安全產生較大威脅。重金屬離子可與土壤中的水羥基、氨以及一些有機質中的某些分子形成螯合物，并在土壤中遷移轉化，被植物或微生物吸收利用。重金屬離子的富集會導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、土壤中各種酶的活性降低、土壤微生物群落結構被改變，繼而造成土壤肥力的下降，農作物減產甚至絕收問。土壞重金屬離子也可以通過食物鏈的生物放大作用，成千百倍地富集，最終進入人體，導致各種急性或者慢性疾病，如慢性中毒致癌和致畸等。

2傳統土壤重金屬污染修復技術及評價

2.1物理修復方法

物理修復方法包括客土法、深耕翻土、電動修復、電熱修復、隔離法、淋濾法熱處理法、電化學法、吸附固定法等。該方法雖然在一定程度上對重金屬污染起到了控制作用，但是同時也面臨著成本高、費時費力、不適于大面積應用的困境。

2.2化學修復方法

化學修復方法包括通過向土壤施用改良劑（如石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽）和促進還原作用的有機物質，將重金屬吸附、氧化還原、拮抗或沉淀，降低重金屬的生物有效性"。該方法雖然減少了對植物的危害，并阻斷了其在食物鏈中的傳遞，但只改變了重金屬在土壤中的存在形態，金屬元素仍保留在土壤中，容易再度活化而危害植物，破壞土壤物理、化學和生物特性，帶來二次污染。

3植物修復策略

植物修復是指利用植物來降解或去除污染土壤中的毒性物質。植物修復的策略包括植物萃取、植物過濾、植物固定、植物揮發和植物降解5個方面。

植物萃取指利用超積累植物從土壤中吸收重金屬或有機毒物，并將其轉運和儲存到該植株的可收割部分，從而達到降低或去除土壤重金屬污染的目的。

植物過濾指利用植物根部或種苗從污水中吸收、沉淀、富集重金屬或其他污染物。

植物固定指通過植物將重金屬吸附、沉淀或絡合在根部，阻止重金屬的遷移和向地下水的擴散，通過降低重金屬生物活性，從而減少重金屬的毒害作用或者通過促進土壤中重金屬離子發生價態和形態的改變，轉變為低毒形態，進而防止其進人地下水和食物鏈，從而減少其對環境和人類健康的危害4。

植物揮發指利用植物吸收：土壤中的污染物并將其轉化為可揮發的物質釋放到大氣中。這種方法只限于具有揮發性的污染物，應用范圍較小，同時該方法僅僅是將污染物從土壤轉移到大氣，對生態環境仍有一定影響，是最具爭議的植物修復策略5。目前這方面研究最多的是汞（Hg）和硒（Se）。例如細菌的汞（Hg）還原酶，能夠在擬南芥體內將含汞（Hg）的污染物轉化為可揮發的汞（Hg）元素。微生物和藻類也可以吸收硒（Se），并將其轉化為二甲基硒揮發到大氣中心。

植物降解是指植物利用酶（如脫鹵素酶和過氧化物酶等）降解有機污染物，這種機制只限于有機污染物的去除，基于土壤一微生物一植物的共存關系，植物可利用根際微生物分解土壤中的有機污染物，植物修復與微生物修復技術可優勢互補，提高土壤中重金屬污染物的修復效率7。植物通過含有碳水化合物氨基酸、黃酮類化合物的根際分泌物的滲出液，使微生物的活性增強10～100倍。

4固氮菌在植物修復土壤重金屬污染中的作用機理4.1固氮菌可促進植物生物量的增加

4.1.1通過生物固氮促進植物生長。生物固氮作用被認為是固氮根瘤菌最重要、最獨特的特征，氮是植物生長所必需的重要元素，是蛋白質和核酸的一個組成部分，是植物生長至關重要的元素之一。固氮菌是一種很重要的改善植物生長的植物促生細菌，在固定植物所需氮元素方面發揮了重要作用。

