施加根系分泌物對(duì)重金屬形態(tài)及吸收積累影響的研究進(jìn)展

杜云燕 龔玉蓮 曾碧健 謝婕 馮思紅 鄧高明 陳彩鋒 鄒金城 雷靜靜

摘要：植物分泌的根系分泌物對(duì)土壤重金屬的化學(xué)行為和植物吸收積累重金屬具有重要影響。對(duì)施加根系分泌物的方式、根系分泌物對(duì)土壤重金屬化學(xué)行為和重金屬吸收積累的影響及機(jī)理研究進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：根系分泌物;土壤重金屬形態(tài);重金屬吸收積累

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0082-03

1 引言

人類大量的開(kāi)采礦產(chǎn)資源以及過(guò)量的使用化學(xué)產(chǎn)品而造成的土壤重金屬污染，成為了人們迫切關(guān)注的問(wèn)題[1，2]。人類的健康因食用受土壤重金屬污染的糧食和蔬菜等必需品而受到威脅。

重金屬在環(huán)境中不易降解，自然清除時(shí)間長(zhǎng)，采用化學(xué)修復(fù)、物理和工程等傳統(tǒng)的環(huán)境污染清潔技術(shù)，由于存在操作復(fù)雜、難以大面積實(shí)施、成本高、容易造成二次污染等問(wèn)題，其治理效果受得了一定的影響。植物在生長(zhǎng)的過(guò)程中，對(duì)土壤包括重金屬在內(nèi)的許多物質(zhì)具有重要的影響，利用植物進(jìn)行土壤重金屬污染的修復(fù)和控制，因具有費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)逐步被采用，并取得良好的效果[3～5]。

植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)與控制主要包括兩方面，一方面是利用植物對(duì)重金屬進(jìn)行吸收、去除和固定[6，7]。另一方面是在重金屬污染土壤上種植重金屬低積累植物或品種，利用其對(duì)重金屬低量吸收積累的特性，實(shí)現(xiàn)植物產(chǎn)品的安全生產(chǎn)[8]。

根系分泌物是影響土壤重金屬化學(xué)行為和植物吸收積累重金屬的重要物質(zhì)，對(duì)于植物修復(fù)和控制土壤重金屬污染具有重要的意義[9]。根系分泌物主要通過(guò)降低環(huán)境pH值、改變土壤氧化還原狀態(tài)等途徑改變重金屬的形態(tài)，影響重金屬在土壤中的有效性，進(jìn)一步改變植物對(duì)重金屬的吸收或者土壤對(duì)再金屬的吸附能力[10，11]。

目前，關(guān)于根系分泌物提取、組分和作用等方面的研究較多.但未見(jiàn)關(guān)于通過(guò)施加根系分泌物或相關(guān)成分研究植物對(duì)重金屬吸收積累影響的綜述。本文就近年來(lái)有關(guān)施加根系分泌物列重金屬的化學(xué)行為和吸收積累的影響研究進(jìn)行綜述。

4 施加根系分泌物的方式

（1）將有機(jī)酸或者根系分泌物施加至土壤中。郭凡嫡等[25]將不同濃度的草酸，淋洗至種植東南景天的土壤中。盧豪良[20]往種植秋茄幼苗的土壤中，分別添加草酸、檸檬酸、五倍子酸。

（2）將有機(jī)酸施加到水培系統(tǒng)中。林琦[24]在水培系統(tǒng)中將檸檬酸、酒石酸分別加入Pb處理液、Cd處理液、以及Pb、Cd混合處理液中。

（3）將根系分泌物或者外源物質(zhì)與含有重金屬的土樣混合。例如，何彩嬌等塒將低分子量有機(jī)酸與含重金屬Cr的土樣混合。徐秀月等[21]在沉淀物中分別加入不同濃度的檸檬酸、蘋果酸和草酸。

（4）將裝有有機(jī)酸的透析袋放入重金屬離子溶液中。林琦[24]將20 mL有機(jī)酸裝在透析袋內(nèi)，浸泡在Cd（N03）2或Pb（ N03）2的鹽溶液中，并測(cè)定透析袋內(nèi)外Pb、Cd的濃度。

