植物—微生物聯(lián)合修復重金屬污染底泥/土壤的研究進展

文曉鳳 尹令實 張金帆 袁瀚宇

摘 要：重金屬作為一種持久性污染毒物，近年來在中國由其引起的環(huán)境污染已引起了高度的關注。植物-微生物聯(lián)合修復作為一種綠色環(huán)保技術，在石油污染土壤治理中的應用研究日益成熟，將該技術應用于重金屬污染底泥/土壤的修復已逐漸開展。該文對中國底泥/土壤重金屬污染的現(xiàn)狀、處理方法等進行了概括，對植物-微生物聯(lián)合修復的定義、原理進行了闡述，并從微生物類別的角度敘述了目前能用于重金屬污染底泥/土壤處理的植物-微生物聯(lián)合修復技術的幾類不同形式，最后對植物-微生物聯(lián)合修復法在底泥/土壤重金屬污染修復中的應用前景進行了展望。

關鍵詞：植物-微生物聯(lián)合修復；重金屬污染；底泥/土壤

中圖分類號 X53；X820.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）06-83-04

The Research Progress on Plant-microorganism Combined Remediation of Heavy Metals-contaminated Soil & Sediments

Wen Xiaofeng1 et al.

（1School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China）

Abstract：As a kind of persistent toxic，heavy metals pollution has caused a high degree of attention recently in China.As a green technology，plant-microorganism combined remediation are increasingly mature on its application in the oil pollution of soil，so appllying to the restoration of sediment/soil heavy metal pollution has been gradually carried out.This article summarizes the current situation of sediment/soil heavy metal pollution，the processing method and so on.Also the definition，principle about the plant-microorganism combined remediation was expatiated，and the different forms of plant-microorganism combined remediation on plant-microbial was described.Finally，the application foreground of the plant-microorganism combined remediation in sediment/soil heavy metal pollution repair was prospected.

Key words：Plant-microorganism combined remediation；Heavy metals pollution；Sediments & Soils

重金屬（Heavy metals）一般是指密度大于5g/cm3，超過一定量后對生物具有明顯毒性的金屬或者類金屬元素，如鎘、鉻、鋅、銅、鉛、汞、砷等[1]。這些（類）金屬元素及其化合物在環(huán)境中只是發(fā)生形態(tài)或者價態(tài)的變化，難以被降解，屬于持久性的累積性毒物，對人類有著潛在長久的危害[2]。底泥、土壤是眾多底棲生物、陸生生物的棲息覓食生活場所，在底泥/土壤中累積的重金屬會通過食物鏈的放大，最終進入人體，使得人體內的重金屬含量逐漸增多，從而出現(xiàn)慢性中毒，對人類的健康造成長久且不可挽回的損害[3]。因此，對底泥/土壤中重金屬污染的治理研究有著重要的意義。中國對重金屬污染底泥/土壤的治理始于20世紀70年代，對重金屬污染底泥/土壤的處理機理分為固定、活化2種，前者降低底泥/土壤中重金屬離子的有效性，使其沉淀化從而降低其生物有效性，降低對植物的毒害，后者通過一系列措施提高重金屬的生物有效性，再通過植物、微生物等吸附提取從底泥/土壤中去除[4]。目前用于處理重金屬污染底泥/土壤的方法可分為原位修復（In-situ Remediation）與異位修復（Ex-situ Remediation）。物理修復法見效快，但工程量大，耗財耗力，且通過物理修復后均難以使底泥/土壤達到要求的標準；化學修復法能在短時間內大幅度去除底泥/土壤中的重金屬，但去除一般都不徹底，且治理成本高，人力物力耗費較多，易造成二次污染，化學藥劑也會對水生/陸生生態(tài)系統(tǒng)構成潛在的威脅[5]。植物-微生物聯(lián)合修復在進入21世紀后得到了快速發(fā)展，近年來由于其在富營養(yǎng)化污廢水、石油污染水體/土壤中的良好治理效果而引起了高度關注[6]，在重金屬污染底泥/土壤的處理中極具潛力，是今后治理重金屬污染底泥/土壤著重研究發(fā)展的方向。