4.1.2釋放植物激素等促進植物生長。固氮菌還可以釋放如吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）、ACC脫氨酶等物質，來促進植物的萌發和成長9。IAA是植物生長過程中一種重要的植物激素，主要與細胞分裂和分化相關，在豆科植物和根瘤菌共生過程中，低濃度IAA可刺激植物的生長.根瘤的形成、植物根系的發展、礦物質和營養元素的吸收等。根據目前的研究報道，在根瘤菌中存在3種IAA產生途徑，即色胺途徑、吲哚乙酰胺途徑以及吲哚丙酮酸途徑。在植物三羧酸循環途徑中IAA也發揮了重要作用，在Ronson等的研究中發現，三羧酸循環可為類菌體固氮作用提供必需的能量，三羧酸循環中某些關鍵酶的缺失，均會導致根瘤菌固氮能力的消失，IAA可誘導三羧酸循環中一些關鍵酶的活性，間接地促進了根瘤菌的固氮能力叫。ACC脫氨酶可以通過降低植物生長的乙烯水平來達到促進作物生長發育的作用。植物體內大量的IAA會誘發乙烯前體物質ACC的合成，使植物體內乙烯濃度增加，進而抑制植物根系的生長。在根瘤菌中，ACC脫氨酶的產生可分解植物體內的ACC進而阻斷乙烯的合成，是克服乙烯抑制作用的一種調控機制，一些含有ACC脫氨酶活性的根際細菌還可以輔助根瘤菌的結瘤過程，這些對植物生長和修復作用也具有促進和輔助作用2。

4.1.3通過磷酸鹽的溶磷作用促進植物的生長。磷是植物生長必需的大量元素，土壤中有大量的磷是屬于不溶性的，植物不能直接利用。固氮菌的存在可使不溶性的磷溶解，固氮菌的溶磷機制主要是通過釋放各種有機酸，如葡糖酸、琥珀酸及延胡索酸等絡合磷酸鹽上的陽離子，從而提高植物對磷的利用率。溶磷作用在ATP合成與信號轉導、細胞膜的生物合成、成瘤作用中起重要作用，可以加速土壤中無效磷的有效化，從而促進植物的生長。

4.2固氮菌可促進植物對重金屬的吸收和固定

固氮菌在自身生理機制和抗氧化酶的協助下可增強植物對非生物脅迫如干旱、重金屬、滲透脅迫、氧化應激等的耐受能力。

固氮菌可依靠植物根瘤促進對重金屬的吸收和固定。固氮菌在根瘤里可以自由移動，可作為吸附劑儲存和固定重金屬離子，增加植物根瘤內金屬的積累量。根瘤可作為金屬緩沖區，提供植物進一步對抗人侵的有害離子所需的蛋白質，擴大了植物吸收儲存金屬的區域，從而降低了重金屬離子對植物的直接毒害作用。

固氮菌可通過甲基化、代謝產物的鰲合作用等方式改變土壤中重金屬離子的生物活性，促進植物對重金屬的吸收和固定。固氮菌通過甲基化酶的作用與重金屬離子結合，甲基化如Hg、Se、Te和Pb等重金屬離子，從而改變土壤中重金屬離子的溶解度。固氮菌具有分泌Fe載體、有機酸等物質的能力，這些物質可以與重金屬形成絡合物，活化土壤中的重金屬，從而提高重金屬的生物有效性，減輕重金屬對植物體的毒害作用。Fe載體是固氮菌在低鐵條件下產生的一種能夠高效率結合Fe+的小分子量有機化合物。土壤中的物質和金屬Fe載體都帶有電荷，帶相同電荷的離子會產生排斥作用，可以活化和調動金屬離子;帶不同電荷的離子相互吸引，使金屬離子得到了固定叨。Fe載體不僅可以與Fe離子結合，還可以與Zn、Cu、Cd等重金屬離子絡合形成穩定的復合物28。在Fe載體作用下，許多植物會利用土壤中中微量可利用鐵，獲得生長所需的Fe元素，固氮菌也可以釋放有機酸，例如葡萄糖酸.草酸、檸檬酸等。有機酸的產生造成了土壤環境的酸化，在重金屬的絡合反應中也發揮了重要作用，它們可以與土壤中重金屬離子結合，增強了重金屬離子的可溶性和移動性，使土壤中的重金屬得到活化，在一定程度上提高了土壤重金屬的生物有效性9。

