細菌協同植物治理重金屬污染作用機制的研究進展

周 琳，梁 溢，趙長菘，余 蓉，弓婷斌，蘇春麗

（成都醫學院公共衛生學院，成都 610500）

當前，隨著科技的發展，重金屬污染日益嚴重，全球均面臨著嚴峻挑戰，重金屬污染修復問題受到了學者們的廣泛關注［1-2］。物理法、化學法和生物法都是環境中重金屬污染修復的主要方法，其中物理法和化學法治理重金屬污染問題雖然操作簡便、效果好，但是花費太高，有二次污染的風險，對于質量濃度范圍為10～100 mg/L的重金屬污染治理效果甚微［3］。所以，成本低、效益高、對環境友好的生物法就進入了人們的視野。生物法包括微生物修復法、植物修復法、動物修復法，其中植物修復法是一種綠色環保、可持續的原位土壤治理技術。植物可通過提取、轉化、固定、揮發等機制修復被重金屬污染的土壤［4］。同時，細菌在重金屬脅迫下會發展一種抗性系統，使其能夠承受高水平的重金屬，重金屬一旦不存在，這種抗性系統會直接喪失［5］。近年來，很多學者對微生物協同植物修復重金屬污染展開了廣泛的研究，充分證明了微生物在治理重金屬污染這一領域的重要性。基于此，本文總結了國內外研究中有關細菌與植物協同治理重金屬污染的作用機制。

1 細菌促進植物對養分的吸收，增強植物對重金屬的抗性

1.1 溶磷作用

磷是植物生長發育所必須的營養素之一，參與了植物生長的各個過程。目前有學者發現，具有溶磷作用的細菌，如泛菌（Pantoeasp.）LRCP-17、沙雷氏菌（Serratiasp.）LRCP-29，可以溶解難溶性磷酸鹽以釋放出可溶性的磷供植物吸收、利用，以此方式來促進油菜（Brassica napus）的生長發育，提高其產量［6］。溶磷菌在促進植物生長的同時，也能溶解土壤中的重金屬，提高重金屬的生物利用率，從而提高植物對重金屬的累積量。Jeong等［7］將溶磷細菌巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）DSM3228接種到種植芥菜（Brassica juncea）的土壤中，結果顯示：該菌株有助于芥菜對磷等土壤礦物質的吸收，促進了芥菜的生長發育；在鎘（Cd）污染土壤中，接種植株的生物量顯著高于未接種植株，而且巨大芽孢桿菌DSM3228分泌的有機酸導致土壤酸化，使非生物有效的和不溶性的Cd逐漸被溶解，提高了Cd的生物利用率，使接種植株的Cd積累量較未接種對照顯著提高了2倍。Llimós等［8］從鉛鋅礦土壤中分離到一株具有溶磷作用的熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）MT218317，該菌株能通過分泌有機酸提高鋅的生物利用率；將其接種到白芥（Sinapis alba）后發現，熒光假單胞菌MT218317能夠顯著增加白芥植株的生物量，而且接種后白芥植株中的Cd、鉛（Pb）、銅（Cu）及鋅（Zn）累積量均高于未接種植株。

1.2 固氮作用

植物對土壤中氮元素的吸收、利用、運輸和轉移能力可以直接影響植株的地上組織生產力，對植株的存活和生長至關重要［9］。某些細菌可通過固氮酶將分子氮還原為氨的形式（N2+6e-+6H++nATP→2NH3+nADP+nPi），氨溶于水后被植物吸收，促進植物生長。有研究表明，在墨西哥格雷羅的礦山尾礦分離的151株菌中，有51%的菌株有固氮作用，可以促進植物生長、提高生物量。其中從根際分離的金黃桿菌（Chryseobacterium）、芽孢桿菌（Bacillus）和葡萄球菌（Staphylococcus）的固氮效率最高［10］。Islam等［11］研究發現，與未接種的對照組相比，接種固氮細菌顯著提高了紅辣椒（Capsicum annuumL. cv Barodda）幼苗的葉綠素含量，促進了其對宏、微量營養物質的吸收。Dhali等［12］也從金屬污染場地分離到兩株耐鉻（Cr）內生根瘤菌，即阿氏芽孢桿菌（Bacillus aryabhattai）AS03和普沙根瘤菌（Rhizobium pusense）AS05，將兩株菌聯合接種到硬皮豆（Macrotyloma uniflorumvar. Madhu）上，結果表明，接種后植株的光合作用得到明顯改善，接近于無Cr（VI）脅迫時的光合作用，莖和根長度、根瘤數和豆紅蛋白含量均有所增加。這說明聯合使用兩株菌能夠促進硬皮豆植株在Cr（VI）污染土壤中的生長，增強硬皮豆植株對重金屬Cr（VI）的耐受能力。