1 植物-微生物聯(lián)合修復的定義及原理

植物-微生物聯(lián)合修復屬于生物修復，它通過建立植物-微生物共生體系，通過微生物加強植物富集、固定底泥/土壤中重金屬的能力，利用植物-微生物共生體系富集、固定底泥/土壤中的污染物[7]。微生物強化植物修復主要是強化植物富集、固定能力，主要表現(xiàn)在2個方面[8]：（1）活化或固定底泥/土壤中重金屬；（2）促進植物生長。用于重金屬污染修復的植物-微生物聯(lián)合修復中的植物與微生物兩者是互惠互利的關系，土壤-微生物共存環(huán)境中，底泥/土壤中附著在根際的微生物能將土壤有機質、植物根系分泌物轉化成自身可吸收的小分子物質，同時通過分泌有機酸、鐵載體等螯合物質改變底泥/土壤中重金屬的賦存狀態(tài)或者氧化還原狀態(tài)，降低重金屬的毒性，增加重金屬的生物有效性，減少重金屬對植物本身的毒害，有利于植物對重金屬的吸收、轉移、富集，從而增加了累積植物重金屬的生長量、富集量[8-9]。體外微生物對土壤中Fe、Mn氧化物進行還原，解析出其中的重金屬，也可將硫等氧化成硫酸鹽，降低土壤的pH值，進而增加了重金屬的活性，轉換成易于被植物吸收的形態(tài)；活動于植物體內的根內菌則通過分泌一定量的生長促生劑促進宿主植物生長，進而增加宿主植物對重金屬的富集量，有利于植物對底泥/土壤中重金屬的吸收[6，10]。而植物對微生物修復的強化則體現(xiàn)在植物根際分泌物上，根際的分泌物對根際微生物起著很關鍵的作用，根系分泌物數(shù)量豐富，一般包括糖、蛋白質、氨基酸、有機酸、酚類等，其中有機酸通過螯合、活化作用改變土壤中的重金屬化學行為、生態(tài)行為，進而改變重金屬對植物、微生物生物有效性、毒性[11]。同時，蛋白質、糖等有機質分泌物可以作為根際微生物的營養(yǎng)、能源來源，大大提高了根際微生物的活性，根際微生物活性的增加又反過來作用于植物根際，影響了根的代謝活動和細胞膜的膜透性，并改變了根際養(yǎng)分的生物有效性，促進了根際分泌物的釋放[12]。植物-微生物二者的聯(lián)合對植物、微生物修復法各自處理底泥/土壤中的重金屬起到了強化作用，提高了對底泥/土壤中重金屬的處理效率，在處理重金屬污染底泥/土壤中有著很大的潛力[13]。