5 施加根系分泌物對(duì)土壤重金屬形態(tài)的影響

研究表明，根系分泌物對(duì)土壤重金屬形態(tài)的影響較為復(fù)雜，表現(xiàn)為以下幾種情況。

（1）根系分泌物有機(jī)酸能抑制土壤重金屬吸附，促進(jìn)重金屬解吸。甲酸、草酸、蘋果酸等9種有機(jī)酸能活化土壤中的重金屬Cr，促進(jìn)重金屬?gòu)耐寥乐薪馕?，日，?duì)比單一有機(jī)酸，混合酸表現(xiàn)出更強(qiáng)的能力[19]。王瑾等[23]研究發(fā)現(xiàn)施加小麥根系分泌物，對(duì)Cr（Ⅵ），Cd（Ⅱ）有吸附去除效果。

（2）根系分泌物有機(jī)酸對(duì)土壤重金屬吸附的影響呈現(xiàn)出濃度效應(yīng)。根系分泌物有機(jī)酸低濃度促進(jìn)土壤重金屬的吸附而抑制重金屬?gòu)耐寥乐薪馕８邼舛纫种仆寥乐亟饘俚奈蕉龠M(jìn)重金屬?gòu)耐寥乐薪馕?。樓玉蘭[26]研究發(fā)現(xiàn)蘋果酸在低濃度條件下，土壤中Cu、Zn的提取率低于對(duì)照，對(duì)Cu和Zn的解吸均表現(xiàn)為抑制作用;然而高濃度蘋果酸則明顯提高Cu、Zn的提取率，增加Cu和Zn的解吸。推測(cè)可能是土壤表面與溶液中的有機(jī)配體爭(zhēng)搶溶液中金屬離子能力不同的結(jié)果。

（3）施加有機(jī)酸對(duì)土壤重金屬吸附行為沒(méi)有顯著影響，吳龍華等[27]發(fā)現(xiàn)分別施加等量的草酸、檸檬酸或蘋果酸，土壤溶液Cu的濃度、Cu的狀態(tài)都與空白處理無(wú)顯著差異，推測(cè)施加的這些有機(jī)酸在6天中可能因被分解而無(wú)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。

（4）施加有機(jī)酸對(duì)土壤重金屬吸附行為影響的復(fù)雜性，可能與其有機(jī)配體在土壤中狀態(tài)有關(guān)。羅洪亮等[28]發(fā)現(xiàn)有機(jī)配體具有降低、升高、不改變?nèi)芤篊u2濃度三個(gè)方面的作用，是土壤表面與溶液中有機(jī)配體搶奪Cu2+的結(jié)果。換言之，體系加入的有機(jī)配體，若成為固相中的一員，溶液Cu2+濃度下降;若成為液相中的一員，溶液CU2+濃度上升[29]。

6 施加根系分泌物對(duì)植株吸收積累重金屬的影響

研究表明，根系分泌物對(duì)植物吸收積累重金屬的影響較為復(fù)雜，表現(xiàn)為以下幾種情況。

6.1 根系分泌物有機(jī)酸促進(jìn)植株吸收重金屬

且隨著濃度的增高，促進(jìn)作用進(jìn)一步增強(qiáng)。施加草酸顯著促進(jìn)間作系統(tǒng)中續(xù)斷菊對(duì)Cd的吸收，并隨著草酸濃度的增加，植物吸收積累的Cd量也增加[20]。蘋果酸、檸檬酸、丙二酸、酒石酸和EDTA對(duì)黑麥草吸收積累Pb的影響均表現(xiàn)為止相關(guān)的促進(jìn)作用[31]。

施加根系分泌物促進(jìn)植物吸收積累重金屬，原因在于有機(jī)酸能有效活化土壤中的重金屬，增加重金屬在土壤中的有效性。根系分泌有機(jī)酸，H+含量增加，H+可置換出土壤上的重金屬離子，解除土壤的束縛，從而易于被植物根系吸收，并進(jìn)一步增加了運(yùn)往地上部分的數(shù)量。同時(shí)H+濃度的變化影響了與根際酶、微生物、根系等有關(guān)的代謝過(guò)程，從而直接或間接影響重金屬在土壤中的濃度[20]。

