土壤重金屬的大型真菌生物修復研究進展

王江力，武 靜，王可鑫，薛 珊，王 念，賀 美

(長江大學 資源與環境學院，湖北 武漢 430100)

1 引言

聯合國糧食與農業組織(FAO)在2018年發布的《土壤污染：隱藏的現實》中指出了全球土壤污染嚴重的現狀，其中重金屬污染尤為嚴重[1]。據2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總超標率為16.1%，無機污染占總超標率的82.8%，以重金屬污染為主，其中鎘、汞、砷、鉛、銅、鉻、鋅、鎳8種重金屬污染嚴重[2]。因此，研發經濟又高效的處理方法與技術來解決土壤重金屬污染的問題非常必要。

大型真菌對不同類型的重金屬呈現明顯的吸附與富集效果[3]，在土壤重金屬修復應用中具有較大的潛力。大型真菌在土壤重金屬修復領域與植物修復較為類似，具有以下特點：①大型真菌對汞、鉻、鎘、砷、鉛等有毒有害重金屬的吸附容量要優于植物；②大型真菌可以在同一菌體中吸附多種重金屬元素；③大型真菌在生長周期上要更短，且子實體容易腐化。利用大型真菌對土壤重金屬污染進行生態修復在解決土壤重金屬污染的環境問題上具有一定的優勢和可行性。本文通過綜述土壤重金屬污染現狀、大型真菌對重金屬的生物富集機理以及大型真菌在重金屬生物修復中的應用與反饋，以期為土壤重金屬污染修復提供參考。

2 土壤重金屬污染現狀

根據調查研究數據表明，目前全世界各國重金屬污染程度各有不同。對于發達國家而言，其對環境的治理領先其他國家多年，同時將本國重污染企業遷移至發展中國家，使發達國家在土壤重金屬污染問題上并不突出。對于一些落后的發展中國家而言，礦區開采、工業企業尤其是承接的重污染企業，使得該地區污染加重。如澳大利亞遺留礦區Hg污染嚴重超標[4]，印度美達克省Cr、Cu、Cd、As、Ni、Pb、等6種重金屬都處于中-重度污染范圍[5]，蒙古烏蘭巴托市發電廠燃煤，汽車增加，加重了該地區土壤的砷鉛污染[6]，伊朗伊斯法罕市穆巴拉克鋼鐵廠附近土壤Co、Mn、As、Pb、Cd、Ba和Mo處于中等污染水平[7]。

對我國而言，建國后相當長的一段時間里，環境污染集中在一些工業城市。由于土壤重金屬污染具有易遷移、隱蔽性強、化學成分復雜等特點，使得人們對土壤重金屬污染不夠重視，保護法案不夠完善。直到最近幾年，逐漸意識到土壤重金屬污染的嚴重性。我國土壤重金屬污染現狀和趨勢仍在不斷惡化，具有以下特點：①耕地污染嚴重。受重金屬污染耕地面積達1000萬hm2，占據總耕地面積的8%以上；②工業和礦業及周邊地區污染仍在加劇；③高背景值地區重金屬嚴重超標；④放射性重金屬污染逐漸明顯[8]。據2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，重污染企業用地、工業廢棄地、工業園區、采礦區、污水灌溉區、干線公路兩側土壤污染超標點位分別為36.3%、34.9%、29.4%、33.4%、26.4%、20.3%，其中大部分以重金屬污染為主[2]。

總體而言，全球重金屬污染仍在不斷加劇，土壤重金屬污染問題仍然沒有好的解決方法。

3 大型真菌對重金屬的富集機理

大型真菌對重金屬的生物富集由生物吸附、生物轉運、生物積累等過程共同實現。其中生物吸附是生物富集的基礎，隨后大型真菌將吸附的重金屬轉運至體內，最終富集在真菌體內的特定部位。

3.1 大型真菌的吸附機制

大型真菌對重金屬的吸附分被動吸附和主動吸附兩類。被動吸附分為胞外吸附、表面吸附，主動吸附主要為胞內吸附。

3.1.1 被動吸附

被動吸附依靠細胞胞外聚合物(EPS)與重金屬形成聚合物使重金屬固定。有研究發現大型真菌的EPS主要由75%左右的葡聚糖與少量的蛋白質以及其他物質組成[9]，不同組成成分的EPS對不同重金屬的固定作用不同。