2 植物-微生物聯(lián)合修復技術的幾種形式

2.1 植物-土著優(yōu)勢菌聯(lián)合修復 隨著底泥/土壤中重金屬污染的加重，某些微生物能對重金屬表現(xiàn)出耐受性，從污染底泥/土壤中分離出來的此類微生物即為土著優(yōu)勢菌種[14]。真菌、細菌、放線菌是底泥/土壤中分布廣、生物量大的微生物，表面積/體積比很大，表面附著的羧基、磷?；?、羥基等負電荷的功能基團使得它們對重金屬陽離子有著很強的吸附作用[15]。土著優(yōu)勢菌強化植物富集重金屬的機制主要表現(xiàn)在以下幾個方面[16]：（1）微生物分泌胞外聚合物與重金屬離子絡合解毒，降低重金屬毒性；（2）分泌的酸類對重金屬起到活化作用，提高重金屬的生物有效性，增強了植物對重金屬的富集能力；（3）微生物對土壤中金屬離子進行氧化還原及甲基化作用，從而對重金屬離子產生作用，將重金屬轉化為低毒、無毒的形式。陳文清等[17]利用盆栽實驗研究了魚腥草與內源根際微生物聯(lián)合修復鎘污染土壤，發(fā)現(xiàn)在土壤鎘濃度為5mg/kg、10mg/kg時，魚腥草的富集率分別為2.86%、1.63%，吸收量最高可達培養(yǎng)前自身鎘濃度的200倍（種植前魚腥草鎘含量0.114 6mg/kg，富集后最高達24.44mg/kg），根際的細菌、霉菌耐性較弱，培養(yǎng)初期放線菌對鎘耐性很強，較高濃度鎘可能刺激了放線菌的大量生長，在兩者聯(lián)合下，土壤微生態(tài)系統(tǒng)能夠保持較好的穩(wěn)定性。高亞潔等[18]利用草本植物紫花苜蓿-土著微生物對重金屬污染的河道底泥進行修復，在經過6個月的PVC箱培養(yǎng)后，底泥中的Ni、Cu、Pb、Cr、Mn、Zn都得到了一定的去除，Ni、Cu、Pb、Cr、Zn均累積在紫花苜蓿根部，其中對Zn的總累積量最大，而Mn則在紫花苜蓿葉片中累積最多，占植物中總累積量的42.47%，而根際微生物也對植物修復起了輔助強化作用，其中的Cu與細菌總數(shù)有著相關系數(shù)為0.90的相關關系。

2.2 植物-根際菌根真菌聯(lián)合修復 菌根是一個微生物團，主要包括真菌、放線菌、固氮菌，是在植物根際發(fā)現(xiàn)的有助于植物生長的菌絲團，是土壤中的微生物與根系形成的聯(lián)合體[19-20]。菌根表面微生物形成的菌絲大幅度增加了根系吸收面積，而菌根真菌是處理重金屬的主要部分，真菌的酸溶、酶解能力使得它們能為植物提供了一部分營養(yǎng)物質，增加了植物的長勢，同時改善根際土壤環(huán)境，增加了植物抗蟲、抗逆的生存能力[21]。菌根真菌在自然界分布廣泛，一般來說，重金屬污染區(qū)域的菌根植物根際的真菌對重金屬會有著強的耐受力，也可從未受重金屬污染土壤中分離菌根真菌再進行篩選強化。李芳等[22]選了未受重金屬污染的點柄粘蓋牛肝菌、卷緣樁菇2種外生菌根真菌，研究二者對Pb、Zn、Cd的耐受性，發(fā)現(xiàn)卷緣樁菇比點柄粘蓋牛肝菌更耐受Pb、Zn的毒害，點柄粘蓋牛肝菌則對Cd有更強的耐受性。

2.3 植物-植物內生菌聯(lián)合修復 植物內生菌（Endophytes）是指那些在其生活史的一定階段或全部階段生活于健康植物的各種組織和器官體內或細胞間隙的真菌和細菌，被感染的宿主植物不表現(xiàn)或暫時不表現(xiàn)外在病癥[23]。內生菌通過代謝作用利于宿主植物的生長和抗重金屬毒性，可通過沉淀重金屬離子、產有機酸和蛋白降低植物毒性、產生促進植物生長的植物激素、抗氧化系統(tǒng)抵御重金屬毒性、增強植物對營養(yǎng)元素的吸收能力等來強化植物修復[24]。萬勇等[25]通過在龍葵種子中接種來自龍葵的抗性內生菌（S.nematodiphila，LRE07）來處理污染土壤，對龍葵富集鎘濃度沒有顯著影響，但極大地促進了植物的生長量，間接地提高了植物對鎘的總富集量，在10μM鎘濃度下，植株鎘富集量比對照組增長了（72±5）%。Sheng等[26]將來自油菜根部的內生菌P.fluorescens G10、Microbacterium sp.G16接種于鉛污染土壤，極大地提高了土壤中可溶態(tài)鉛的含量，有利于植物對鉛的富集吸收。Badu等[27]將從歐洲赤松根部內分離得到的抗性菌蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis，GDB-1）接種于赤楊皮樹苗體內，用以處理污染土壤，發(fā)現(xiàn)相對對照組赤楊皮樹根部重金屬濃度分別提高了154%（Ni）、135%（Cd）、120%（Zn）、117%（Pb）、114%（Cu）、113%（As），莖部重金屬濃度分別提高了175%（Ni）、160%（Cd）、137%（Zn）、137%（Pb）、161.1%（Cu）、110.1%（As）。

