重金屬污染土壤修復中的根際效應研究進展

景文杰，全占軍，韓煜，蔡譞，馬俊勇

中國環(huán)境科學研究院

根際是指植物根系與植物-微生物-土壤之間相互作用的狹窄而敏感的土壤微環(huán)境區(qū)域，其物理、化學、生物特性與原土體顯著不同。通常認為松散黏附在根系表面1～4 mm 的土壤為根際土壤[1-3]，但該范圍因植物種類和土壤性質不同而具有差異性[3]。由根際分泌物介導的根際效應有多種表現形式，如根際土壤微生物種類及活性顯著不同于非根際土壤[4-5]，根際土壤酶活性顯著高于非根際土壤[5]，根際土壤理化性質與非根際土壤有差異[6]。根際效應在根際土壤微生物群落的構建過程中起著關鍵作用[7-8]，受土壤類型[9-10]、植物類型[11-12]、氣候變化[13-14]等因素影響，其中土壤類型是根際效應最顯著的影響因素[10,15]。

學界對根際效應的研究主要集中在農業(yè)生產、林地保護的應用及理論研究，如劉菊梅等[16]發(fā)現，紫花苜蓿（Medicago sativa）的根際效應有助于鹽堿地土壤理化性質改善，為優(yōu)化大型灌區(qū)鹽堿化農地土壤的植物改良措施提供了科學依據；叢枝菌根真菌共生體使植物根系分泌物成分和濃度發(fā)生改變，進而直接（影響線蟲的孵化、運動、趨化性和寄主位置）或間接（改變捕食線蟲的根際微生物的多樣性）地防控植物寄生線蟲，達到生物防治的目的[17]；大量研究表明，根際效應在改變土壤養(yǎng)分[16,18]、促進生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)[19-20]、提高作物產量[16,21]以及生物防治[17,22]等方面作用顯著。

近年來，根際效應在土壤修復領域的研究取得了一定進展。植物根系分泌的部分低分子有機酸為陰離子，可與重金屬離子發(fā)生絡合/螯合反應，如草酸鹽、檸檬酸等物質[23]可與土壤中Pb2+形成可溶性絡合物，改變土壤Pb 的有效性，提高了植物對Pb 的去除效果。根際微環(huán)境中，與植物共生的微生物可影響土壤重金屬的生化過程，如根際促生菌通過改變根系結構、在根際分泌金屬螯合分子，與重金屬發(fā)生螯合反應，減輕重金屬離子對植物的毒性[24]。筆者綜述了根際效應在重金屬污染土壤中的修復機制、影響因素，提出加強修復效果的措施，以期為豐富和發(fā)展重金屬污染土壤修復技術、提高土壤修復效率提供參考。

1 重金屬污染土壤修復中根際效應的研究概況

目前，重金屬污染土壤修復主要采用物理化學方法[25-26]、生物方法[27]以及聯(lián)合修復技術[28-29]。土壤重金屬污染有長期性、累積性、不可逆性的特點，較難被微生物降解。在眾多修復方法中，植物修復技術顯示出優(yōu)勢，植物根際可從環(huán)境中吸收、積累部分重金屬，而且能與根際微生物互相作用調節(jié)根際微環(huán)境中重金屬生物有效性，具有成本低、二次污染小等優(yōu)點，受到了學界極大關注[30-31]。Ran?elovi?等[32]在塞爾維亞的某銅礦山上對種植瀕危物種淫羊藿（Epilobium dodonaei）的研究表明，多年生淫羊藿根中Cu、Pb、Zn 濃度遠高于地上部分，在礦山廢棄地的植物修復中具有潛在的應用前景，同時實現生態(tài)恢復和保護生物。Zhan 等[33]發(fā)現在自然生態(tài)恢復礦山荒地的過程中，植物群落發(fā)育時期的優(yōu)勢種通過改善pH、降低重金屬毒性、增加有機質濃度和水分含量等途徑影響固氮微生物的多樣性和結構。然而，目前大部分重金屬污染土壤植物修復研究仍集中在小部分物種試驗上，影響因素單一、栽培期限較短、試驗規(guī)模較小（表1 和圖1），在面對如農田土壤、礦山廢棄地等復雜修復條件時，無法準確了解根際效應的作用機制、影響因素及修復效果等。因此，研究植物根際效應在重金屬污染土壤長期野外修復過程中的作用機制，開展較長時期的污染農田、礦山修復進程中根際土壤微環(huán)境研究，可為豐富和發(fā)展重金屬污染土壤生態(tài)修復工程提供基礎理論支撐。

圖1 近15 年典型研究方法及研究周期特征統(tǒng)計[5,23,32-56]Fig.1 Statistics of typical research methods and research cycle characteristics in recent 15 years