被動吸附過程中表面吸附、胞外吸附需要不同的EPS，表面吸附利用的是一類與細胞緊密結合的EPS(TB-EPS)[10]。這類TB-EPS是分布在細胞表面糖類和蛋白質，其中包含羥基、羧基、巰基等官能團，這些官能團通過靜電吸附、氧化還原、離子交換等形式對重金屬作用，將其固定在細胞表面。李三署[11]在對姬松茸的研究中發現，Cd在姬松茸中的富集主要集中在細胞壁上，其占比高達83.2%，僅有少部分進入大型真菌內部。胞外吸附需要依靠脫離細胞外的EPS，稱之為可溶性細胞外聚合物(SMP)[12]，主要由蛋白質、脂肪、糖類、黑色素等物質組成，可以為細胞提供一個緩沖空間，增加細胞對環境的適應能力[13]。

SMP還可作為金屬活化物，改變重金屬離子的生物可利用性，影響大型真菌對重金屬的吸附效果。SMP對的重金屬活化在植物的根際領域[14]和單細胞微生物領域[15]都有發現，但對大型真菌方面研究較少。部分學者發現野生菌絲分泌物中的含碳物質可以活化土壤中的Cr[16]。茶麗娟等[17]在對野生菌生長土壤重金屬形態的研究中發現野生菌生長分泌物對土壤Pb有很好的活化作用。

3.1.2 主動吸附

主動吸附是能夠表現大型真菌對重金屬耐受程度的一種行為方式，這種吸附方式不僅需要大型真菌消耗一定能量，而且還需要真菌提供相應的金屬離子通道。當細胞吸收重金屬后，可通過“區域化作用”分散于細胞內的不同區間，而在細胞體內會有金屬硫蛋白(MT)的合成，MT可通過半胱氨酸(Cys)殘基上的基團固定重金屬[18]。

大型真菌要發生主動吸附必須滿足一定的條件，只有當SMP的某種金屬結合位點被消耗殆盡時，重金屬才有可能大面積的接觸到真菌細胞。在真菌表面存在著大量的糖類和蛋白質，這些糖類和蛋白質會選擇性的吸附某些重金屬離子，最后這些重金屬離子才會通過金屬離子通道進入細胞體內[19]。Didier Michelot通過對大型真菌吸附重金屬的機制進行分析，結果表明重金屬主要與大型真菌的特定性金屬蛋白結合后才被運送至細胞體內[20]。這種吸附方式與植物細胞吸收物質的行為類似，但與植物的吸附機制相比，大型真菌對重金屬的吸附性能要優于植物的根系吸收[21]。其主要原因可能是運輸通道的問題，大部分植物主要通過導管運輸吸附的重金屬物質，而大型真菌則可以在每一條菌絲上轉移。

3.2 大型真菌對重金屬的生物轉運

大型真菌屬于一類特殊的微生物群體，既有微生物的特性又有較大的子實體，使其對重金屬有很好的富集效果。大型真菌同植物一樣都有自己的一套運輸體系，將重金屬物質從體外轉運至體內。劉瑞霞等[19]對重金屬的生物吸附機理及吸附平衡模式研究，發現重金屬進入生物體內主要分為兩步進行：①重金屬在細胞表面與細胞外側官能團有機結合；②細胞通過主動吸附，利用某些酶與重金屬結合從而運送至細胞內。大型真菌主要通過菌根來完成對重金屬的吸附作用，并通過生物的運輸功能送至各個部位。

大型真菌從環境中吸收轉運重金屬受外界環境、大型真菌種類和重金屬種類的影響。黃建成等通過姬松茸對Pb、As、Hg、Cd四種重金屬的富集規律及控制技術研究，結果表明姬松茸在菌絲的作用下將培養環境中的4種金屬富集到子實體中，并且培養環境與子實體菌絲中重金屬具有很強的相關度[22]。王小平[23]對姬松茸(口蘑科)吸附重金屬的實驗研究，結果表明5種重金屬在姬松茸中呈現從下到上、從中間向外側逐漸增加的趨勢。由于大型真菌主要由許多細小菌絲交錯盤繞而形成，其物質運輸自下而上，加之蘑菇表面與環境接觸面積較大，會吸收來自大氣和水環境中的一些重金屬，使得中重金屬的總體轉運趨勢呈現這種規律。