2.4 植物-其他微生物聯(lián)合修復 除了以上3類聯(lián)合，可以和植物聯(lián)合修復底泥/土壤重金屬污染的微生物還包括產酸微生物、基因工程菌等。楊卓等[28]利用印度芥菜與能產生有機酸、檸檬酸的巨大芽孢桿菌-膠質芽孢桿菌、黑曲霉混合制劑來修復Cd、Pb、Zn污染的土壤，添加巨大芽孢桿菌-膠質芽孢桿菌混合制劑時，污染土壤中印度芥菜對Cd、Pb、Zn的提取量分別提高了1.18、1.54、0.85倍，污染底泥中印度芥菜對Cd、Pb、Zn的提取量分別提高了4.00、0.64、0.65倍；添加黑曲霉時，污染土壤中印度芥菜對Cd、Pb、Zn的提取量比對照提高了88.82%、129.04%、16.80%，污染底泥中印度芥菜對Cd、Pb、Zn的提取量比對照提高了78.95%、113.63%、33.85%。在基因工程菌的研發(fā)方面，Lodewyckx等[29]將植物內生菌的抗性基因ncc-nre耐鎳系統(tǒng)接種到Burkholderia cepacia L.S.2.4，再將B.cepacia L.S.2.4接種到羽扇豆（Lupinus luteus），發(fā)現(xiàn)根部的鎳濃度比對照提高了30%。

3 研究展望

植物-微生物聯(lián)合修復技術中能用于單一重金屬或有機物污染底泥/土壤的植物修復相對較多，多種重金屬和重金屬與有機物的復合污染的植物修復則相對較少。目前已發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物大都為單一重金屬的超積累植物。超積累植物存在著個體矮小、生長緩慢、根系擴張深度有限、對重金屬有選擇性、從根部到莖葉的重金屬轉移率較低等缺陷。而微生物對影響生長代謝的生物因子均有一定的耐受范圍，超出范圍微生物易死亡或休眠，因此在聯(lián)合修復中還應根據(jù)微生物的需要，對環(huán)境因子做出相應的調整，使微生物的代謝活動處于最佳狀態(tài)。

在實際利用植物-微生物聯(lián)合修復重金屬污染土壤時，“植物-微生物”聯(lián)合體的選擇至關重要。從目前來看，徹底解決底泥/土壤中的重金屬污染問題還需要很長一段時間。為了加速改善這種狀況，推進植物-微生物修復在重金屬污染底泥/土壤實際修復中的應用，近期應該注重以下幾個方面的深入研究：（1）對植物-微生物不同聯(lián)合形式修復底泥/土壤中重金屬吸收、轉運、忍耐機制進行深入研究；（2）尋找能縮短修復周期、增強植物生長量、解決植物植株矮小等問題的手段；（3）針對超累積植物處理重金屬種類單一的缺點，應加強對能同時修復多種重金屬的陸生、水生、濕生植物品種的篩選培育；（4）利用基因工程、分子技術研制適用于植物微生物聯(lián)合體系的微生物的篩選研發(fā)，同時加強對底泥/土壤中土著微生物方面的研究；（5）盡快探索出能解決接種微生物與土著微生物競爭及適應性問題的方案。

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