植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在Cd 污染土壤中的研究進(jìn)展

盧晉晶，郜春花，武雪萍，李建華，靳東升，郜雅靜，籍晟煜

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081；3.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006）

隨著世界工業(yè)的快速發(fā)展，許多國家和地區(qū)的土壤都受到一些重金屬不同程度的污染。目前，重金屬對土壤的污染已經(jīng)引起了世界各國的極大關(guān)注。作為農(nóng)業(yè)大國之一，我國土壤的重金屬污染會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的影響[1]。鎘（Cd）是生物毒性最強的重金屬之一，因其可降解率低、可移動性強、污染面積廣而成為國內(nèi)外研究者們最關(guān)注的污染因子之一[2]。

土壤Cd 污染態(tài)勢在我國多個地區(qū)已經(jīng)十分嚴(yán)峻，如在華南地區(qū)和東北地區(qū)已出現(xiàn)食品和生態(tài)安全問題，其他一些地區(qū)也相繼出現(xiàn)類似的問題。例如“鎘大米”事件、廣西大新縣重金屬污染事件等，已成為全社會關(guān)注的焦點[3]。2014 年環(huán)境保護(hù)部、國土資源部對我國土壤污染狀況調(diào)查的公報公布結(jié)果顯示，重金屬在土壤中的超標(biāo)率達(dá)到16.1%，其中，Cd 的超標(biāo)率占到7.0%，成為超標(biāo)率最高的重金屬元素[4-5]。據(jù)調(diào)查，我國遭受Cd 污染的農(nóng)田土壤面積已超過20 萬hm2，并且Cd 含量超標(biāo)的各種農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)總量已超過14.6 億kg/a[6]。

Cd 可以通過不同途徑進(jìn)入土壤環(huán)境，參與復(fù)雜的土壤物理和化學(xué)過程，且大部分以不同形態(tài)滯留在土壤中，同時還能被作物吸收和富集進(jìn)入食物鏈。這不僅會給人類身體健康帶來極大隱患，更有可能引起社會大面積恐慌，危害國家和社會的穩(wěn)定。因此，加強對Cd 污染土壤的修復(fù)治理迫在眉睫。2016 年國務(wù)院頒布的《土十條》已經(jīng)提出，重點監(jiān)測以Cd 為首位的5 種重金屬元素。由此可見，我國土壤Cd 污染修復(fù)已經(jīng)不容忽視[7]。

近年來，隨著對重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的深入研究，逐漸發(fā)現(xiàn)利用植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)Cd污染土壤是一種比較有效的生物修復(fù)途徑。利用植物與微生物等生物聯(lián)合修復(fù)方式，可大大提升植物對Cd 的吸收和遷移，從而提高修復(fù)效率。與傳統(tǒng)物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，該方法修復(fù)具有資源來源廣、操作成本低、二次污染小等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外研究的熱點[8]。

筆者對當(dāng)前Cd 污染土壤中植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)制進(jìn)行了闡述，對現(xiàn)有的具有修復(fù)功能的植物、微生物資源進(jìn)行了統(tǒng)計，并對其未來研究方向進(jìn)行了總結(jié)，以便為今后該聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在實踐中的廣泛應(yīng)用提供理論借鑒。

1 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)理

植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)就是將植物和微生物作為組合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，直接或間接地吸收、轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬元素。在土壤環(huán)境中，植物的生長可為微生物提供良好的生長環(huán)境和生長所需的各種營養(yǎng)元素，但當(dāng)重金屬脅迫較大時，具有重金屬修復(fù)功能的植物生長緩慢[9]、生物量小、富集總量有限[10]；而許多微生物不僅對植物具有促生效應(yīng)，其本身和代謝物可通過不同機(jī)制對重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)[11]。因此，利用二者之間的這種共生關(guān)系，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，使重金屬污染土壤得到高效修復(fù)和治理。

1.1 植物修復(fù)作用

在植物- 微生物修復(fù)土壤鎘污染過程中，植物主要通過直接或者間接吸收大量具有生物活性的Cd，降低土壤中Cd 總量，或通過根系分泌物鈍化土壤中的Cd，從而降低其毒性。植物對重金屬的作用機(jī)制包括以下幾個方面。

1.1.1 根分泌物的吸附作用 為了抵抗不利環(huán)境，植物會通過自身代謝活動分泌一些有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、糖類、有機(jī)酸和部分脂類等），來改變土壤的根際環(huán)境，如氧化還原電位或pH 等，從而絡(luò)合部分形態(tài)的Cd 離子，降低其生物有效性。徐愛春等[12]研究發(fā)現(xiàn)，土壤酸度是影響鎘遷移的主要因素，在偏酸性環(huán)境中土壤游離態(tài)Cd 含量增加，堿性環(huán)境下結(jié)合態(tài)的Cd 含量增加。

