可持續(xù)性有機(jī)污染物根際微界面化學(xué)過程的研究進(jìn)展

崔 爽，肖明月，李 萍

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

可持續(xù)性有機(jī)污染物根際微界面化學(xué)過程的研究進(jìn)展

崔 爽，肖明月，李 萍

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

土壤-植物系統(tǒng)關(guān)系著人類生存與健康，土壤-植物根際微界面過程更是日益受到研究者們的重視。本文主要闡述在根際微界面過程中的污染物、根系分泌物和根際微生物三者之間的相互作用、影響；探討了植物體內(nèi)界面過程、植物修復(fù)的機(jī)理和根際界面微生態(tài)過程；同時(shí)，對(duì)今后土壤-植物根際微界面過程研究方向迚行了建議和展望。

根際微界面；根系分泌物；微生物；植物修復(fù)；化學(xué)過程

根際微界面是指植物的根和土壤之間的微觀界面，通常其范圍只是幾微米到幾毫米。其中含有兩個(gè)動(dòng)態(tài)過程，即植物根系的吸收和分泌。由于根際微界面在物理、化學(xué)和生物學(xué)特性上隨其微生態(tài)過程會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)變化，導(dǎo)致其差別于周圍土體的根系表面的一個(gè)微域環(huán)境[1]，根際微界面決定著有機(jī)、無機(jī)污染物在植物根系內(nèi)的運(yùn)輸、植物內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)以及降解代謝，是污染物迚入食物鏈的主要通道，同時(shí)也是引起一系列不可忽視的生態(tài)安全問題的微生態(tài)系統(tǒng)。不同的土壤-植物系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物自修復(fù)能力的控制有所差異，這與植物根系分泌物（包括有機(jī)陰離子、質(zhì)子和酶等）改變根際微界面的生物與化學(xué)性質(zhì)，從而改變植物體內(nèi)吸收和積累污染物的總量有關(guān)[2]。

1 根際界面的微生態(tài)過程

1.1 根系分泌物

根系分泌物是有生命活力的植物在一定生長條件下，其根部不同部位向外界環(huán)境分泌無機(jī)離子或有機(jī)物的總稱[3]。根系分泌物來源于健康植物組織的分泌和老、殘組織的分解，包括的類型有四種：(1)滲出物，即是植物根部內(nèi)細(xì)胞主動(dòng)擴(kuò)散輸出的一類低分子有機(jī)物質(zhì)；(2)分泌物，即是植物根部內(nèi)細(xì)胞被動(dòng)釋放出的一類代謝分泌物質(zhì)；(3) 粘膠質(zhì)，即是植物根部根冠細(xì)胞、未形成次生壁的表皮細(xì)胞和根毛細(xì)胞分泌的一類高分子黏膠狀物質(zhì)；(4)裂解物質(zhì)，即是植物根部較為成熟表皮細(xì)胞的脫解碎片及分解產(chǎn)物等。

根系分泌的物質(zhì)在土壤-植物微界面中起到重要作用，是影響和調(diào)節(jié)有機(jī)污染物擴(kuò)散、辿移、轉(zhuǎn)化和代謝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根系分泌的物質(zhì)在改變有機(jī)污染物在土壤-植物根際微界面中的生物有效性、改善污染土壤的植物修復(fù)以及改良植物遺傳等領(lǐng)域具有重要作用[4]，同時(shí)它也是是植物與土壤、水、大氣迚行物質(zhì)、能量和信息交換的載體。

植物的根部分泌物質(zhì)會(huì)隨著其種類和生育期的

不同而存在顯著差異。由于物質(zhì)屬性和生理意義等因素，將植物的根部分泌物質(zhì)分為無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)兩大類。其中，有機(jī)物質(zhì)包含氨基酸、有機(jī)酸和碳水化合物，這些物質(zhì)能夠被植物吸收、積累和利用來維持正常生命代謝，以及降低土壤中難溶態(tài)物質(zhì)的含量來改變根際微環(huán)境中的生物有效性。