表1 重金屬污染土壤植物修復案例Table 1 Case of phytoremediation of heavy metal contaminated soil

2 重金屬污染土壤修復中根際效應的機制

植物本身需要吸收一些礦物營養(yǎng)元素（如Cu、Fe、Ni、Zn 等）參與生物化學過程，而其他的重金屬元素如Cd、Hg、Pb、U 等參與該生物功能較少甚至完全不參加正常的植物生長代謝[57]。根際是土壤與植物相互作用的界面，既與植物礦物質營養(yǎng)吸收有關，也是控制重金屬污染的關鍵區(qū)域[58]。由植物根系與周圍土壤組成的根際，其物理、化學和生物特性不同于非根際土壤，使根際與非根際土壤中重金屬的形態(tài)轉化（即重金屬生物有效態(tài)的轉化）、遷移分布（即重金屬濃度差異）具有顯著性差異（圖2）。

圖2 重金屬污染土壤中根際效應的修復機理Fig.2 Mechanism of rhizosphere effect for remediation of heavy metal contaminated soils

2.1 重金屬的形態(tài)轉化

植物根系分泌物、土壤化學物質與重金屬離子發(fā)生氧化還原、絡合/螯合等化學反應是根際重金屬的形態(tài)轉化受到根際微環(huán)境驅動的重要原因。朱佳文等[52]的研究發(fā)現，隨著先鋒植物在尾礦庫的定居，土壤中Pb、Zn、Cd 從殘留態(tài)向弱結合態(tài)和乙酸溶解態(tài)轉化。Huang 等[34]研究了蓖麻的根對土壤中Cu 形態(tài)的影響，結果表明，酸交換性Cu 在根際土壤中的濃度高于非根際土壤，還原性Cu、氧化性Cu 和殘留Cu 的濃度則相反，說明根際效應能將Cu 從相對穩(wěn)定形態(tài)轉化為有效態(tài)。王燕[59]的研究發(fā)現，根際效應對Hg 的甲基化過程有重要影響，根際土壤能促進Hg 的甲基化。根際效應使根際土壤重金屬形態(tài)不同于非根際土壤，部分重金屬元素生物有效性發(fā)生改變，有利于重金屬污染土壤修復。

2.2 重金屬的遷移分布

當根際土壤中重金屬的濃度大于非根際土壤時，表現出重金屬的富集，反之則為虧損[47]。Motaghian等[35]的研究表明，小麥根際土壤與非根際土壤中可溶解性有機碳濃度差異會改變土壤Cu 組分的比例，其中根際土壤中有效Cu 濃度顯著低于非根際土壤，且根際土壤中總Cu 濃度低于非根際土壤。龔貴清[60]研究了三峽庫區(qū)狗牙根的根際微域中Hg 的遷移分布，結果表明，不論是總汞還是甲基汞，其濃度變化趨勢均表現為根際土壤＞近根際土壤＞非根際土壤，且根際土壤中的濃度顯著高于非根際土壤。根際效應使重金屬形態(tài)、濃度在根際土壤與非根際土壤存在差異，而這種差異表現受植物類型、污染土壤類型等因素影響。

3 重金屬污染土壤根際效應修復的影響因素

3.1 土壤理化性質

土壤理化性質影響根際效應，進而影響重金屬污染土壤的修復效果。Kim 等[48]研究發(fā)現，印度芥菜的生長導致酸性土壤中根際土壤溶液pH 顯著增加，可溶性重金屬濃度降低；而在堿性土壤中根際土壤pH 輕微增加，可溶性重金屬濃度增加。這說明土壤初始pH 影響根際土壤pH 升高的程度，進而影響可溶性重金屬濃度的變化。Li 等[41]將土壤pH 從7.8 調節(jié)到6.7 后，發(fā)現根際效應在含Pb 磷肥土壤中增強，可溶性Pb 濃度增加。

