植物根系分泌物對土壤污染修復的作用及影響機理

王 亞,馮發運,葛 靜,李 勇,余向陽,*

1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所,南京 210014 2 省部共建國家重點實驗室培育基地-江蘇省食品質量安全重點實驗室,南京 210014

土壤是地球生態系統的重要組成部分,也是人類賴以生存的物質基礎,其環境質量與人體健康息息相關[1]。19世紀以來,全球人口急速增加,人類活動對全球土壤系統產生的不利影響也日趨嚴重。其中,以砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鎘(Cd)等重金屬為代表的無機污染物及以有機氯農藥(organochlorine pesticides,OCPs)、多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、多氯聯苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)等為代表的高毒高殘留有機污染物已成為環境中的主要污染物[1—2]。這些污染物不僅對生態環境造成直接破壞,還可以通過土壤遷移大量富集在農作物中,威脅農產品質量安全和人類健康[1]。土壤修復技術的開發與運用,對于阻斷污染物進入食物鏈和保障農業的可持續發展有重要意義。

目前,環境友好型土壤修復技術得到越來越多的關注。其中,植物-微生物聯合修復技術是典型代表,該技術因成本低、對土壤環境破壞小、無二次污染、可大面積應用等優點而持續受到關注[3]。該修復技術中,根系是聯系植物與土壤微生態環境的紐帶,其分泌物對植物主動適應和抵御污染物脅迫意義重大,是保持根際微生態系統活力的關鍵因素之一[4]。根系分泌物可為土壤微生物提供大量的營養物質,是根際微生態系統中物質遷移和能量交換的重要組成部分；土壤中的微生物也能改善根際土壤理化性質、降低污染物的生物有效性,從而促進植物的生長發育。我國土壤污染物的種類多、含量大、面積廣,土壤污染防治工作面臨重大挑戰。根系分泌物和根際微生物在我國土壤污染治理中發揮重要作用,系統了解根系分泌物在土壤污染修復中發揮的作用及機理,對于深入理解植物和微生物環境適應機制、促進植物和微生物聯合修復污染土壤有重要意義。本文以根系分泌物為切入點,分析了污染物脅迫下植物根系分泌物的變化規律及影響因素,研究了根系分泌物應對污染物脅迫的響應特點,探討了根系分泌物在調控根際微生物群落結構和多樣性中發揮的作用及機理,結果將有助于進一步了解污染物、根系分泌物及根際微生物之間的相互作用關系及機制,為土壤污染修復技術的健康發展與合理應用提供參考。

1 我國土壤污染的成因、污染物種類及主要來源

土壤具有一定的自凈能力,若進入土壤的污染物超過其自凈作用的負荷,即形成土壤污染。我國用世界7%的耕地面積養育了世界21%的人口,為控制作物病蟲害發生、促進糧食和農業穩產高產,每年向耕地投入的農藥和化肥用量遠高于世界平均水平,導致耕地板結、土壤酸化、作物藥害、農產品殘留超標、環境污染等一系列問題[5]。另外,化石燃料的燃燒、汽車尾氣排放、礦山開采、金屬冶煉等工農業行為和人類活動也持續向環境中輸入了大量污染物,導致環境污染問題日益嚴峻,對我國居民身體健康造成極大威脅。

2014年環境保護部和國土資源部公布的數據顯示,我國土壤總的超標率為16.1%。污染類型以無機型為主,有機型次之,復合型污染比重較小[6]。無機污染物以Cd、鎳(Ni)、As為主,超標率分別達7.0%、4.8%和2.7%；有機污染物以六六六(hexachlorocyclohexane,HCH)、滴滴涕(dichlorodiphenyltrichloroethane,DDT)和PAHs為主,點位超標率分別為0.5%、1.9%和1.4%。根據土地的不同利用類型進行劃分,耕地土壤環境狀況也不容樂觀,點位超標率達19.4%,主要污染物為Cd、Ni、銅(Cu)、As、Hg、Pb、DDT和PAHs。

土壤中污染物的來源主要分為自然源和人為源兩個部分。以砷為例,自然來源的砷主要來自火山爆發和礦石風化,其中又以斜方砷鐵礦(FeAs2)、雄黃(As4S4)、雌黃(As2S3)、砷黃鐵礦(FeAsS)等含砷礦物風化為主[7]。人為來源的砷主要包括采礦、冶煉、化石燃料的燃燒以及含砷農藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑的使用。工業革命以前,人類活動對土壤環境的影響范圍和深度較小。進入工業化社會以來,隨著我國經濟的持續高速發展,規模龐大的工農業生產活動對土壤的污染和破壞也開始急劇增加。污水灌溉、工業固廢排放及農藥化肥的長期不合理施用等一系列人類行為成為我國土壤中污染物的主要來源[8]。