3.3 大型真菌對重金屬的生物積累

大型真菌對于不同重金屬的生物累積因污染條件、重金屬結合位點等因素變化而存在差異。如絨柄牛肝菌菌蓋對Mg、Zn、Cd的吸附量較大，菌柄則對Co、Ni有較強的累積行為[24]。冬蓀菌蓋中的Hg、As含量要高于菌柄，Cr、Cu、Pb、Zn的含量要低于菌柄，Zn的含量甚至要低于菌托[25]，這有可能與真菌體內的重金屬結合位點密切相關。在無污染的情況下，雙胞蘑菇中的Pb、Cd的含量是菌柄小于菌蓋。在污染條件下，Pb則正好相反，而Cd含量仍然是菌柄小于菌蓋[26]。其原因可能有2種：一方面可能是由于重金屬形態發生變化，從而導致在真菌中的結合位點發生變化；另一方面的原因可能是當某種重金屬含量過高時會誘導真菌細胞分泌某種物質，從而使得重金屬無法向其它部位轉移。

4 大型真菌對土壤重金屬的生物修復及反饋機制

早期解決土壤重金屬污染主要依靠物理方法：客土、換土技術，化學法：淋洗技術、鈍化技術，生物法：植物修復技術。近些年植物修復土壤重金屬的研究已經取得了一定的進展，但是植物修復技術仍然具有明顯的不足[27,28]。而大型真菌作為一種多細胞的真菌，較大的子實體便于采摘，較短的生長周期便于充分富集，較高的環境耐受性便于生長繁殖，使得大型真菌在解決土壤重金屬污染問題上具有很重要的價值。

4.1 不同真菌對重金屬的生物修復

大型真菌在富集重金屬時存在特異性，根據重金屬的富集效果可分為不易富集重金屬類型、特定重金屬富集類型、多種重金屬富集類型三大類。

不易富集重金屬的大型真菌的胞內吸附和表面吸附能力較差，與其他大型真菌相比其體內產生的某些特殊酶可能較少。對于大部分樹生菇而言，這類大型真菌屬于不易富集重金屬類型，在自然環境下樹生菇對重金屬的富集系數要小。平菇作為生活中最為常見的一種大型食用樹生菇，與其他食用菌相比對重金屬吸附量明顯較小[29]。可能是因為其主要的營養來源為木質類的植物殘體和纖維質的植物殘體，從而限制重金屬來源。

在自然環境中普遍存在的是對特定金屬有特異性吸附的大型真菌類，通過泌金屬蛋白酶促進重金屬轉移到特定的結合位點，從而達到對重金屬元素超富集的目的。Ertugrul Sesli 等[30]對土耳其黑海附近80多株大型真菌重金屬含量進行分析，結果表明不同真菌對特定金屬存在特異性吸附現象。例如80多株大型真菌中傘形赤酶屬對對Mn和Zn的富集能力較強，而鵝膏菌科鵝膏菌屬對Co和As的富集能力較強。

多種重金屬富集類型真菌對環境中的多種重金屬有很強的富集能力，通常含有許多能與重金屬結合的物質。例如，姬松茸含有大量的核酸、外源凝集素、甾醇和脂肪酸和多糖，這些物質對重金屬有較強的吸附效果，使得姬松茸對許多重金屬有較好的吸附性能。在人工栽培的環境中姬松茸對Hg、Cd的富集系數分別為2.4～4倍和27.8～32.4倍[22]。同姬松茸一樣，部分食用菌也具有對多種重金屬吸附的能力，在對鳳尾菇、香菇、金針菇、木耳子實體對重金屬的富集效果研究中發現，四種大型真菌對 As、Cd、Hg都表現出明顯富集作用[31]。

自然狀態下大型真菌吸附重金屬的能力會受到環境的限制，如表1所示，相同地區不同類型大型真菌與不同地區相同類型真菌對重金屬的吸附量存在差異。而決定大型真菌對重金屬富集能力在于該地區重金屬的濃度[31]和重金屬形態[17]。

表1 自然狀態下不同大型真菌對7種重金屬吸附量 μg/g

4.2 大型真菌對富集重金屬的反饋機制

無論是在自然環境還是實驗室模擬條件下，已經有大量實驗證明，大型真菌對重金屬具有吸附和固定化作用，而重金屬也會對大型真菌產生促進或抑制作用。一般而言，重金屬會在低濃度時促進真菌生長，而在高濃度時對真菌產生抑制作用。

