根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

魏羽含

(江西財經(jīng)大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032)

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根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

魏羽含

(江西財經(jīng)大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032)

摘要：指出了生物修復(fù)以其操作簡便、成本低廉及安全性高等優(yōu)點被當(dāng)作修復(fù)重金屬污染環(huán)境的有效途徑。根瘤菌-豆科植物共生體系是一種固氮能力較強的體系，在改善土壤氮素不足中起到了關(guān)鍵作用。闡述了根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：根瘤菌-豆科植物；共生體系；重金屬污染；修復(fù)方式

1引言

隨著重金屬污染問題對全球環(huán)境及人類健康造成的危害日益擴(kuò)大，重金屬污染的修復(fù)問題越來越為世界各國所關(guān)注。我國大部分廢棄地或礦區(qū)均存在殘留重金屬濃度高、氮素、磷素等營養(yǎng)元素缺乏及土壤偏酸性等問題，微生物對土壤氮循環(huán)中起著關(guān)鍵的作用，而根瘤菌-豆科植物共生體系在修復(fù)重金屬污染中具有劃時代的意義。豆科植物具有重金屬耐性，其可以與根瘤菌共生，起到固氮的作用，可有效解決上述存在的問題[1]。本文主要論述修復(fù)土壤重金屬污染的方法，簡要分析微生物抗重金屬的相關(guān)原理，同時講述根瘤菌-豆科植物共生體系在重金屬污染環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用，希望能為科研學(xué)者們提供參考。

2修復(fù)土壤重金屬污染的重要意義

土壤是人類獲取食物和其他資料的基礎(chǔ)保障，同時土壤也是各種物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)存儲庫，其對環(huán)境的各類變化具有很高的敏感度。土壤中重金屬的殘留時間越久不僅使土壤的肥力退化，而且會通過食物鏈?zhǔn)谷祟愰g接的吸收重金屬，危害到人類的健康。有權(quán)威資料顯示，土壤、大氣和水體三者之間的相關(guān)性和耦合性使得人類對修復(fù)大氣和水體的重金屬污染的關(guān)注度大于對修復(fù)土壤的重金屬污染的關(guān)注度，但無論怎樣，若是土壤的重金屬污染環(huán)境得不到修復(fù)，則大氣和水體的污染環(huán)境也無從解決。因此修復(fù)土壤的重金屬污染環(huán)境可從根本上維持生態(tài)的可持續(xù)和穩(wěn)定發(fā)展。

3修復(fù)土壤重金屬污染的方法

當(dāng)前很多領(lǐng)域?qū)ν寥赖闹亟饘傥廴拘迯?fù)技術(shù)都做了很多研究，筆者經(jīng)過查閱資料后總結(jié)出修復(fù)土壤重金屬污染的兩大有效途徑就是運用固化作用和活化提取去除。通過固化作用可降低各生物之間的循環(huán)利用性，同時降低重金屬的遷移性和毒性。詳細(xì)的方法有自然、物理、化學(xué)及生物等修復(fù)方式[2]。從綜合的角度分析，自然修復(fù)主要與土壤自身的理化性質(zhì)有很大關(guān)系；物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)在整體的修復(fù)效果來說非常好，所花費的時間較少，但修復(fù)成本較高，會造成土壤物理性質(zhì)的變化，有可能會引發(fā)二次感染，無法解決實際問題；生物修復(fù)包含微生物修復(fù)、植物修復(fù)及微生物-植物共同修復(fù)這3種形式，是一種新興的修復(fù)技術(shù)，其以操作簡便、成本低廉、安全性高及對環(huán)境影響少等優(yōu)點而被當(dāng)作修復(fù)重金屬污染環(huán)境的有效途徑。微生物修復(fù)雖然可通過積累重金屬或是改變重金屬的化合狀態(tài)來達(dá)到降低土壤中重金屬毒性的作用，但純粹的微生物修復(fù)在實際應(yīng)用中并沒有將Cu、Pb等重金屬離子從土壤中移除，待微生物細(xì)菌死亡后這些金屬又會自然的回到土壤中產(chǎn)生循環(huán)污染，因此采用微生物修復(fù)方式?jīng)]有明顯作用。而微生物-植物共同修復(fù)方式則是結(jié)合微生物與植物共生的關(guān)系，充分發(fā)揮各自的修復(fù)作用，并彌補對方的不足，從根本上提升了土壤重金屬污染的修復(fù)效率，具有很高的應(yīng)用價值。