1.3 解鉀作用

鉀是一種重要的植物必需營養物質，在植物的生理和代謝過程中發揮著關鍵作用，并提供其抵抗生物和非生物脅迫的能力［13］。解鉀菌（potassium solubilizing bacteria，KSB）是從土壤中分離出來的一種能分解不溶鋁硅酸鹽和磷灰石類礦物的細菌，能通過提高土壤中鉀元素的生物利用率促進植物的生長發育［14］。另外，解鉀菌也能溶解土壤中的重金屬，提高重金屬的生物利用率，從而提高植物對重金屬的累積。Wu等［15］研究發現，將具有金屬抗性的解鉀膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）HKK-1接種到芥菜根際后，植株對重金屬Zn、Pb、Cu的吸收明顯增加。周婷［16］通過盆栽試驗研究解鉀根瘤菌（Rhizobiumsp.）對超富集植物龍葵（Solanum nigrumL.）修復缺磷土壤鎘污染的影響，結果表明，解鉀根瘤菌在解鉀過程中能分泌大量有機酸，具有很好的溶鎘能力，提高了鉀（K）、Cd的生物利用率，不僅能促進龍葵根的生長，而且促進了龍葵對K、磷（P）、鈣（Ca）和Cd的吸收，其在莖葉部分含量分別增加了46.70%、18.84%、17.66%和43.96%。

2 細菌在重金屬脅迫下分泌代謝產物促進植物生長，減緩重金屬脅迫作用

2.1 分泌植物生長素

植物生長素是一種可以刺激植物生長的激素，可有效調控植物的生長速度和生長方向。重金屬耐受細菌可在植物受重金屬脅迫的條件下分泌生長素，以此來促進植物生長發育，增加植物對重金屬的吸收。Subrahmanyam等［17］從工業廢水污染的土壤中分離出一株可以促進綠豆（Vigna radiataVar.GM4）生長的、具有多金屬耐受性的腸桿菌（Enterobactersp.）C1D。研究結果顯示，即使在Cr（Ⅵ）脅迫下，菌株C1D也能在綠豆根表面、組織內部、根尖上定植，且其吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）和1-氨基環丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）脫氨酶水平均升高。與未接種菌株C1D的綠豆植株相比，接種植株根和莖的生物量明顯增加，未表現出明顯的Cr毒性，這表明菌株C1D通過顯著的促生長作用使植株對Cr（Ⅵ）的耐受性有所提高。Singh等［18］在研究缺陷短波單胞菌（Brevundimonas diminuta）新分離株NBRI012對水稻（Oryza sativa(L).Var. Sarju 52）抗砷（As）能力的影響中發現，缺陷短波單胞菌NBRI012可通過以ACC作為唯一碳源，產生IAA、鐵載體等途徑減少As（Ⅵ）的毒性，促進水稻生長，增強水稻抗砷能力。由此可見，在重金屬脅迫下，細菌可以通過分泌植物生長素促進植物生長，增強植物對重金屬的抗性，減緩重金屬的脅迫。