2 根系分泌物的定義、組成及功能

根系分泌物通常是指植物在其生長發育過程中通過根系向根際環境中釋放的有機化合物的總稱[9],是一種成分復雜的非均相體系。狹義的根系分泌物指植物通過溢泌作用進入土壤的可溶性物質[10]。廣義的根系分泌物主要包括:(1)滲出物,即由根部細胞通過擴散方式釋放的有機物,大部分低分子量有機物均通過該方式進入環境中；(2)分泌物,即由根細胞通過主動運輸方式釋放的具有一定生理功能的有機物,對營養元素遷移、信號傳遞、植物解毒、抵御脅迫等起重要作用；(3)排泄物,一般指根細胞代謝產生的代謝產物；(4)黏膠質及脫落物,指根冠細胞、未形成次生壁的表皮細胞和根毛釋放的黏膠狀物質以及脫落的根毛、細胞碎片等[11]。

根系分泌物按種類進行劃分,主要有糖類、氨基酸類、酚酸類、甾醇類、有機酸、脂肪酸等(表1)。根系分泌物按分子量還可分為高分子量與低分子量分泌物,前者主要是多糖、多聚半乳糖醛酸、高分子黏膠物質和胞外酶類；后者主要包括低分子有機酸(檸檬酸、蘋果酸、草酸、醋酸等)、可溶性糖類(葡萄糖,木糖,果糖,麥芽糖,蔗糖,半乳糖,核糖等)、酚酸類(對羥基苯甲酸、丁香酸、香豆酸、肉桂酸、香草酸、阿魏酸等)、氨基酸(精氨酸、賴氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等)及無機化合物(二氧化碳、質子、陽離子、陰離子等)[10,12]。

表1 根系分泌物中的主要化合物

根系分泌物的種類繁多,其組成和含量受光照、溫度、土壤養分含量、土壤微生物組成、植物種類及生長發育階段等因素的影響,并導致其功能多樣。根系分泌物的主要功能包括:(1)改善營養脅迫；(2)化感作用；(3)養分供給,根系分泌物可為土壤微生物提供碳源、氮源和能源[13]；(4)信號傳導,類黃酮、多糖、有機酸、氨基酸、酚類、獨腳金內酯等多種根系分泌物可作為信號物誘導特定微生物在植物根系定殖[10—11, 14]；(5)降低污染物毒性,植物分泌的小分子有機化合物(如有機酸、氨基酸、多肽等)具有較強的絡合或螯合能力[9],可與重金屬離子相互作用并使其轉化為無毒或毒性較小的形態滯留在根外,從而緩解重金屬對植物的毒害[15]；另外,大分子黏膠類物質具有強吸附性能,可以吸附土壤中的污染物,減少其移動性和毒性[9]。

3 植物根系分泌物對污染物脅迫的響應及機理

根是植物的營養器官,植物通過根系從土壤中攝取生長代謝所需的養分和水分,同時通過根系向土壤釋放分泌物影響土壤環境。根系分泌物在改良土壤質地、改善根際微生態系統及植物抵御各類逆境脅迫中發揮了重要作用[10],通過調控根系分泌物應對污染物脅迫是植物對生存環境長期適應的結果。

3.1 根系分泌物對重金屬脅迫的響應機制

3.1.1重金屬脅迫對根系分泌物的影響

重金屬污染土壤中,植物根系分泌的有機酸、氨基酸、糖類、酶類等均可能發生改變。目前,對重金屬脅迫下植物根系分泌物的研究主要集中于有機酸。有機酸帶有一個或多個羧基官能團,不僅在細胞代謝中起重要作用,在植物對重金屬的解毒中也發揮了不可替代的作用。