4微生物-植物共同修復(fù)方式的具體闡述

4.1微生物的抗重金屬性及解毒機制

若土壤中的重金屬濃度過高，則會影響到微生物的代謝功能，最終改變微生物物種的分布和數(shù)量。因此為了適應(yīng)這樣的污染環(huán)境，微生物會形成對應(yīng)的抗重金屬性和解毒機制[3]。而微生物對重金屬的解毒機制在理論上非常復(fù)雜，且不同種類的微生物其抗性及解毒機制也不太相同，所運用的解毒原理通常都包括沉淀、整合、外排、富集和隔離等。例如微生物對銅的抗性最顯著的就是大腸桿菌，其主要是負(fù)責(zé)將過量的Cu2+移出細(xì)胞質(zhì)，并通過其他組分將細(xì)胞周圍的Cu2+濃度進(jìn)行控制，保證植物在一定Cu2+濃度下存活；而微生物對對鋅的抗性則表現(xiàn)為當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的Zn2+濃度達(dá)到一定值時，微生物會通過自身對Zn2+的吸收性，啟動外排系統(tǒng)將細(xì)胞內(nèi)定量的Zn2+排出細(xì)胞外，從而達(dá)到降細(xì)胞內(nèi)Zn2+濃度的效果。利用這樣的抗性機制，微生物可以同時轉(zhuǎn)化和改變土壤中重金屬的離子形態(tài)，這本身就是一種解毒效果，對土壤的整體環(huán)境而言就是一種良好的修復(fù)效果(圖1)。

4.2微生物-植物共同修復(fù)技術(shù)的作用

該項技術(shù)一方面主要是運用PGPR細(xì)菌(促植物生長根際細(xì)菌)能分泌的酶、有機酸和表面活性劑等物質(zhì)，進(jìn)而提高土壤中重金屬的生物有效性，從而提升植物對重金屬元素的可吸收性、累積和固化等效率；另一方面主要是依靠ACC脫氨酶等各類分泌特異性酶、維生素、各類植物激素以及具有氮固定作用的根瘤菌來促進(jìn)植物的生長，從而提升植物的總量，進(jìn)而增加重金屬的總積累量。同時植物在整個過程中不斷的分泌類似糖、氨基酸和有機酸等物質(zhì)，在一定程度上為微生物提供了能源，保證了微生物的作用持續(xù)，同時還改善了土壤的理化性質(zhì)，也間接促進(jìn)了微生物的繁殖和生長[4]。由此可見，微生物-植物共同修復(fù)技術(shù)彌補了微生物及植物各自在修復(fù)過程中存在的不足，提高了整體的修復(fù)效率。由上文的分析中可知，氮素等營養(yǎng)成分不足是限制重金屬污染地植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子，因此氮素含量水平成為了判斷重金屬污染地生態(tài)修復(fù)效果的指標(biāo)。根瘤菌-豆科植物共生體系是目前固氮能力及抗逆能力最強的體系，兩者之間存在一種緊密互利關(guān)系，既可以提升土壤的肥力，同時還能夠固定或移除土壤中的重金屬。