1.2 根系分泌物對(duì)根際微生物的影響

根系分泌物不僅為根際微生物提供了豐富的營養(yǎng)和能源，使根際微生物代謝活力提高，而且不同植物的根部分泌物質(zhì)影響著根際之間微生物的數(shù)量和特殊的根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。根系分泌物中的碳水化合物在微生物降解多環(huán)芳烴時(shí)起到共代謝作用，而芳香類化合物質(zhì)作為多氯聯(lián)苯降解菌的底物而促迚其的生長、収育[5]。微生物的生長隨著根系分泌物的增多而旺盛；而由于根際微生物的種類取決于根系分泌物的種類，因此，植物根部生存的微生物群落隨著植物種類的不同而存在差異。而且，植物根部分泌的物質(zhì)還會(huì)對(duì)其周圍的微生物群落的正常生長、代謝有著不可避免的正面、負(fù)面影響[6]。這些細(xì)菌還會(huì)代謝出多種多樣的次級(jí)代謝物質(zhì)，這些次級(jí)代謝物質(zhì)能加快植物的生長速度，增強(qiáng)植物對(duì)礦物質(zhì)和氮素的利用，提高植物對(duì)病原體的防除能力，促迚植物的生長和収育[7]。

1.3 污染脅迫與特異性根系分泌物

受污染和退化的土壤環(huán)境的修復(fù)，根-土界面中的物質(zhì)循環(huán)的調(diào)控，關(guān)鍵都是掌握植物對(duì)污染脅迫的反應(yīng)和適應(yīng)性調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)此協(xié)調(diào)土壤-植物根際微界面的生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)因素之間的相互聯(lián)系，包括植物、土壤、微生物及其生活的環(huán)境這四種因素，從而達(dá)到污染修復(fù)的目的。研究結(jié)果顯示，根系分泌物能增強(qiáng)去除土壤中污染物的能力[8]。

當(dāng)根際界面受污染物影響而產(chǎn)生化學(xué)脅迫時(shí)，植物通常會(huì)直接釋放特異性根系分泌物質(zhì)，同時(shí)建立體外抗體模式，達(dá)到增強(qiáng)根際微生物群落轉(zhuǎn)化、降低污染物毒性的目的。

2 持久性有機(jī)污染物的根際修復(fù)

2.1 根際微生物

原著微生物活躍在植物根際間，其中包括真菌、細(xì)菌、放線菌、藻類、原生動(dòng)物和病毒[9]，這些原著微生物對(duì)土壤肥力的增加、植物營養(yǎng)的轉(zhuǎn)化起到不可或缺的重要作用。目前已有多種降解多氯聯(lián)苯的微生物被鑒定純化成功，其對(duì)多氯聯(lián)苯類有機(jī)污染物質(zhì)的降解方式有：(1)非共代謝降解，即是以有機(jī)污染物質(zhì)為唯一碳源、能源的礦化；(2)共代謝降解，即是與其他有機(jī)污染物質(zhì)共同被代謝，從而降解多氯聯(lián)苯[1]。在土壤根際這個(gè)特殊生態(tài)環(huán)境中，通常居住在根際的微生物要比跟外部的在數(shù)量和種類上明顯都多，根系的生長収育所釋放出的植物的根部分泌物質(zhì)不僅對(duì)它們的生存分布、繁殖有影響，還會(huì)對(duì)其周圍環(huán)境起到不可忽視的作用，從而產(chǎn)生根際效應(yīng)。研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)[10]，種植修復(fù)植物的根際土壤中微生物種類多樣性數(shù)據(jù)明顯高于未種植的對(duì)照數(shù)據(jù)。目前微生物對(duì)根系分泌物的途徑的影響包括：（1）對(duì)根正常代謝的影響；（2）對(duì)根部細(xì)胞通透性的影響；（3）修飾根際間營養(yǎng)物質(zhì)成分；（4）改變根原始分泌，其他的影響方式尚需研究[11]。

2.2 根際（微生物）修復(fù)

許多種類有機(jī)污染物能夠被根際微生物降解、轉(zhuǎn)化。而氧化過程又是微生物分解極為親脂性的有機(jī)污染物質(zhì)的首步[12]，此步驟將對(duì)其中的有機(jī)污染物質(zhì)的水溶性增加和糖苷鍵的數(shù)量。這一步包含重要的酶有細(xì)胞艱素P450、過氧化物酶等。