重金屬污染脅迫下根系分泌物的變化與植物種類和基因型密切相關。如表2所示,鋁(Al)脅迫下,不同植物分泌的主要有機酸種類存在差異。大麥(HordeumvulgareL.)根系分泌蘋果酸、檸檬酸和琥珀酸,小麥(TriticumaestivumL.)根系分泌蘋果酸,水稻(OryzasativaL.)根系分泌檸檬酸,玉米(ZeamaysL.)根系分泌檸檬酸、蘋果酸,蕎麥(FagopyrumesculentumMoench.)根系分泌草酸,油菜(BrassicarapusL.)、燕麥(AvenasativaL.)和蘿卜(RaphanussativusL.)根系分泌檸檬酸或蘋果酸[16]。不同植物對Al的耐性與有機酸的分泌存在相關性[16]。通常Al耐受品種的有機酸分泌量顯著高于Al敏感品種,這是由于有機酸螯合環境介質中游離態的Al離子,減少了Al與細胞壁或質膜結合[17]。也有研究表明Al脅迫可誘導Al耐受和敏感水稻或玉米品種分泌大量檸檬酸,且品種間檸檬酸含量沒有顯著差異[18—19],說明分泌有機酸可能不是水稻或玉米品種抗Al的主要機制。同一種植物的不同基因型根系分泌物也存在差異。對東南景天(SedumalfrediiHance)的研究發現,Cd脅迫下礦山型與非礦山型東南景天體內的有機酸種類相同,但含量差異較大。

表2 鋁對不同植物根系分泌物組成與含量的影響

重金屬種類也可能影響根系分泌的有機酸種類或數量。林海濤等發現Pb和Cd脅迫對茶樹(CamelliasinensisL.)根系分泌有機酸的種類沒有影響,但對有機酸的分泌量有顯著影響[27]。Yang等研究發現,Cd、Cu、Ni和Pb脅迫下,高冰草(Agropyronelongatum)根系分泌的有機酸種類和含量均存在差異,其中Cu脅迫可誘導蘋果酸、草酸和檸檬酸的分泌量顯著增強,Cd和Ni可誘導該植物根系分泌蘋果酸和草酸,但其含量較Cu脅迫時顯著減少,Pb脅迫下有機酸含量均未顯著增加[28]。此外,重金屬脅迫濃度對根系分泌的有機酸含量也有影響,一般呈現低促高抑的趨勢[29]。比如1 mg/L Cu處理下,高冰草根系分泌的蘋果酸含量隨脅迫時間增加顯著增加；當Cu處理濃度增加至50 mg/L,其根系分泌的蘋果酸含量隨脅迫時間顯著下降[28]。然而,也有研究表明,隨著重金屬脅迫濃度或脅迫時間的增加,有機酸的分泌量可能會持續增加[26, 30]。

重金屬脅迫下,植物根系分泌物除有機酸外,氨基酸、糖類、多肽及部分次生代謝物的種類或含量也可能發生改變[26, 31]。重金屬對根系分泌的糖類和氨基酸含量影響較大,而對其種類影響較小。Cd脅迫下,小麥根系分泌的糖類隨Cd脅迫濃度增加而增加,氨基酸種類沒有發生變化但分泌量呈現先增加后降低趨勢[31]。Al脅迫濃度增加也導致龍眼(Dimocarpuslongana)幼苗糖類分泌量增加、氨基酸的分泌量先增加后下降。與Cd脅迫不同,高濃度Al可能導致氨基酸分泌種類減少[32]。與有機酸相比,氨基酸、糖類及多數次生代謝物在重金屬解毒中發揮的作用和機制尚不明確。以氨基酸為例,氨基酸是土壤有機氮的重要來源,也是土壤微生物的重要營養源[33]。微生物能以氨基酸為底物合成植物生長調節劑促進植物生長,微生物的代謝物也會影響植物分泌氨基酸[34]。因此,重金屬脅迫下,一方面植物可能通過氨基酸分泌影響根際微生物的種類、數量及活性等,間接影響植物對重金屬的解毒；另一方面,氨基酸(比如半胱氨酸、組氨酸等)可與重金屬離子形成穩定的螯合物,降低重金屬的有效性,從而緩解重金屬對植物的毒害[35]。通常情況下植物分泌的氨基酸含量遠低于有機酸[26],所以可能不是植物重金屬解毒的主要途徑。

3.1.2根系分泌物應對重金屬脅迫的響應機制

重金屬進入土壤后,通過吸附、溶解、沉淀、凝聚、絡合等各種反應,形成不同的賦存形態,并表現出不同的環境效應和生物毒性。根據植物對不同形態重金屬吸收難易程度,將土壤中重金屬分為可交換態(被吸附態)、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態和殘渣態[36]。根系分泌物可能通過影響根際土壤pH值、土壤中重金屬的賦存形態、溶解性等方式調控植物對重金屬的吸收。這些作用方式又可能受到重金屬的種類、理化性質、賦存形態、根系分泌物的種類等因素的影響[37—38]。圖1總結了根系分泌物對土壤重金屬環境行為的主要影響[9]。

圖1 根系分泌物對土壤重金屬環境行為的影響Fig.1 Effect of root exudates on the environmental behaviors of heavy metal(loid)s in soils