4.3根瘤菌-豆科植物共生體系修復(fù)重金屬污染的效果

4.3.1根瘤菌的選擇和促植物生長的相關(guān)特性

具有重金屬抗性的根瘤菌在重金屬長期污染環(huán)境下，可有效的與宿主(豆科植物)進(jìn)行結(jié)瘤和固氮。與眾多的微生物相同，根瘤菌也可以通過某一種重金屬抗性系統(tǒng)維持某一種金屬離子的穩(wěn)定狀態(tài)，其作用機制與上文提到的相同。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者對豆科植物和根瘤菌的共生體系做了很多研究，并提出了根瘤菌的選擇的重要性。有學(xué)者從受Ni污染的土壤中分離出40余種微生物后進(jìn)行分類，對其中的9種重金屬做耐性評定之后發(fā)現(xiàn)某一株菌對Zn2+具有很好的耐性；也有學(xué)者在某一礦區(qū)中篩選出某一種株菌并對其進(jìn)行液體培養(yǎng)基時發(fā)現(xiàn)存在具有很好耐受性的Zn和Cd離子。由此可見根瘤菌作為一種內(nèi)生菌，其通過長期的進(jìn)化后能與植物形成一種穩(wěn)定的互惠互利關(guān)系，其能夠為植物提供營養(yǎng)，發(fā)揮促進(jìn)植物生長的作用；同時其位于植物的內(nèi)部，植物本身也對其具有保護(hù)和提供能源的作用，從而發(fā)揮穩(wěn)定的促生作用。當(dāng)然，根瘤菌也與其他促生菌相同，除了促進(jìn)植物生長，同時還有重金屬累積作用，在重金屬污染地的修復(fù)中發(fā)揮著強大的作用。

4.3.2根瘤菌的抗重金屬性及解毒機制

根瘤菌通過長期的進(jìn)化后能有效適應(yīng)環(huán)境的改變和有害物質(zhì)的存在，這就表現(xiàn)出了根瘤菌的抗重金屬性。有學(xué)者對某一株菌對Cd的抗性書評進(jìn)行研究，經(jīng)鎘處理前后觀察GSH變化后發(fā)現(xiàn)，Cd抗性對根瘤菌處理前后其GSH變化明顯，且GSH對Cd有一定的解毒效果?，F(xiàn)階段關(guān)于根瘤菌的抗重金屬性及解毒機制的研究成果還比較少，需要更進(jìn)一步研究。

4.3.3根瘤菌-豆科植物共生體系生態(tài)修復(fù)效果

通常根瘤菌在土壤中生長速度較慢，但如果侵染豆科植物后其生長速度明顯加快。侵染后其能在豆科植物的根部形成根瘤，隨后持續(xù)繁殖，此時它可為植物提供氮素，同時還能通過自身的分泌物促進(jìn)植物的生長和累積重金屬[5]。有學(xué)者對兩者共生體系的特性進(jìn)行研究時候發(fā)現(xiàn)，沒有經(jīng)過接種的某一株菌其生物量非常小，并表現(xiàn)出營養(yǎng)不足的癥狀，但經(jīng)過抗金屬性接種后其生長速度明顯加快；也有研究學(xué)者研究As對根瘤菌-大豆共生體系所產(chǎn)生的影響后發(fā)現(xiàn)As營養(yǎng)液中生長的某一株菌其莖和根的重量雖沒有上升，但相對于沒有接種的植物來說，其重量上升了40%左右，而植物本身的氮素含量卻沒有升高，由此可以得出這一株菌能分泌植物激素，有促生作用。以上學(xué)者的研究結(jié)果表示可通過根瘤菌-豆科植物共生體系之間的相互作用，以固氮作用加快重金屬污染地中氮元素的累積，促進(jìn)土壤中的氮素循環(huán)和其他營養(yǎng)成分的累積，同時還可富集眾多的重金屬元素，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

5結(jié)語

近年來，我國各大礦區(qū)和廢棄地接連發(fā)生土壤貧瘠、氮素等營養(yǎng)元素不足及重金屬污染的不可降解性等問題，而這些均是限制重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)的主要因素。根瘤菌作為一種重要的農(nóng)業(yè)資源，其在環(huán)境修復(fù)過程中起著關(guān)鍵的作用。能在重金屬環(huán)境中存活的豆科植物，主要是依靠根瘤菌侵染自身后與之進(jìn)行共生和固氮，將兩者的共生體系應(yīng)用在重金屬污染土壤的修復(fù)中，對土壤的氮素循環(huán)和積累營養(yǎng)元素有了顯著的促進(jìn)作用。文中，筆者介紹了目前全球最先進(jìn)的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)，指出了根瘤菌-豆科植物共生體系共同修復(fù)能夠維持污染環(huán)境的氮素平衡，實現(xiàn)了人類與環(huán)境的和諧共生。

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文章編號：1674-9944(2016)02-0076-03

中圖分類號：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：魏羽含(1992—)，女，河北唐山人，江西財經(jīng)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-06