2.2 分泌鐵載體

鐵元素是細胞生長的必需元素，但在環境中的生物利用率很低。在自然界中，因為根際微生物對Fe3+的競爭非常激烈，故根際微生物常常會合成和分泌一種對Fe3+具有親和力的小分子化合物——鐵載體。鐵載體可以和位于自然界或宿主細胞中的鐵發生螯合形成鐵-鐵載體復合物，之后Fe3+還原為Fe2+與其解離，從而滿足自身在生命活動周期中的需要［19］。有研究表明，鐵載體可以增加環境中某些金屬離子的流動性［20］，因此可用來修復重金屬污染。也有研究發現，生長素的分泌能力會因為鐵載體的產生而增強，從而促進植物生長［21］。Dourado等［22］研究了耐Cd菌株伯克霍爾德氏菌（Burkholderiasp.）SCMS54促進番茄（Solanum lycopersicumL. cultivar Calabash Rouge）生長的作用機制，結果顯示，菌株SCMS54產生的鐵載體可能對Cd脅迫下的番茄植株有促生長作用，且接種菌株SCMS54的番茄植株地上部分、根部和總植株的生物量均高于未接種植株。Dimkpa等［23］研究發現，在金屬脅迫下，加了鐵載體的試驗組的株高、根部干重和總生物量顯著高于缺乏鐵載體的對照組，另外，試驗組植株對所有金屬的吸收均高于對照組。由此可見，鐵載體不僅可以增加金屬流動性、促進植株生長，還能增強植株對重金屬的吸收與蓄積能力。

2.3 分泌ACC脫氨酶

ACC脫氨酶可以有效降解植物合成乙烯的前體物質ACC，以此作用來降低植物生長過程中乙烯的合成量，是一種有效降低植物逆境中乙烯合成量的外源促生物質［24］。Grobelak等［25］從重金屬污染地區植物中篩選到具有ACC脫氨酶活性的菌株，將其中活性最高的3株內生細菌（Pseudomonassp.、Bacillus cereus、Bacillussp.）聯合接種到甘藍型油菜（Brassica napusL.）和紫羊茅（Festuca rubraL.）中，在重金屬脅迫下，ACC脫氨酶活性菌株均促進了兩種植物的生長發育，顯著提高了植株的重量和高度。早期Belimov等［26］在印度芥菜（Brassica junceaL. Czern.）VIR-3129的根中分離得到耐Cd細菌，以ACC作為能量來源，結果表明，在重金屬Cd脅迫下，ACC脫氨酶的活性與細菌對植物根伸長的影響呈正相關。在脅迫條件下ACC脫氨酶才能顯著體現其對植物的有益影響，從而減輕重金屬脅迫對植物帶來的負面影響［27］。故在重金屬污染環境中細菌分泌的ACC脫氨酶扮演了重要的角色。

3 細菌改變重金屬流動性，影響植物的吸收

3.1 氧化還原

眾所周知，單依靠植物本身，其從土壤中提取重金屬效率較低，根系吸收重金屬慢，重金屬從根部向地上部的遷移速度也較慢。然而，金屬離子價態不同，其水溶性和毒性也有差異。有研究顯示，砷酸鹽異化還原菌（dissimilatory arsenate-respiring prokaryotes，DARPs）可以將水溶性較差的As（Ⅴ）還原為溶解度更高的As（Ⅲ），從而改變As的遷移率，提高As的生物利用率［28］。Abou-Shanab等［29］研究表明，當蜈蚣草（Pteris vittata）用于修復As污染土壤時，蜈蚣草能否有效吸收As依賴于As的價態，而其根際存在大量的As轉化細菌，如假單胞菌（Pseudomonas）、農桿菌（Agrobacterium）等，能夠調整As的價態，促進As（Ⅴ）還原為As（Ⅲ），提高As的生物利用率，有利于蜈蚣草吸收As。這說明細菌體內存在這種氧化還原的機制，能夠通過這一機制改變重金屬的流動性和毒性，從而影響植物對重金屬的吸收。

3.2 生物表面活性劑

生物表面活性劑是微生物在一定環境條件下分泌出的具有一定表面活性的代謝產物，如鼠李糖脂、皂角苷等，它不僅可以有效降低油水混合界面的表面張力，增加與水不相溶物質的溶解度和可用性，還因其生物降解性和生態友好的屬性受到越來越多的關注［30］。已有研究表明，鼠李糖脂生物表面活性劑可以去除可浸提態的Pb和Cd，也可以在不破壞土壤結構的前提下去除結合態的Pb和Cd［31］。Sheng等［32］研究表明：對多種重金屬和抗生素具有不同耐受特性的表面活性劑產生菌芽孢桿菌（Bacillussp.）J119能誘導脂肽類生物表面活性劑溶解Pb，并能增溶CdCO3，提高Cd的生物利用率；盆栽試驗顯示，施用芽孢桿菌J119能顯著提高番茄植株（Lycopersicon esculentumvariety Shanghai-906）的生物量，并促進植株組織對Cd的吸收，使番茄植株地上部分Cd積累量增加。Chen等［33］將生物表面活性劑產生菌假單胞菌（Pseudomonassp.）Lk9接種到龍葵（Solanum nigrumL.）上，研究表明，接種假單胞菌Lk9提高了Cd污染土壤中Cd的生物利用率，顯著增加了龍葵植株地上部分的干生物量，植株地上部分累積的Cd總量增加了46.6%。這些報道都充分展現了生物表面活性劑在處理重金屬污染環境問題中具有一定作用，且對環境不產生或產生很小的影響［34］。目前很多生物表面活性劑已進入工業化模式，有廣闊的應用前景［35］。