根系分泌物可以通過影響重金屬離子在根—土界面的吸附-解吸、配位-解離、氧化-還原等過程,改變重金屬的賦存形態及有效性,最終影響植物對重金屬的吸收[39]。研究表明,根系分泌物可以與土壤固相中的重金屬離子競爭吸附位點,通過增加或減少重金屬離子在固相上的吸附調控土壤溶液中重金屬離子濃度[40]。對于土壤中的變價重金屬,植物根系可以釋放氧氣、分泌氧化物或催化酶類將這些重金屬氧化,比如將As(III)氧化為As(V)、將Cr(III) 氧化為Cr(VI)等,從而改變重金屬的毒性和生物有效性[41]。

根系分泌物可以通過還原、酸化、螯合等作用方式活化土壤中難溶態重金屬,從而促進植物對重金屬的吸收。有機酸是目前研究較多的根系分泌物組分,主要通過酸溶解、絡合溶解和還原活化3個方面影響重金屬的含量和形態[42],進而影響重金屬有效性。重金屬有效性與有機酸的化學性質有關,也因重金屬性質、土壤理化條件、植物種類以及水肥條件等而異。當環境中的重金屬含量對植物的正常代謝活動不構成影響或某類植物對特定重金屬具有極強的耐性和積累能力時,植物可以通過根系調控分泌物的組成或含量,提高根際土壤微生物數量和酶活性[9],或大量分泌H+,降低根際土壤pH[43],增加礦質營養元素和重金屬的有效性,從而促進植物對重金屬的吸收利用。蜈蚣草(PterisvittataL.)、東南景天、向日葵(HelianthusannuusL.)等超積累植物在重金屬污染土壤修復中有較好的應用前景[44—46]。超積累植物富集重金屬的主要機制之一是增加根系有機酸的分泌,降低根際土壤pH值,從而促進其對重金屬的吸收利用[47]。這是由于土壤中大部分重金屬以殘渣態賦存,隨著土壤pH值降低,重金屬的溶解度不斷增強,導致其生物有效性增加。對砷超積累植物蜈蚣草的研究證實,其砷超富集能力與根系分泌物中含大量植酸和草酸有關[44],這些有機酸可以促進土壤中難溶砷化合物(砷酸鐵、砷酸鈣等)的溶解,從而促進其對砷的吸收。吳麗萍等的研究也表明,有機酸對Cu、Cr、Cd、Pb、Zn等重金屬的溶出有促進作用[42]。此外,根系分泌物可以與重金屬離子螯合,形成“重金屬-低分子量有機酸”螯合物[48],這些螯合物不易被土壤固相吸附,故其遷移能力得到增強,從而促進植物對重金屬的吸收。

根系分泌物也可以與重金屬離子結合并形成穩定的化合物,減少植物對重金屬的吸收。研究表明,當環境中重金屬的含量對植物代謝和生長發育產生明顯影響、甚至產生毒害效應時,會誘導植物激活其防御反應,通過調節根系分泌物的組成和含量,提高土壤pH值(減少H+分泌)、增加土壤固相對重金屬的吸附或與重金屬形成不易被植物吸收利用的絡合物或螯合物[49],從而降低重金屬元素在土壤中的移動性、減少植物對重金屬的吸收,進而減輕重金屬對其造成的毒害[17]。根系分泌物與重金屬的絡合能力大小與重金屬的性質有關,比如小麥根系分泌物對Pb的絡合能力大于Cd[50]。

3.2 根系分泌物對有機污染物脅迫的響應機制

3.2.1有機污染物脅迫對根系分泌物的影響

根系分泌物是植物響應外界脅迫的重要途徑,植物對土壤中有機污染物的耐受能力往往與根系分泌物密切相關。相同脅迫條件下,植物根系分泌物的釋放特征及其主要組分的種間差異主要取決于植物基因型及其生理狀態[51]。當植物種類相同,而有機污染物的種類、脅迫濃度及脅迫時間存在差異時,植物的根系分泌特征較為復雜。通常,有機污染物脅迫均可誘導植物分泌更多的有機酸、氨基酸和糖類[52—53],這可能與污染物脅迫改變根細胞的選擇透過性有關[54]。有機污染物的種類及其脅迫程度的差異可能導致根系分泌物的組成和含量呈現不同的變化規律。總體來看,有機污染物脅迫對根系分泌的小分子化合物組成無明顯影響,濃度則隨脅迫濃度呈現不同的變化趨勢。潘聲旺等[55]研究表明,苯并(a)芘脅迫可增強羊茅屬(Festuca)植物根系對可溶性糖的分泌,隨著脅迫濃度增加及脅迫時間延長,可溶性糖分泌量呈現“先升后降”趨勢。此外,隨著苯并(a)芘脅迫濃度增加,有機酸和氨基酸的分泌量也不斷增加,但分泌的有機酸和氨基酸種類較為穩定[55]。類似的,隨著芘脅迫濃度增加,黑麥草根系分泌的有機酸和氨基酸組成無明顯變化,但含量總體隨脅迫濃度增加而增加；總糖分泌量同樣呈現先增加后下降的趨勢[56]。另外,有機污染物脅迫還可能對根際土壤酶含量及活性產生影響。低濃度苯并(a)芘脅迫可提高黑麥草根際土壤中多酚氧化酶的含量,并加速苯并(a)芘的降解[57]。然而,高濃度苯并(a)芘脅迫下,紫花苜蓿(Medicagosativa)和黑麥草根際土壤中的脫氫酶和多酚氧化酶活性較低濃度脅迫時顯著下降[57—58]。

