叢枝菌根真菌-玉米聯合修復Cd、Pb復合污染土壤技術應用探討

摘 ? 要 ? 工業和城市化進程的不斷推進使土壤重金屬累積越發嚴重，農業土壤重金屬Cd、Pb污染逐漸引起人們重視。充分利用自然界中廣泛存在的叢枝菌根真菌，利用其能夠提高植物對重金屬耐受能力的特點，將叢枝菌根真菌與糧食作物玉米聯合，選育低Cd、Pb重金屬累積籽粒玉米品種，在重金屬Cd、Pb輕中度污染土壤上進行安全生產，同時實現修復和生產的“雙贏”局面。分析叢枝菌根真菌-玉米聯合修復技術應用須解決的主要問題和市場需求。

關鍵詞 ? 叢枝菌根真菌;玉米;聯合修復;重金屬復合污染;土壤

中圖分類號：X53 ? ?文獻標志碼：B ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.10.011

近年來，工業化和城市化進程的不斷推進、礦業的發展使周邊農田中土壤重金屬積累越來越嚴重。據2014年《全國土壤污染狀況調查報告》顯示，我國約0.23億公頃耕地被污染，受重金屬污染的土地面積占污染總面積的64.8%[1]，造成被重金屬污染的糧食達1 200萬噸以上，經濟損失高于200億元[2]。其中Cd、Pb污染分別位居第一位、第六位，且因Cd、Pb在土壤中具有極強的不可降解性、積累性和不可逆性，對人類健康和土壤生態環境系統存在著巨大風險和危害。重金屬Cd、Pb進入土壤后會改變土壤的物理化學性質和生態結構，進而影響土壤中植物和微生物的生長。Cd、Pb是植物生長的非必需元素，但土壤中的Cd、Pb易被植物吸收，通過根系吸收并在植物體內積累，不但影響植物對氮、磷、鉀等營養物質或鈣、鎂等礦物質的吸收[3]，影響植物光合過程中的電子傳遞，使葉綠素酶活性增大，加快葉綠素分解速度，從而抑制植物的光合作用，破壞植物體內新陳代謝，影響植物的核酸代謝，改變合成、編碼蛋白的遺傳物質的合成，使酶蛋白失活或結構變異，并會影響植物呼吸作用及氮代謝，從而影響植物的生長發育或者導致植物體的死亡[4-6]。

農業土壤是國家食品安全的生命線，保證土壤環境質量是關系民生安全的頭等大事。因此，探索高效、經濟、環保的重金屬土壤修復技術，加強土壤重金屬的污染修復，對農產品食品安全和人居生存環境的改善至關重要。目前我國土壤污染修復技術實際應用較少，多半處于研發階段。然而，土壤重金屬場地污染、面源污染日益嚴重，傳統的物理化學方法如改良劑沉淀法、螯合劑修復法、表面活性清洗劑修復法，以及工程修復方法，如客土、換土法、深耕翻土法、電動修復法、土壤淋洗法等，這些措施均有一定的效果，但因對土壤副作用較大、耗費較高，可能帶來二次環境污染，因而未能成為理想的修復措施。生態修復這種經濟有效且對環境友好的修復技術和方法是目前的研究熱點。在重金屬污染土壤中利用微生物與植物聯合修復，利用了土壤微生物與植物的共存關系，充分發揮了微生物與植物修復技術各自的優勢，能夠顯著提高土壤中重金屬污染物的修復效率，最終達到徹底修復土壤重金屬污染的目的。利用叢枝菌根真菌（Arbuscular mychorrhizal fungi， AMF）對土壤重金屬污染進行治理被各國學者重視起來。AMF提高植物的重金屬耐受性及AMF生態修復能力已得到廣泛證實[7-8]，并已逐步應用于實踐中。