1.1.2 植物對重金屬的解毒作用

1.1.2.1 金屬配位體的螯合作用 螯合作用是富集植物修復(fù)土壤中重金屬元素的重要作用之一。植物體內(nèi)含有多種能鰲合降低重金屬毒性的重要物質(zhì)，包括有機(jī)酸（如草酸、蘋果酸、檸檬酸）、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PCs）、半胱氨酸（Cys）等小分子物質(zhì)和金屬硫蛋白（MTs）等[13]。它們可以通過與重金屬離子發(fā)生配位作用或者絡(luò)合作用，來改變在土壤中的化學(xué)形態(tài)，從而有效降低重金屬元素在植物體內(nèi)遷移和轉(zhuǎn)化。楊紅玉等[14]研究表明，綠藻體內(nèi)的鎘結(jié)合蛋白能夠和滲入細(xì)胞內(nèi)的鎘元素發(fā)生螯合作用。

1.1.2.2 細(xì)胞壁沉淀作用、區(qū)隔化作用 在對大多數(shù)鎘富集植物的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁可以作為Cd進(jìn)入植物體內(nèi)的一道障礙。細(xì)胞壁含有豐富的多糖和蛋白質(zhì)，并含有大量羥基、醛基、羧基或磷酸基等親金屬離子的配位基團(tuán)，它們可以與Cd 離子配位結(jié)合，在細(xì)胞某些部位形成沉淀；或者可以將螯合態(tài)Cd、離子態(tài)Cd 轉(zhuǎn)運到液泡內(nèi)或其他特定部位，從而避免損傷植物重要組織和器官[15]。這種區(qū)隔化作用在輕微的重金屬脅迫下表現(xiàn)的更加明顯。

1.1.2.3 抗氧化系統(tǒng)的保護(hù)作用 Cd 脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)部產(chǎn)生許多活性氧自由基（ROS），為控制活性氧自由基的濃度，植物自身逐漸形成了多種抗氧化酶系統(tǒng)及非酶系統(tǒng)，成為體內(nèi)重要的抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)[16]。酶系統(tǒng)一般包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX），非酶保護(hù)系統(tǒng)主要有抗壞血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、胱氨酸及α- 生育酚等[17]。它們能夠清除活性氧自由基，保護(hù)細(xì)胞免受氧化脅迫的損傷。有研究表明，在100 mg/kg 鎘脅迫下，龍葵的SOD，POD，CAT 分別是對照的5 倍、2.5 倍、3倍[18]，旱柳中的POD，SOD，GST 等多種酶活性在高濃度Cd2+脅迫下得到提高[19]，說明他們通過自身抗氧化系統(tǒng)的保護(hù)能夠抵抗重金屬脅迫。

1.1.2.4 其他抗逆性因子 除了以上幾種機(jī)制以外，植物還能通過其他途徑抵抗重金屬的毒害。如誘導(dǎo)熱休克蛋白、甘氨酸蛋白、致病相關(guān)蛋白和幾丁質(zhì)酶等脅迫相關(guān)蛋白的表達(dá)，以及脯氨酸、水楊酸等其他小分子物質(zhì)的表達(dá)[20]。

1.1.3 鎘在植物體內(nèi)的遷移 Cd 元素進(jìn)入植物體內(nèi)的主要運移過程為：根部細(xì)胞壁先把土壤中的Cd 吸附，使之形成化合態(tài)Cd 或者游離態(tài)Cd，并在根細(xì)胞作用下進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)跨膜運輸；隨后可溶性Cd 離子越過根皮層，遷移至木質(zhì)部導(dǎo)管，然后再被運輸?shù)街参锏牡厣喜糠諿21]。

1.2 微生物對重金屬的作用

在重金屬污染土壤上，具有修復(fù)功能的微生物對重金屬的作用有多種方式，常見的有吸附沉淀、溶解作用、轉(zhuǎn)化作用[22]，通過這些作用來影響重金屬在土壤中的遷移、釋放以及它的毒性。這方面的研究可為微生物強化植物修復(fù)重金屬土壤提供理論基礎(chǔ)。

1.2.1 微生物對重金屬的吸附沉淀作用 微生物一方面可通過帶電荷的細(xì)胞表面吸附Cd，或在攝取土壤中營養(yǎng)元素時主動吸收一部分Cd 離子，并將它們貯存積累于細(xì)胞表面或內(nèi)部[23]；還可通過誘導(dǎo)或分泌的微生物產(chǎn)物使之與重金屬發(fā)生螯合、配位、沉淀等作用被動吸附重金屬[24]，如生成金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀，以及細(xì)菌胞外多聚體、鐵載體、金屬硫蛋白、植物螯合肽與重金屬結(jié)合蛋白等[25]。