有機污染物對根系分泌物的促進效應,可能與植物對污染物的富集能力相關。植物對污染物的富集能力越強,根系受到的脅迫程度越大,其釋放的分泌物也相應增加[52]。陳桐等發現,鄰苯二甲酸酯(PAEs)脅迫促進低分子有機酸(草酸、酒石酸)的分泌,并增強了水稻對PAEs的吸收和積累[59]。研究還表明,根系釋放的不同分泌物直接或間接參與了有機污染物的降解過程,并且存在加和效應和協同效應[55],說明根系分泌物在植物修復中有較大的應用潛力。

3.2.2根系分泌物應對有機污染物脅迫的響應機制

根系分泌物對有機污染物降解的促進效應與植物種類、根系分泌物的組成及根際微生物的作用均有關聯[60]。根系分泌物對有機污染物脅迫的響應主要有兩種途徑,即直接作用和間接作用。有機污染物脅迫下,根系分泌的酶類(磷酸酶、脫鹵素酶、過氧化物酶、漆酶等)可以直接降解有機污染物(有機磷殺蟲劑、氯代反應溶劑、苯酚等)。研究表明,根系向土壤釋放的酶類可以分解PAHs、三氯乙烯(TCE)、三硝基甲苯(TNT)等多種有機污染物[9, 61—62]。此外,根系分泌物還可以通過促進土壤中有機污染物的溶解、氧化還原過程及微生物的作用間接加速有機污染物的降解[13]。圖2總結了根系分泌物對土壤有機污染物環境行為的主要影響。

圖2 根系分泌物對土壤有機污染物環境行為的影響Fig.2 Effect of root exudates on the environmental behaviors of organic pollutant in soils

根系分泌物可以與污染物相互作用,影響污染物在土壤固相上的吸附和解吸過程,從而改變其生物有效性[39, 63]。Gao等研究發現,人工合成根系分泌物(ARE)對土壤中的多環芳烴有明顯的活化作用。隨著ARE濃度增加,菲和芘的解吸量顯著增加[64]。氨基酸和有機酸對多環芳烴均有解吸附作用,有機酸的解吸附能力相對更強[64]。Luo等研究表明,添加玉米、小麥和黑麥草(LoliumrigidumL.)的根系分泌物均可促進土壤中DDT的降解,主要原因在于它們的根系分泌物顯著促進了DDT在土壤中的解吸[63]。另外,根系分泌物可通過提高有機污染物的溶解性(比如分泌鼠李糖脂等表面活性劑)[13]、表觀溶解度,降低有機污染物的正辛醇-水分配系數等途徑影響其生物有效性[65]。

根系分泌物可以選擇性影響根際微生物數量,并通過改變根際微生物的群落結構和相對豐度,誘導降解微生物向根際富集,或通過促進根際微生物的生長[66—68]、提高降解酶基因拷貝數和活性[62, 69],間接加快有機污染物的降解。Kirk等發現石油烴類污染物脅迫下,黑麥草(Loliumperenne)和紫花苜蓿的根際選擇性富集了該類化合物的降解菌群,這些微生物加速了根際石油烴的降解[67]。根系分泌物對根際微生物的影響顯著,直接表現為根際土壤中微生物的數量遠高于非根際土壤,差異可達幾個數量級,這種現象稱之為“根際效應”[70]。研究表明,土壤中有機污染物的降解主要歸功于細菌和真菌的作用[71],其中又以細菌占主導地位[62]。根際土壤中蘊含著數量巨大的有機污染物降解菌,這些細菌能以根系分泌物中某一類化合物(比如酚類化合物)為唯一碳源并與之相互作用[13],加速根際土壤中有機污染物的降解。根系分泌物正是通過調節這些微生物的種群數量、群落結構及降解酶活性,從而影響根際土壤有機污染物的環境行為[71—72]。