1 AMF

AMF是土壤與植物根系間養分運輸的一個橋梁，也是土壤微生物的一個群組[9]，能與90%以上陸生植物形成共生關系[10]，具有很高的經濟和生態價值。植物與叢枝菌根真菌之間的關系為協同進化[11]，AMF從植物中獲得所有的碳源，再把礦質養分從土壤運送到植株[12]。一般真菌產生的大量外生菌絲體高度適于養分的吸收和轉移，并形成了植物根系與土壤環境間的一個連接體。

大量研究表明，菌根真菌能顯著促進宿主植物的生長[13-14]。AMF可擴大植物根的吸收面積，提高植物根系間的礦質養分循環，增強植物光合作用和對水分的吸收，保護植株不受根系病害的侵染，還影響到根際其他可促進生長的微生物活性[15]。對菌根植物修復重金屬污染土壤的能力和菌根植物抗重金屬機理的研究表明，AMF能提高植物抗氧化酶活性，清除因脅迫產生的大量活性氧，還能促進植物非酶抗氧化劑的產生，減輕植物細胞的損傷[16-17]。AMF誘導植物產生的類黃酮、酚類及植保素等，能增強植物的抗病性[18]。綜上所訴，AMF可增強植物的逆境生存能力。AMF可通過直接和間接作用提高植物耐受重金屬脅迫的能力，通過限制重金屬的吸收、細胞壁結合、區室化作用、螯合作用等過程，提高耐受重金屬毒害的能力。

人們已經關注到了菌根在重金屬污染土壤的生物修復中的效應及作用機理，而且針對AMF聯合不同植物種類開展了大量研究，如Motaharpoor等[19]測定了AMF侵染植物對土壤中Cd的去除效果，結果表明，AMF與植物的共生不但顯著增加了Cd污染脅迫下植物的生物量，而且促進了植物對Cd的累積。Zhang等[20]研究了AMF接種和生物炭的聯合應用不但能夠顯著改善苜蓿對土壤養分的吸收，還能降低植物體內Cd的累積。還有相當多的學者研究了AMF在高含量銅鋅礦區的生長，從污染土壤中分離出的AMF顯著增強高粱對銅和鋅的抗性，顯示出AMF具有提高植物修復金屬污染的潛力[21]。

2 AMF-玉米聯合修復

國外很多地區都是地廣人稀，土地資源豐富，因此對重金屬污染土壤進行修復治理研究多采用AMF聯合超累積草本植物。陜西省作為一個人口和能源消耗大省，農用地資源緊缺，采用種植超累積植物進行污染修復的周期較長，且引進的超累積植物可能會因氣候或土壤性質的變化，對重金屬Cd、Pb的富集累積特性產生影響，可能會導致技術的區域適用性不佳。特別是在小秦嶺金礦區的重金屬Cd、Pb污染區，探索出一種既能夠修復污染，又能保障居民收益，同時對污染土壤進行安全利用的技術，成為亟需解決的問題，最終實現邊生產邊修復的目標。玉米（Zea mays L.）屬一年生禾本科，具有植株高大、莖強壯、適應性強等特點，是陜西省廣泛種植的一種糧食作物和飼料作物，其遺傳性較為復雜，因而變異種類豐富。很多研究表明，同一作物的基因型不同，其重金屬累積量差異明顯，如匡少平等[22]研究在Pb脅迫條件下，單株玉米對Pb的吸收量最大的品種是最小品種的3倍多，而且Pb在不同品種的根部莖葉中含量也有較大差別[23]，這些條件為篩選重金屬低累積品種提供可能性。例如選育籽粒中低Cd、Pb重金屬累積的玉米品種，在重金屬Cd、Pb輕中度污染土壤上進行安全生產，可實現修復和生產的“雙贏”局面。

3 聯合修復需要解決的問題

在陜西省小秦嶺區域，存在大量Cd、Pb重金屬污染地塊，調查發現該區域污染土壤的Cd、Pb含量分別為1.47～3.42 mg·kg-1、175～1 779 mg·kg-1 [24]。要保障重金屬污染地塊的安全利用，對此類型土壤開展修復技術研究具有現實意義。