1.2.2 微生物對重金屬的溶解作用 微生物一方面可以通過分解根系分泌物或者某些有機(jī)物，使得重金屬及含重金屬的礦物得到間接溶解；另一方面微生物代謝產(chǎn)生一些低分子量的有機(jī)酸、氨基酸或者酶類等物質(zhì)，可以通過絡(luò)合溶解、酸溶解和還原作用等直接或間接地活化固定態(tài)重金屬[24-26]。

1.2.3 微生物對重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化作用 微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化方式有：（1）微生物自身對重金屬的轉(zhuǎn)化作用，常見的有甲基化、氧化還原或烷基取代作用等，使重金屬形態(tài)發(fā)生改變，從而得以固定或降低毒性，如硒的微生物甲基化可降低沉積物中硒的毒性[27]；（2）微生物代謝產(chǎn)物的活化作用，如一些有機(jī)化合物、大分子酸性物質(zhì)或其他微生物分泌物等可與土壤中的Cd 發(fā)生絡(luò)合，從而使之轉(zhuǎn)化為無毒或低毒形態(tài)[28]。

1.3 植物-微生物聯(lián)合作用機(jī)制

在植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)污染土壤過程中，微生物和植物二者之間存在多種協(xié)同機(jī)制[29]：一是微生物可通過自身或者代謝物吸收重金屬，降低重金屬元素在土壤中的總量和毒害程度，從而對植物起到促生作用；二是改善植物營養(yǎng)、抑制病原菌侵害，從而對植物起到促生作用；三是微生物代謝過程中的分泌物如有機(jī)酸、鐵載體、表面活性劑、螯合劑等可轉(zhuǎn)變重金屬的價態(tài)，促進(jìn)其在植物體內(nèi)的富集，強化植物修復(fù)效果。楊雪艷等[30]在研究“雙耐”菌株與香根草聯(lián)合修復(fù)Pb 和Cd 復(fù)合污染土壤時，發(fā)現(xiàn)該菌株在促進(jìn)植物生長的同時還能提高Pb 和Cd的有效態(tài)含量，強化污染土壤的修復(fù)效果。

1.3.1 微生物提高植物抗性 微生物可通過多種作用機(jī)制來提高植物對重金屬的抗性并促進(jìn)其生長，以增強植物修復(fù)的效率。作用機(jī)制主要有：促生作用、增強植物重金屬抗性、生防作用、解毒作用。

1.3.1.1 促生作用 微生物可以通過分泌特定植物促生物質(zhì)（如吲哚乙酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素等），刺激植物根系的生長，提高植物對營養(yǎng)元素的吸收[31]。微生物代謝產(chǎn)生的多種低分子有機(jī)酸在土壤環(huán)境中可參與成土作用，促進(jìn)某些礦物溶解（如難溶性的磷酸鹽），加強植株吸收養(yǎng)分[32]。同時分泌物鐵載體可以為植物生長提供鐵元素，直接促進(jìn)其生長[33]。還有研究發(fā)現(xiàn)，某些微生物可以通過固氮和解鉀作用來促進(jìn)植物在脅迫環(huán)境中的生長，如WU 等[34]在研究具有固氮、溶磷和解鉀功能的某些植物促生細(xì)菌對印度芥菜的影響時發(fā)現(xiàn)，它們能夠顯著增加植物地上部生物量，改變土壤中重金屬生物有效性。

1.3.1.2 增強植物抗性 微生物幫助植物提高對重金屬的抗性方式之一就是通過增強抗氧化酶活性。一些研究結(jié)果表明，接種某些微生物之后，植物對重金屬的抗性增強，主要原因就是抗氧化酶活性提高，減緩了重金屬對植物的氧化損傷[35]。GARG 等[36]研究也發(fā)現(xiàn)，與低濃度相比，高濃度的Cd 污染土壤條件下接種AMF 可顯著增強谷胱甘肽還原酶（GR）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POX）、超氧化物歧化酶（SOD）等酶的活性，從而提高了樹豆對Cd 的抗性。