根系分泌物還可以通過共代謝作用促進有機污染物的降解[73]。微生物的共代謝指只有在初級能源物質存在的條件下,才能進行的有機化合物生物降解過程。其中,提供碳源或能源的物質為第1底物(生長基質),被共代謝的污染物為第2底物。研究發現,當有機污染物的苯環數量增加時(比如5 環或5 環以上的PAHs),以污染物為唯一碳源、可完全降解污染物的細菌種類明顯減少。此時,微生物主要以共代謝方式對這些污染物進行降解[74]。研究表明,水楊酸、鄰苯二甲酸、琥珀酸等根系分泌物均可提高根際微生物活性和相關酶活性,促進芘或苯并(a)芘的共代謝降解[75—76],說明根系分泌物作為難降解有機污染物的共代謝底物促進土壤中有機污染物的降解具備可能性。

4 污染物脅迫下根系分泌物介導的根際微生物區系變化機理

土壤微生物種類豐富,主要包括細菌、真菌、放線菌、藻類和原生動物等。其中,部分微生物種類具有較強的污染物耐性,它們可以通過多種作用方式影響土壤污染物的毒性、形態及生物有效性[37],從而對植物抗逆產生重要影響。植物與根際微生物有緊密的互作關系,兩者相互構成植物-微生物共生體系統。

根系分泌物是植物與土壤微生物進行物質、能量和信息交流的重要載體。植物根際微生物數量遠高于非根際土壤,是根系分泌物介導根際微生物區系變化的最有力證明。研究表明,植物根系可以分泌對微生物有益的氨基酸、維生素、酶等物質,為微生物提供營養物質或作為底物吸引特定微生物在根際聚集、定殖并促進其生長[77]。根際微生物能夠消耗根系分泌物中的有機物及礦質營養元素,改變根系分泌物的種類和數量,在根際微域形成濃度梯度并直接促進根系分泌物的釋放[78]。此外,根際微生物還能影響植物代謝過程中酶的活性及其它成分與植物進行互作,部分微生物能分泌胞外酶幫助植物消減環境中的污染物。污染物的種類不同,根系分泌物介導植物根際微生物變化的機理也不盡相同。

4.1 重金屬脅迫下根系分泌物介導的根際微生物變化及機理

重金屬對生物體普遍具有致毒效應,土壤中的微生物也不例外。低濃度重金屬對土壤微生物的抑制作用較小,甚至可能促進微生物的生長,即“毒物興奮效應”；隨著重金屬濃度增加,其抑制效應隨之增強,因此重金屬污染加重可能導致土壤微生物的種群數量和多樣性大幅下降[79]。植物根系分泌物可以改善重金屬脅迫土壤中微生物的數量、活性和分布特征,并且這種調控作用與植物、微生物和重金屬的種類關系密切。

不同植物品種對重金屬的耐性差異較大。重金屬敏感植物品種的根系分泌物可能通過與重金屬形成不易被自身吸收利用的金屬螯合物或增加土壤對重金屬的吸附[49],從而降低土壤中重金屬的有效性；重金屬耐受或超積累植物品種的根系分泌物可能會活化土壤中的重金屬。不同植物根系重金屬有效性的差異,又進一步導致根際微生物的種群數量和多樣性發生變化。對于重金屬敏感植物品種,其根際重金屬有效性下降使得重金屬離子對微生物的毒害效應得到緩解,微生物的種群數量得到一定程度恢復[80]。另外,微生物可以利用根系分泌物作為碳源、氮源、磷源、硫源和能源物質[70],進一步促進自身生長,并導致根際土壤中的微生物數量遠高于非根際土壤。對于重金屬耐受植物品種,其根際重金屬有效性的增加必然對微生物種群發育產生不利影響[81]。研究表明,重金屬濃度增加可導致根際土壤細菌種群數量及多樣性顯著下降,外源添加根系分泌物可使一些微生物(比如植物促生菌Azotobacter)的數量得到恢復[80, 82]。有意思的是,部分細菌種類卻能在高濃度重金屬污染土壤中生長良好,使這些細菌成為根際的主要微生物類群[82]。除一些細菌種類外,菌根真菌在植物抗重金屬脅迫過程中也發揮了重要作用。重金屬污染環境中,菌根真菌除通過菌絲的活動富集、絡合、鈍化重金屬外,還可通過促進根系分泌物的釋放改善根際環境條件[46]。孫晨瑜等研究表明,接種菌根真菌后黃花蒿(ArtemisiaannuaL.)根系分泌物中的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、游離氨基酸含量均顯著增加,有機酸的種類增多、含量顯著提高[83]。另一方面,根系分泌物對菌根的形成及生長也有刺激和促進作用,根系分泌物可以通過提高菌根侵染率和植物根系活力[84]、吸引菌根真菌在根際聚集并促進其生長繁殖[46],加速土壤中重金屬的鈍化、降低重金屬的植物毒性。