2018年8月1日起實施的《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》中規定，農用地土壤中Cd、Pb含量高于標準篩選值但低于或等于管制值時，可能存在食用農產品不符合質量安全標準等土壤污染風險，需要采取安全利用措施。作為當地主要食用的糧食作物——玉米，通過向其人工接種AMF，利用AMF-玉米對重金屬污染土壤進行修復，需要解決幾個問題：1）菌種必須對重金屬污染土壤有較強的耐性和適應性。對重金屬Cd、Pb污染區與不同品種玉米共生的AMF混合菌進行篩選，可解決引進的菌株因對污染土壤環境不適應而導致的侵染率低等問題，為重金屬Cd、Pb污染土壤生物修復研究工作奠定基礎。2）AMF-玉米協同作用應對重金屬污染土壤質量改善具有良好效果，且玉米籽粒應達到安全利用標準。有研究表明，在重金屬污染土壤中廣泛存在抗逆性的AMF，大多數能夠緩解重金屬對共生植物的毒害，菌根對植物組織器官中重金屬累積量和分配的影響，往往取決于植物種類等因素，因而，研究不同品種的玉米在接種或不接種AMF條件下，對重金屬Cd、Pb污染土壤質量、肥力和微生物活性的改善情況，以及不同品種的玉米組織器官中，尤其是對籽粒中Cd、Pb的累積量和分配規律進行綜合評價，篩選出對Cd、Pb具有不同穩定性和適應性的籽粒重金屬低累積玉米品種，能夠為重金屬Cd、Pb輕中度污染區的玉米種植品種提供科學規劃，最終實現在污染區生產修復同時進行的目的。3）優化玉米種植密度和水肥管護等參數，保障玉米生產和土壤修復效果。重金屬Cd、Pb污染區，土壤質量不高，研究重金屬污染區玉米的種植密度及其對低水環境的響應特點對于種植管理工作安排至關重要。

4 聯合修復的市場需求

土壤是人類賴以生存的物質基礎，也是經濟社會發展不可或缺的寶貴自然資源。保護土壤環境是推進生態文明建設、維護生態安全的重要內容。環境保護部和國土資源部此前發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出。2018年8月31日，十三屆全國人大常委會第五次會議全票通過了《中華人民共和國土壤污染防治法》。這是我國國家層面制定的第一部土壤污染防治領域的單行法。政策利好之下，我國土壤污染防治工作有望取得較大突破，并將極大地釋放土壤環境監測和土壤修復等市場空間。

2017年初，陜西省政府出臺《陜西省土壤污染防治工作方案》，提出到2020年，受污染耕地安全利用率達到92%以上，污染地塊安全利用率達到90%以上，土壤環境質量點位達標率不低于82%，耕地土壤環境質量點位達標率不低81%;到2030年，受污染耕地安全利用率達到95%以上，污染地塊安全利用率達到95%以上，土壤環境質量點位達標率不低于88%，耕地土壤環境質量點位達標率不低于90%。

在污染土壤修復日益受到國家和地方政府關注的背景下，探索安全、高效、成熟的污染土壤修復技術顯得尤為重要和緊迫。我國存在面積達數十萬公頃的有色礦山開采區和金屬加工區，每年產生大量含有重金屬的尾渣等污染物，因不當處置使重金屬進入環境并最終進入土壤環境造成污染。AMF不但能與植物協同進化，還能夠提高植物的重金屬耐受性，且其生態修復能力已得到廣泛證實，但目前就采用AMF與玉米對污染地塊中的Cd、Pb修復應用技術研究尚缺乏。因此，加強AMF與玉米協同作用在重金屬Cd、Pb污染土壤修復效應和安全利用方面的研究十分必要，可為循環、綠色、生態的現代化治理技術應用提供一條新思路。

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（責任編輯：易 ?婧）