3.2 植物特征

植物類型對根際效應有顯著影響，不同的植物對重金屬污染土壤的修復效果不同。表1 中列出部分重金屬的修復植物，芥菜、刺槐、蘿卜等對Pb 的修復效果較好，但目前難以確定特定污染類型下，哪種植物對Pb 的修復效率最高。未來需要篩選針對特定重金屬污染類型下具有最高修復效率的植物，建立特異性植物資源庫，便于篩選修復植物決策的及時性和可靠性。研究表明，耐Cd 植物黑麥草根系主要分泌的草酸與Cd2+形成穩(wěn)定的螯合物導致根際土壤有效態(tài)Cd 濃度顯著低于非根際土壤，而Cd 超富集植物葉用紅菾菜根分泌的小分子量有機酸與Cd2+發(fā)生的螯合反應促進了根際土壤中Cd 的溶解，增加了葉用紅菾菜對Cd 的吸收，2 種植物之間的根際效應差異明顯[42]。因此，在改性納米黑炭固定污染土壤中Cd 時應避免使用耐Cd 植物（耐Cd 植物黑麥草的根際效應與改性納米黑炭固定污染土壤中Cd 有競爭性即負影響，而Cd 超富集植物葉用紅菾菜的根際效應對改性納米黑炭固定污染土壤中Cd 有促進作用）。植物不同生長階段根際效應不同，但目前學界對植物修復重金屬污染土壤的研究集中于短期試驗栽培（圖1），關于植物生長階段對重金屬污染土壤修復效率影響的研究較少。有學者分析了油頁巖復墾區(qū)1 年生、2 年生、3 年生、5 年生、29 年生、40 年生的白樺林（Betula platyphylla）土壤細菌多樣性，結果表明，根際土壤細菌多樣性高于非根際土壤，根際對土壤細菌活性的影響在種植1 年后較低，隨著林齡增加而升高后又迅速下降，且根際效應變化最大的時期為白樺林發(fā)育的前5 年[61]。多年生植物如刺槐、白樺等喬木的根際效應在礦區(qū)復墾和林分發(fā)育中具有重要作用，但因其生長時間長，難以進行長期、持續(xù)監(jiān)測研究，今后需關注較長時間的重金屬污染土壤植物根際修復效果。

3.3 重金屬的性質

重金屬形態(tài)會影響污染土壤修復效率。研究表明[62]，污染土壤中不同組分的Cu（如可溶和可交換的Cu、與鐵錳氧化物或碳酸鹽沉淀的Cu、與有機質絡合或吸附到有機物的Cu 等），具有不同固定或釋放Cu 的能力，影響重金屬污染土壤的植物根際修復效率。不同重金屬性質不同，受同一根系活性影響的溶解度不同，Li 等[41]的研究表明，污染土壤中的Al、Fe、Cu 和Ni 的溶解度因根系活性而提高，而堿金屬如K、Ca、Mg 等的溶解度則相反。多種重金屬離子共存時，對土壤膠體具有較高親和力的重金屬通過直接競爭有效的結合位點影響低親和力金屬的濃度，如Kim 等[48]的研究發(fā)現，Cu、Pb 等穩(wěn)定常數較高的重金屬濃度的增加導致Cd、Zn 從固相向液相釋放，從而提高了根際土壤中Cd、Zn 的溶解度。

4 根際修復的強化措施

僅通過植物根系自身的根際效應，難以達到預期的修復效果，利用重金屬污染土壤根際效應修復的效果受到上述影響因素的影響。可通過調控植物根際環(huán)境的方法如土壤改良、接種外源微生物等方式影響根際效應，改變重金屬的轉化、遷移行為，使根際土壤中重金屬生物有效性發(fā)生變化，達到強化重金屬修復效果的目的（圖3）。

圖3 強化植物修復重金屬污染土壤的措施Fig.3 Measures to strengthen plant remediation of heavy metal polluted soils

4.1 土壤改良

在植物根際修復過程中，螯合劑、酸堿調節(jié)劑等添加劑的加入改變或改良了土壤初始環(huán)境，可強化植物根際對重金屬的修復，具有可量產、成本低、防止土壤環(huán)境受到二次污染等優(yōu)點。Guo 等[54]研究發(fā)現添加檸檬酸后，蘆葦根際鐵氧化細菌的生長受到抑制，金屬斑塊的形成減少，土壤中金屬的遷移率提高，蘆葦組織中金屬積累增加，有效地促進了植物根際對酸性礦山廢水污染土壤的修復。添加土壤改良劑在提高修復效率的同時一定程度降低了土壤真菌病害的風險，但改良劑的酸堿性對不同污染水平的土壤修復效果存在一定影響，如用油菜修復Cd 污染土壤，在Cd 污染濃度較低時添加酸性氮肥，而Cd 濃度較高時添加堿性氮肥，油菜的修復效果更好[44]。因此，在研究受同一重金屬污染但污染程度不同的土壤時，需同時考慮添加土壤改良劑的最適pH。