4 在重金屬脅迫下，細菌誘導植物相關基因高表達促進重金屬修復

目前有研究表明，在重金屬脅迫下，細菌誘導植物的某些基因得到更高的表達，從而增強其對重金屬的抗性能力。比如，Wu等［36］采用熒光成像、轉錄組學和代謝組學相結合的方法研究接種促生菌熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）對東南景天（Sedum alfredii）植物的影響，結果發現，接種植株有146個植物激素相關基因顯著上調，其中119個基因表現出復雜的相互作用，根部IAA質量濃度顯著提高，脫落酸、乙烯和茉莉酸等促進植物衰老的植物激素質量濃度顯著降低，促進側根大量形成，從而增加植株根系中Cd的質量濃度和積累量，提高了植株對Cd的修復效率。Pan等［37］研究了在不同Cd含量條件下，內生細菌（Sphingomonassp.）SaMR12對東南景天金屬離子積累及3個金屬轉運蛋白家族表達的影響。結果表明，在Cd脅迫條件下，內生細菌SaMR12通過調控金屬轉運蛋白基因的表達，提高了地上部分金屬轉運蛋白SaZIP3、SaNramp6、SaHMA2、SaHMA3和根部SaZIP3、SaNramp1、SaNramp3、SaNramp6的表達，促進了植物生長，增強了植物對Cd的耐受和吸收，提高Cd的累積量至未接種菌株對照的118%～130%。這些研究表明，在重金屬脅迫下，細菌可誘導植物相關基因高表達，從而促進植物生長發育，增強植物對重金屬的耐受力。

5 總結與展望

我國在“十四五”戰略規劃中明確提出要深入打好污染防治攻堅戰，著眼新發展階段生態文明建設新任務新要求。存在于環境中的重金屬很難被生物降解，能直接對動物、植物和人類產生危害。有關專家提出，重金屬產生的污染具有不可逆性，所以，解決重金屬污染問題迫在眉睫。當前，微生物-植物聯合治理重金屬污染的方法受到人們廣泛關注。其中，細菌與植物協同治理重金屬污染的方法展現出良好的應用前景，其作用機制主要有圖1所示的幾個方面。從當前的研究趨勢來看，利用植物與細菌聯合修復重金屬污染具有廣闊的市場前景，值得推廣。然而，目前針對細菌協同植物治理重金屬污染機制的研究仍然不夠深入，還有頗多機制尚未被發現，還有一些原理亟待解釋，故應當開展進一步研究，積極發現細菌-植物-重金屬之間相互作用的機制。之后的研究可以更加關注以下幾個方面：

圖1 細菌協同植物治理重金屬污染的可能機制Fig. 1 Possible mechanism of bacterial synergism with plant treatment of heavy metal pollution

1）重金屬脅迫下，細菌和植株基因表達的改變，進而通過分子生物學方法篩選、培育出對多重重金屬耐受的細菌和超積累植物，提高細菌協同植物治理重金屬污染的應用效果；

2）在了解細菌代謝產物的種類及其生物學功能的基礎之上，篩選、提取出高效且對環境危害低的代謝產物，為多技術聯合治理重金屬污染提供基礎；

3）將研究成果大規模用于重金屬污染修復。我國礦區重金屬污染土壤分布較廣，可利用超富集植物聯合具有重金屬抗性的植物促生菌進行原位修復。低積累作物與細菌聯合用于農田重金屬污染土壤，可提升農田土壤質量，減少重金屬在農作物中的積累，為農產品安全生產和人類健康提供保障。