4.3固氮菌在植物修復中的應用

根瘤菌是目前研究較多的一種共生固氮菌，常與豆科植物共生結瘤。根瘤菌聯合豆科植物在修復重金屬污染中作用明顯，豆科植物黃花羽扇豆和根瘤菌Bradyrhizobiumsp.共生系統對土壤中銅、鋅、鉻、鉛的固定量較高，并且隨著土壤污染程度的增加，植物根和莖對重金屬離子的積累量會大幅度增加80。土壤中重金屬離子Pb對玉米根和植株的生長會產生較大影響。然而，當接種了固氮菌如圓褐固氮菌或者豌豆根瘤菌后，與對照組相比，接種后的植株生長量顯著增加口，并且與接種其中某一單一菌種相比，同時接種圓褐固氛菌和豌豆根瘤菌2種固氨菌的植株長勢更好121。相關學者在研究向日葵與固氮菌對重金屬鉻的修復時，將固氮菌P.putida06909接種進向日葵根部中，發現其明顯降低了鎘對植物的毒害作用，并且在植物根系中鎘的積累增加了40%，明顯提高了植物對重金屬的萃取能力3。郝秀麗從甘肅鉛鋅礦區刺槐根瘤中分離出2株重金屬抗性細菌AgrobacteriumtumefaciensCCNWGS0286及MesorhizobiumamorphaeCCNWGS0123，通過全基因組測序分析、轉座子突變等技術，對Cul/Zn抗性機制以及對Cul/Zn污染土壤的聯合修復作用進行了研究。研究結果表明，A.tumefaciensCCNWGS0286（176）及MesorhizobiumamorphaeCCNWGS0123具有良好的重金屬抗性及促植物生長能力，根瘤菌刺槐共生體系在修復礦區重金屬污染環境中擁有巨大潛能。康夏等凹利用盆栽試驗來捕獲釩鈦磁鐵廢礦土中的大豆和豇豆根瘤菌，結果表明，重金屬含量高且十分貧瘠的礦土中存在豐富的土著根瘤菌，并能在非常惡劣的土壤環境中共生固氮;還構建出豇豆一syj1和大豆-ms12-11等2個固氮效率較高的共生體系，，其在增加豆科植物抗逆性的同時，還可補充貧瘠土壤中的氮營養，可作為一種生物修復方式應用于釩鈦磁鐵廢礦土壤的修復。

基于固氮菌在促進植物生物量的增加和促進植物對重金屬吸收和固定的雙重作用，如果植物被接種上耐重金屬的固氮菌，將極大地改善植物的生長狀況和植物修復土壤重金屬污染的能力。目前的研究表明，大量植物已經被發現具有吸收重金屬的潛力，然而許多具有修復重金屬的能力的植物不能產生足夠的生物量。因此，在超富集植物生長過程中弓入固氮菌既可促進植物生物量的增加，又可促進植物對重金屬的吸收和固定，減少土壤中重金屬含量，是一種極具發展前景的土壤修復技術。

5展望

目前，土壤重金屬污染對人類的生存和發展產生了嚴重威脅，治理形勢嚴峻，世界各國已投入大量的人力、物力和財力致力于土壤重金屬污染的修復。一些常用的土壤重金屬污染修復技術如物理修復、化學修復生物修復和聯合修復等技術也在不斷改進。植物聯合固氮菌的修復方法屬生物修復中較為新型的一種技術手段，影響因素較多，如固氮菌和宿主植物的種類、土壤重金屬污染的類型和污染程度等針對利用植物聯合固氮菌來修復土壤重金屬污染的領域，未來還需從以下方面加強研究。

5.1固氮菌的選育

固氛菌種類繁多，應篩選出能高效吸附某一特定重金屬元素的菌株，并根據具體的土壤條件篩選與其相適應的特定菌株，深入探究修復固氮菌與土壤環境之間的相互關系，為構建協同修復技術提供理論基礎。

5.2固氮菌修復機理的研究

固氛菌聯合植物參與的重金屬污染修復過程是一個復雜的物理、生化過程，可以結合分子生物學、代謝組學系統研究固氮菌對重金屬污染修復的機制，研究固氮菌、植物、土壤.重金屬離子之間的相互作用。通過對修復機理的進步深入研究，可以為聯合修復技術的建立以及實際工程應用提供理論支持。

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