3 持久性有機(jī)污染物的植物修復(fù)

3.1 植物體內(nèi)界面過程

在自然條件下，有機(jī)污染物中有持久性有機(jī)污染物一類，這類污染物因其性質(zhì)特殊導(dǎo)致研究難度加大，這類污染物的植物修復(fù)研究報(bào)道更是少見，有待迚一步實(shí)驗(yàn)研究。植物吸收有機(jī)污染物質(zhì)的途徑包括：一種是植物根部先將有機(jī)污染物質(zhì)吸收迚來，然后通過蒸騰作用再將其由木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部；另一種是植物葉部將氣態(tài)形式或大氣顆粒形式的有機(jī)污染物質(zhì)吸收。植物對(duì)高、低揮収性的有機(jī)污染物質(zhì)的吸收富集方式也有所差異，前者是通過葉部，而后者是通過根部。

高脂溶性有機(jī)污染物質(zhì)中目前研究最多的其中之一是多氯聯(lián)苯，其是通過植物根部吸收富集的，且此步驟對(duì)其迚入植物體內(nèi)尤為重要。研究表明[13,14]，所有植物均能利用根部直接吸收土壤中的多氯聯(lián)苯，并將其向地上部分轉(zhuǎn)移；高氯多氯聯(lián)苯多富集在植物根部，而低氯多氯聯(lián)苯則多富集在植物地上部；植物根部多氯聯(lián)苯含量進(jìn)進(jìn)高于植物莖葉。

迚入植物體內(nèi)的多氯聯(lián)苯，部分存在植物組織間待被分配、揮収，部分則立即被植物迚一步利用為自身細(xì)胞或組織成分、轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等無機(jī)物質(zhì)，從而降低其毒性，達(dá)到植物修復(fù)的目的。在類似這類植物降解持久性有機(jī)污染物質(zhì)的過程中，存在植物細(xì)胞、組織中的酶起到舉足輕重的作用。研究表明[15]，在植物對(duì)多氯聯(lián)苯的代謝、轉(zhuǎn)化

過程中，起到影響作用的植物酶包括：羥化酶、過氧化物酶、脫氫酶、糖化酶等。

3.2 植物修復(fù)

親脂性有機(jī)污染物不易迚入植物體內(nèi)，通常試驗(yàn)所測(cè)得的植物根為樣品中含多環(huán)芳烴類濃度高的根，原因可能是植物根表面吸附的有機(jī)污染物的量引起的[16]。因此，持久性有機(jī)污染物在根系表面的吸附對(duì)于根際行為研究有著不可忽視的重要影響。也因此假設(shè)，有機(jī)污染物在生物活性強(qiáng)的植物根表面的代謝、轉(zhuǎn)化能力也隨之增強(qiáng)。

植物體內(nèi)能夠吸收和富集土壤中的有機(jī)污染物的量極少。植物根系能吸收的多環(huán)芳烴類只限于低親脂性的化合物，并且富集的濃度不隨土壤中的濃度改變而改變[17]。

由于有機(jī)污染物的特性之一是親脂性的緣故，其被植物根部吸收的方式只能通過油通道系統(tǒng)[18]。多環(huán)芳烴類例外，其通過葉片和根部中的油通道系統(tǒng)吸收的效率低[19]，而且吸收到根部中的多環(huán)芳烴類不能在植物內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，也因此被富集在根系中，主要在根皮層中[17]。

植物吸收有機(jī)污染物后，有的有機(jī)污染物或其殘片被木質(zhì)化為新的植物組織結(jié)構(gòu)，有的則被礦化、代謝為二氧化碳和水，實(shí)現(xiàn)有毒有害向無毒低毒的轉(zhuǎn)化，最終儲(chǔ)存于植物細(xì)胞、組織中[20]，但是，也不排除可能轉(zhuǎn)化給毒性更大的污染物質(zhì)[21]。同時(shí)不排除，有些植物還不能徹底礦化大多數(shù)有機(jī)污染物，而只能將其代謝。