4.2 與微生物聯(lián)合修復

建立植物-微生物聯(lián)合修復模式，通過激發(fā)植物和微生物協(xié)同修復作用，提高重金屬污染土壤的修復效率。添加砷酸鹽還原菌可促進蜈蚣草的生長，增加蜈蚣草體內As 的積累，從而強化蜈蚣草修復As 污染土壤的效果。在接種紫金牛葉桿菌后，紫花苜蓿的生物量增加，根際土壤養(yǎng)分提高，土壤酶活性顯著提高，根際土壤Cd 和Zn 的可交換態(tài)和可還原態(tài)濃度顯著提高，可氧化態(tài)和殘渣態(tài)濃度顯著下降，Cd 和Zn 的生物有效性明顯提高，土壤重金屬的修復效率顯著提高[55]。叢枝菌根真菌通過菌絲網可促進礦質元素的吸收影響植物的代謝過程，從而改變根際環(huán)境和土壤重金屬有效性，影響植物對重金屬的吸收、轉運、累積。研究表明，叢枝菌根真菌可以調控蘆葦根際微生物多樣性與土壤酶活性，促進根系對礦質營養(yǎng)的吸收，使蘆葦對重金屬的耐性增強，從而提高土壤修復效率[63]。但現階段，菌種介導的植物生長與重金屬修復的確切分子機制尚不清楚，需要進一步研究明確。

4.3 植物栽培

植物栽培措施對提高植物根際修復效率具有積極作用，混合種植的根系相互作用會改變根系生理特性和化學動態(tài)，更加有利于提高重金屬污染土壤的根際修復效率。Quartacci 等[36]研究發(fā)現共栽（與大麥）和連作（與大麥）增加了油菜地上部分重金屬Cu 的濃度，促進了Cu 污染土壤的修復。但在礦山生態(tài)修復進程中，多種植物的混栽可能會在植被群落發(fā)育后期出現優(yōu)勢種，造成植被結構單一。

4.4 多種方法聯(lián)用

將土壤改良、接種微生物等多種方法聯(lián)用，具有綜合優(yōu)勢。與單一添加相比，同時添加土壤改良劑和接種外源微生物，使植物根際土壤環(huán)境、土壤微生物群落豐富度和多樣性發(fā)生變化，更具有強化修復的作用。Wang 等[46]研究了乙二胺四乙酸和叢枝菌根真菌聯(lián)用對As 污染土壤修復效果的影響，結果表明，乙二胺四乙酸-叢枝菌根真菌組合處理與單獨添加乙二胺四乙酸、叢枝菌根真菌相比表現出較高的交換效率和生物富集因子，更加有利于植物對As 污染土壤的修復。Liu 等[43]的研究表明，枯草芽孢桿菌和納米羥基磷灰石的共同施用比任一單獨處理都更加有效，且根際群落豐富度和細菌多樣性顯著增加，更加有利于植物對Cd 污染土壤的修復。劉智峰[55]采用單作和混作2 種模式，將紫花苜蓿和東南景天作為修復植物，接種紫金牛葉桿菌，分析了陜西省鳳縣鉛鋅冶煉區(qū)的土壤修復效果，結果表明，與未接種紫金牛葉桿菌相比，2 種植物混種并接種紫金牛葉桿菌對土壤中Pb、Cd、Zn 的去除效果最好，去除率分別提高19.64%、46.30%和60.94%。但是多種方法聯(lián)用具有一定的復雜性，其影響重金屬修復效果的主次因素難以確定，需要進行系統(tǒng)性、全面性、長期性的研究。

5 展望

植物根際分泌物介導的根際效應將植物根系、微生物、土壤聯(lián)系在一起，產生一系列復雜的生物化學反應，影響植物生長、微生物代謝以及土壤理化性質等，并對根際修復污染物有直接或間接的作用。重金屬污染土壤中根際效應的修復效率受土壤類型、植物特征、重金屬性質等因素的綜合影響；利用土壤改良、接種外源微生物等技術調控根際環(huán)境，改變重金屬的轉化、遷移行為，可強化根際效應對重金屬的修復功能。目前，由于大多數相關研究集中于分析單一影響因素，且研究時間較短，試驗規(guī)模較小，忽略了根際效應的復雜性、受影響環(huán)境因子的多樣性，仍需加強系統(tǒng)性、全面性、長期性監(jiān)測研究。

（1）建立受污染區(qū)域長期定位野外生態(tài)站，研究重金屬污染在不同土壤修復階段，不同植物在生長期、發(fā)育期的根際與非根際土壤的物理、化學、生物指標，揭示植物生長發(fā)育過程中根際效應對土壤修復的影響。

（2）綜合考慮土壤類型、重金屬性質等影響因素，通過野外控制試驗的方式明確在重金屬污染土壤修復過程中影響植物根際效應的主次因素。

（3）多方協(xié)作制定不同重金屬不同污染水平土壤的修復植物標準，用以建立重金屬污染土壤植物修復資源庫，便于快速準確篩選特異性修復植物。