6.2 根系分泌物對(duì)植株吸收積累重金屬的影響呈現(xiàn)出濃度效應(yīng)

在較低的濃度范圍內(nèi)，隨著有機(jī)酸的濃度升高，施加有機(jī)酸使植株吸收積累重金屬能力不斷增強(qiáng)。隨著有機(jī)酸濃度的進(jìn)一步升高，減弱了植株吸收積累重金屬能力。郭凡嫡等[25]用5、10、25、50 mmol/L 4種濃度的草酸分別淋洗土壤，發(fā)現(xiàn)草酸濃度在25 mmol/L濃度范圍內(nèi)，東南景天Cd含量與有機(jī)酸濃度呈正相關(guān)，當(dāng)草酸濃度為50 mmol/L時(shí)，植物Cd含量則降低。

有機(jī)酸濃度過(guò)高對(duì)植物吸收積累重金屬具有抑制作用，可能是由于高濃度有機(jī)酸破壞了金屬離子與有機(jī)酸形成的化合物結(jié)構(gòu)。秦麗[30]發(fā)現(xiàn)高濃度檸檬酸使地上部Pb含量降低，據(jù)此推測(cè)在較低濃度時(shí)，檸檬酸能與Pb形成化合物而進(jìn)入根細(xì)胞，并向木質(zhì)部裝載往地上部分運(yùn)輸;當(dāng)檸檬酸濃度過(guò)高，反而破壞了與重金屬的結(jié)合，而不利于根系吸收重金屬，導(dǎo)致根部及地上部分Pb含量的降低。

另一方面，施加根系分泌物抑制植物吸收積累重金屬，可能是由于根系分泌物中的一些大分子有機(jī)化合物作用于重金屬離子，使其被土壤束縛住，從而降低了土壤溶液中重金屬離子的濃度，緩解了重金屬對(duì)植物的損害[32]。

6.3 施加根系分泌物有機(jī)酸，對(duì)植株吸收積累重金屬無(wú)顯著影響

施用等量的草酸、檸檬酸或蘋果酸，對(duì)芥菜葉的Cu含量無(wú)顯著影響，原因可能在于施加的有機(jī)酸被分解而失去效果[27]。

7 展望

施加根系分泌物影響植物吸收積累重金屬的研究，對(duì)于重金屬的污染治理具有一定的指導(dǎo)意義，可在環(huán)境治理者制定方案時(shí)，為試劑種類、劑量和施加方式等的選擇提供重要的參考信息。

近年的研究主要集中在施加單一有機(jī)酸上，混合有機(jī)酸的研究較少。根系分泌物中的有機(jī)酸種類繁雜，植株吸收積累重金屬是多種物質(zhì)聯(lián)合作用的結(jié)果，因此研究混合有機(jī)酸對(duì)植株吸收積累影響，對(duì)于探明根系分泌物的作用具有重要的作用。

此外，研究對(duì)象主要是有機(jī)酸，而根系分泌物的其他物質(zhì)例如氨基酸、糖類等的相關(guān)研究則鮮有報(bào)道。根系分泌物是一類極其復(fù)雜的混合物質(zhì)，對(duì)土壤重金屬的作用是多種物質(zhì)多種因素復(fù)合作用的結(jié)果，因此有必要研究有機(jī)酸以外的其他物質(zhì)。

值得注意的是，相關(guān)研究多為根系分泌物中的某些物質(zhì)對(duì)土壤重金屬化學(xué)行為的影響，或者是施加一種或幾種物質(zhì)對(duì)植物吸收積累重金屬的影響，而較少研究直接施加來(lái)源于植物的根系分泌物對(duì)重金屬形態(tài)、吸收積累的影響。直接研究根系分泌物對(duì)重金屬化學(xué)行為和積累的影響，將具有更加現(xiàn)實(shí)的意義。

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