4.2.1 富集重金屬對生物量的影響

重金屬的價態不同其毒性可能差別較大，例如有機汞、二價汞和零價汞，Cr3+和Cr6+等相同元素不同價態造成的毒性差異較大。但是重金屬與微生物的較量已持續了幾億年，某些微生物在自然環境中已形成較好的反饋機制。例如當土壤中出現較多的Cr6+時，土壤中的一些微生物會通過還原作用將毒性較強的Cr6還原為毒性較弱的Cr3+。

重金屬濃度是影響大型真菌生長的關鍵，劉秋梅[36]利用As、Cd、Pb、Hg四種重金屬對平菇進行脅迫實驗，結果表明除了Pb在60～120 μmol/L時有一定的促進作用，其他三種重金屬在不同濃度下均有一定的抑制效果，尤其在高濃度下，會存在完全抑制現象。李波[37]在對鎘脅迫姬松茸的研究中發現，當Cd濃度在2 mg/kg以下時，鎘對姬松茸是有促進作用，但是當Cd濃度超過2 mg/kg時姬松茸的生長逐漸受到抑制。陳亞精[38]利用靈芝、木耳和香菇對鉛、砷、鎘、鋁毒理效應研究時，推斷敏感重金屬可以抑制食用菌菌絲的生長，但其影響機理尚不明確。瑞典學者曾利用Cu對土壤微生物種群數量進行研究，結果表明：當Cu<100 mg/L時，土壤中的微生物有35種，當Cu達到1000 mg/L時，土壤中的微生物只有25種，當Cu達到10000 mg/L時，土壤中的微生物只有13種[39]。

在對重金屬的毒理學效應的研究中不難發現，重金屬一方面會抑制真菌的生長，另一方面真菌分泌EPS會促進真菌對重金屬的吸附作用。在這種機制的作用下可以使得大型真菌在土壤重金屬修復領域得到很好的應用。

4.2.2 富集重金屬對酶活的影響

重金屬等有毒有害化合物會對大型真菌活性酶的分泌產生一定的影響。當大型真菌的生存環境中重金屬濃度增加時，部分酶活性被抑制，同時會產生大量的活性氧自由基，大型真菌會分泌超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化氫酶(POD)和抗氧化的谷胱甘肽來保護真菌細胞不受損害[40]。

重金屬對酶活性的影響主要表現在低濃度促進高濃度抑制，但是有些重金屬對大型真菌也存在低濃度抑制的現象。研究發現As、Cd、Pb、Hg四種不同重金屬對平菇的羧甲基纖維素酶、蛋白酶、漆酶的活性影響大且差異明顯[36]。同時在Pb2+、Cr3+、Cd2+對糙皮側耳的研究中發現，糙皮側耳中的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化氫酶(POD)會隨著重金屬濃度的增加出現先促進后抑制的作用[41]，其中Cd對漆酶有明顯的抑制作用[42]。

這些現象在一定程度上反映了生物的生存機制，當污染物質與細胞接觸時，細胞就會主動的分泌一些物質來抵御污染物質的入侵。而污染物的驟增，會使細胞分泌物難以抵消污染物所帶來的影響，從而出現細胞活性降低或死亡的現象。

5 結語與展望

近年來部分學者開始對大型真菌修復土壤重金屬污染進行研究，但是由于生物特性使得大型真菌在修復土壤重金屬污染方面沒有太多的工業應用。歸其原因，可能是由以下幾種特性造成：

(1)大型真菌需要在陰暗潮濕溫暖的環境下生長；

(2)有些大型真菌對土壤環境(pH值、溫度、營養物、重金屬濃度)的要求較高；

(3)大型真菌在土壤修復過程中與土著微生物存在競爭關系，在自然狀態下土著微生物會占據明顯優勢。

因此要想在未來大型真菌修復重金屬領域取得一定的進展，還需要在以下幾個方面加大研究力度：

(1)優化工業手段。在原位或異位修復過程中盡量保持大型真菌的基本生存環境，并優化大型真菌的栽培方法，使更多的野生菌能夠人工栽培；

(2)提高大型真菌的抗性。有些大型真菌會對一些環境要素非常敏感，在研究時，可以向基因工程方面深入了解；

(3)提高物種豐富度。現階段人類對于大型真菌種類的了解還很少，因此要不斷加強對真菌的篩選與馴化研究。從而更早地實現大型真菌修復技術的工程化實踐應用。