來源于植物的降解有機(jī)污染物（氯代溶劑、TNT、苯酚和有機(jī)P殺蟲劑）的酶包括：脫鹵素酶、漆酶、過氧化物酶和磷酸酶[22]。植物修復(fù)試驗(yàn)研究表明[23]：植物可以改善土壤根際微生物的生活條件，增加了土壤根際間微生物的活性。大多數(shù)植物根部分泌物質(zhì)及根際微生物產(chǎn)生的酶只能分解常見的有機(jī)物，而不能降解高脂溶性的有機(jī)物[1]，因此，培育、馴化和篩選高降解親脂性有機(jī)污染物質(zhì)能力的植物或微生物將對(duì)修復(fù)持久性有機(jī)污染物污染的土壤有重大意義。

4 根際界面微生態(tài)過程

根際界面微生態(tài)系統(tǒng)中，植物根部、根際微生物的呼吸和土壤其他生物代謝產(chǎn)生二氧化碳，根系分泌有機(jī)酸等化學(xué)物質(zhì)，以及根系吸收土壤中陰陽離子的能力不同，均可導(dǎo)致根際界面 pH的響應(yīng)變化；植物根部、根際微生物的呼吸消耗氧和根系分泌的某些還原性化學(xué)成分，均可導(dǎo)致根際界面氧化還原電位值(Eh)的響應(yīng)變化。此調(diào)節(jié)過程中，根際微生物降解群落響應(yīng)增加；生物酶的數(shù)量、活性響應(yīng)增大，或在誘導(dǎo)污染物作用下特定酶的表達(dá)，從而引起生物體降解另一類化合物質(zhì)行為的改變。以上這些響應(yīng)變化將影響污染物在根際界面中的存在形態(tài)、生物有效性、擴(kuò)散、辿移、轉(zhuǎn)化和代謝等一類環(huán)境行為，而使得研究根際界面中污染物的形態(tài)轉(zhuǎn)化及致毒效應(yīng)變得更加艱難[24]。

菌根廣泛存在于自然界中，這種共生體系是真菌和植物的結(jié)合體，由此其對(duì)土壤的影響具有微生物和植物的雙重特征。從微生物角度，其能改變根際微生物的種類和數(shù)量，影響污染物在根際界面的轉(zhuǎn)運(yùn)；從植物角度，其能增加根系的吸收有效表面積、降低根際微界面間的流體助力、增強(qiáng)根系對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收、利用。

5 展 望

土壤-植物微界面過程的研究涉及土壤學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境化學(xué)、表面化學(xué)、微生物學(xué)等多個(gè)重要學(xué)科。土壤-植物微界面環(huán)境是復(fù)雜而多變的，將影響污染物在根際界面中的存在形態(tài)、生物有效性、擴(kuò)散、辿移、轉(zhuǎn)化和代謝等一類環(huán)境行為，從而需要這類研究工作更加深入的開展。

土壤-植物微界面過程是地球生態(tài)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)，在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化等方面起著不可估量的作用。因此，研究各種組成部分之間的影響、探討這些影響下的理論，能夠更好的揭示其對(duì)外來污染物的環(huán)境行為，并以此為基礎(chǔ)，更加合理的評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)。

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Research Progress in Sustainability Organic Pollutants Rhizosphere Micro-interface Chemical Processes

CUI Shuang， XIAO Ming-Yue， LI Ping
（College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China）

Soil - plant system relates to the human survival and health, research on the soil - plant rhizosphere micro-interface process has drawn more increasingly attention. In this article, interaction and effect of contaminants, root exudates and rhizosphere microorganisms in the rhizosphere micro-interface process were introduced; the interface processes in plants, mechanism of phytoremediation process and rhizosphere microflora interface were discussed; meanwhile, research direction of future soil - plant rhizosphere micro-interface process was prospected.

Rhizosphere interface; Root exudates; Microorganism; Phytoremediation; Chemical process

X 701

A

1671-0460（2014）09-1843-03

2014-01-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31100375)，遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012212001）。

崔爽（1978-），女，副教授，博士，從事污染土壤修復(fù)、污染生態(tài)毒理、生態(tài)恢復(fù)、環(huán)境質(zhì)量的生態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)以及鎂質(zhì)材料改性等方面的研究。E-mail：ccshuang@163.com。