重金屬與微生物之間存在復雜的相互作用關系,并且受根系分泌物調控。研究發現,不同根際微生物對重金屬有效性的影響差異較大。假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)對Pb有較強的活化作用,而白腐真菌(Phanerochaetechrysosprim)對Pb則表現為固定作用[45, 85]。這些微生物對重金屬生物有效性的影響與其分泌的表面活性劑、鐵載體、胞外聚合物、有機酸及氨基酸等物質與重金屬的相互作用有關[45, 86—87]。比如,重金屬對微生物鐵載體的產量有重要影響,而鐵載體對多種重金屬有極強的增溶作用和鰲合能力[45]。此外,根系分泌物可能抑制或促進微生物對重金屬的活化,說明重金屬與微生物間的互作受到植物根系分泌物的調控。海州香薷(Elsholtziasplendens)根系分泌物可抑制假單胞菌對Cu、Pb和Zn的活化,但促進了白腐真菌對Cu和Pb的活化[85]。根系分泌物對重金屬的活化作用可能與其誘導微生物分泌鐵載體或吸引產鐵載體微生物在根際定殖有關[88]。根系分泌物在微生物與重金屬互作中發揮的調控作用可能導致微生物的數量、活性、群落結構等進一步發生改變。

綜上,根系分泌物可能通過改變土壤中重金屬的形態、毒性和生物有效性影響根際微生物的群落結構,并與根際微生物進行相互作用重塑根際微生物區系,其在重金屬的生物地球化學循環中發揮了重要作用。

4.2 有機污染物脅迫下根系分泌物介導的根際微生物變化及機理

有機污染物大多是高度疏水的化合物,在土壤中溶解能力差、生物可利用性普遍較低[70]。一些有機污染物還能與土壤顆粒形成復合物,進一步降低其生物有效性,導致土壤中有機污染物很難被植物或微生物利用,增加了生物修復的難度。根系分泌物可以增加有機污染物的生物有效性、促進植物與微生物間的交流,在土壤有機污染物的消減中發揮重要作用。

當根系-土壤界面遭受有機污染物脅迫時,植物根系通常會釋放出特異性分泌物(主要包括氨基酸、有機酸、糖類等),在土壤環境中與微生物共同建立“抗衡模式”,主要過程包括:影響污染物在根系界面的吸附、吸收和積累等環境行為,增強根際微生物的群落轉化或誘導根際微生物群落結構的定向變化,促進功能微生物的生長并加速根際污染物的消減等。該模式中植物與微生物協同消減土壤環境中的有機污染物,降低了污染物對植物根系和微生物的化學致毒效應[89]。

有機污染物脅迫下,植物根系分泌物與微生物間存在復雜的相互作用關系。首先,根系分泌物對根際微生物數量產生重要影響。多項研究證明,提高無色桿菌(Achromobacter)、固氮菌(Azotobacter)等微生物數量可加速土壤中甲苯、PCBs、PAEs等有機污染物的降解、減少污染物毒性并提高植物生物量[2, 90—92]。根系分泌物可作為營養和能源物質為這些微生物所用,通過提高降解菌的數量和活性,促進污染物在根際土壤中的降解[93—94]。其次,根系分泌物對根際微生物的群落結構有顯著影響。與微生物相比,植物還沒有進化出成熟的應對復雜有機分子的深層降解系統[13],因此植物根際傾向于富集具污染物降解功能的菌群(又稱為“正向趨化反應”)[61, 70],這可能與這些微生物能幫助植物消減有機污染物有關。研究表明,一些根際微生物可利用有機污染物作為唯一碳源促進自身生長[67],而根系分泌物可為這些微生物提供營養和能源物質,使得該類微生物種群數量不斷增加。與此同時,土壤中微生物分泌的過氧化氫酶、磷酸酶、催化酶、脫氫酶、脲酶、多酚氧化酶等胞外酶的含量不斷增加、活性得到增強[39, 62, 93],這些胞外酶類在污染物的脫氫、脫羧基等反應中發揮了重要作用[62],導致土壤中有機污染物的濃度及有效性進一步下降。最后,根系分泌物(比如水楊酸、鄰苯二甲酸、琥珀酸等)可以作為共底物,通過調節降解基因表達和激活微生物代謝途徑促進微生物降解有機污染物[2, 95],這種共代謝作用在植物-微生物聯合降解高分子量、難降解有機污染物(比如芘、苯并(a)芘等)時較為常見[2, 75—76]。土壤微生物也能影響根系分泌物的釋放[78]。土壤微生物可以通過分泌次生代謝物(2,4-二乙酰基間苯三酚、玉米烯酮等)促進植物根系分泌更多的氨基酸[34],部分土壤特異性微生物甚至可以改變植物根系分泌的代謝產物組成[96]。總之,對根系分泌物的組成和含量產生重要影響的生物或非生物因子,包括植物的種類、污染物的種類和濃度、微生物對污染物的耐性和降解能力等,均有可能重塑有機污染物脅迫下的根際微生物區系,進而影響有機污染物的降解。

綜上,有機污染物脅迫下,根系分泌物可能通過影響有機污染物在土壤中的吸附與解吸過程,從而影響有機污染物的生物有效性；也可能通過改變微生物的數量、種類、分布或作為底物參與微生物的共代謝進程,進而影響有機污染物在根際土壤中的濃度與分布特征。微生物是土壤有機污染物降解的主要驅動力[97—98],植物根系分泌物與其根際微生物的相互作用對加速土壤中有機污染物的降解、實現污染土壤的生物修復及植物適應逆境脅迫均具有積極的意義。

5 結語

植物根系分泌物在降低重金屬毒性和加速有機污染物降解等方面有非常重要的作用(圖3)。根系分泌物對根際微生物種類、數量和分布有顯著影響,其與根際微生物互作在污染物的消減中發揮了重要作用,相關研究一直是環境領域的研究熱點。以往的研究不足及今后的研究方向如下:

圖3 根系分泌物在重金屬或有機污染土壤中發揮的主要作用概念模型Fig.3 A conceptual model of main roles of root exudates in soils contaminated with heavy metals or organic pollutants

(1)目前的根系分泌物收集方法受環境因素影響較大,仍無法保證根系及根際環境不被擾動。此外,土壤微生物活動增大了根系分泌物原位收集的難度,這些化合物釋放到根際環境后迅速被微生物消耗,使得實際土壤環境中幾乎不可能原位收獲根系分泌物[78]。將來仍需盡快開發高效實用的根系分泌物原位收集方法或建立同位素示蹤等技術,為科學、客觀地評價根系分泌物在緩解植物逆境脅迫中發揮的作用奠定基礎。

(2)利用植物-微生物聯合對污染土壤進行修復是未來的研究重點。目前的研究主要關注根系分泌物變化引起的根際微生物群落差異及其對污染物環境行為的影響,根際微生物的數量、活性變化與污染物消減的關系等,但相關研究仍處于現象研究階段,缺乏對過程與機理的深入解析。未來需要進一步深入研究逆境條件下植物(特別是超積累植物)根系分泌物與土壤微生物區系的關系,明確根系分泌物調控根際微生物降解土壤污染物的機制。植物根際微生物(特別是降解菌群)的時空分布特征、復合微生物對污染物的聯合降解特性、土壤中降解基因的豐度、多樣性及水平轉移等與根系分泌物的關系也是未來的重要研究方向。

(3)利用內生菌進行污染物生物降解。內生菌在植物體內污染物降解中發揮作用的大小取決于進入植物組織內部的污染物濃度,而污染物在植物體內的遷移、分布與根系分泌物關系密切。今后的研究應重點關注:(1)污染物脅迫下植物根系如何調控并驅使特定微生物在根際定殖、植物內生菌群落結構的變化與根系分泌物的關系、根系分泌物作為信號分子在內生菌趨化反應中發揮的作用及機理；(2)植物與其根際及內生微生物間的分子信號通路、根系分泌物在植物-微生物聯合消減污染物中發揮的作用及機理；(3)內生菌調控植物體內有機污染物的代謝過程中,母體化合物代謝物的毒理學評估和膳食風險評估。

(4)以往關于根系分泌物與污染物脅迫關系的研究多集中于初生代謝物(比如低分子量有機酸、糖類和氨基酸等),對于次生代謝物涉及較少,應加強次生代謝產物在污染土壤修復方面的研究。如:生物堿類、異戊二烯類、黃酮類、酚類化合物等次生代謝物的分子結構與部分有機污染物的分子結構具有相似性,可能誘導微生物分解代謝基因降解污染物[99]。