1.3.1.3 生防作用 微生物可通過多種作用來抑制或減輕植物根際病原微生物生長及蟲害的發(fā)生，間接促進(jìn)植物的生長。其中，產(chǎn)生抗生素和鐵載體是微生物抑制病害的最常見的機(jī)制?？股厥俏⑸锎x產(chǎn)生的一類非酶類的化學(xué)物質(zhì)，它在低濃度下對其他微生物的生長有抑制或滅菌作用，對枯萎病、瓜類花葉病、小麥赤霉病及果樹病害和其他作物病害有顯著控制效果。常見的抗生素有戊酮、辛酮、類菇、多肽和氨基酸衍生物等[37]。鐵元素是致病菌生存和生長所必須的元素之一，而鐵載體是致病菌從宿主的鐵結(jié)合蛋白獲取鐵元素的重要載體。具有修復(fù)功能的微生物本身可分泌鰲合能力更強的鐵載體，因而，這類微生物成為致病菌的競爭者，結(jié)果可使病原菌的生長因缺鐵受到抑制[31]。有一些研究表明，熒光假單胞桿菌能持久有效地抑制康乃馨鐮刀菌枯萎病的發(fā)生，主要源于其分泌的鐵載體。

1.3.1.4 解毒作用 在重金屬濃度較高的環(huán)境下，植物會受到一定程度的毒害，導(dǎo)致修復(fù)效率降低。微生物能夠通過各種物理化學(xué)作用來吸附和轉(zhuǎn)化重金屬離子，例如，細(xì)胞表面電荷吸附作用可將重金屬離子富集在細(xì)胞表面或內(nèi)部，或者氧化- 還原、甲基化、脫烴作用可使重金屬轉(zhuǎn)化為低毒或無毒的物質(zhì)，從而降低重金屬對植物的毒害效應(yīng)，保證植物在重金屬污染條件下的最佳生長[38]。

1.3.2 微生物強化植物修復(fù)能力 微生物可以通過分泌金屬螯合物、聚合物和蛋白等代謝物，絡(luò)合土壤中有毒金屬，降低其生物有效性和毒性[39]。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固氮菌屬被接種到小麥根際后，它們能夠結(jié)合15.2 mg/g 的Cd，降低小麥對土壤中Cd的吸收量，減少量高達(dá)50%[40]。另外，微生物可以分泌一些表面活性物質(zhì)（如糖脂、多糖脂、脂肽和脂蛋白等）和低分子有機(jī)酸（如葡糖酸、草酸、檸檬酸等），它們通過絡(luò)合溶解、酸溶解和還原活化作用活化重金屬，促進(jìn)植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移，強化植物修復(fù)能力[41]。楊卓等[42]研究表明，巨大芽孢桿菌和膠質(zhì)芽孢桿菌不僅促進(jìn)富集植物印度芥菜的生長，還能增強其對土壤中Cd 的吸收，很大程度上提高了植物的修復(fù)效率。目前還有不少研究發(fā)現(xiàn)，植物促生細(xì)菌和菌根在強化植物修復(fù)方面有較好的效果。

2 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)

2.1 Cd 修復(fù)植物

國內(nèi)外對鎘修復(fù)植物進(jìn)行了大量的研究工作。目前根據(jù)富集能力的大小，可用于Cd 污染土壤修復(fù)的植物分為3 類[38]。

2.1.1 Cd 超富集植物 超富集植物是用于土壤修復(fù)最多的一類植被，它是指那些對某些重金屬具有特別的富集能力且自身不受毒害的一類植物[43]。Cd超富集植物并不常見，一般集中于金屬礦區(qū)和重金屬廠區(qū)附近。目前為止，Cd 超富集植物大致有：東南景天、伴礦景天、寶山堇菜、龍葵、天藍(lán)遏藍(lán)菜、忍冬、三葉鬼針草、商陸[44]等。

2.1.2 Cd 轉(zhuǎn)基因富集植物 轉(zhuǎn)基因富集植物指的是從基因水平改變植物的耐重金屬特性。通過將超富集植物的相關(guān)基因轉(zhuǎn)移到一些生物量較大、生長周期短的植物中，來提高這些植被的富集能力和修復(fù)效率。目前，Cd 轉(zhuǎn)基因富集植物有：擬南芥（基因來源為酵母）[45]、印度芥菜（基因來源為擬南芥）[46]、煙草（基因來源為水稻）[47]。但值得注意的是，轉(zhuǎn)基因技術(shù)會打亂植物的自然進(jìn)化規(guī)律，存在潛在的生態(tài)風(fēng)險。

2.1.3 Cd 耐性植物 耐性植物指雖達(dá)不到超富集植物的富集標(biāo)準(zhǔn)，但對重金屬還是有一定的耐受能力的植物。因其生物量大、生長迅速，表現(xiàn)出很強的植物修復(fù)潛力。常見的Cd 耐性植物有黑麥草、籽粒莧、馬齒莧、向日葵、印度芥菜[48]等。其中一些植物吸收的Cd 并不會進(jìn)入食物鏈，因此，在凈化環(huán)境的同時還可取得一定的經(jīng)濟(jì)效益[49]。

2.1.4 其他植物 已發(fā)現(xiàn)蒲公英、小白酒花和狼把草等部分雜草對Cd 及其他復(fù)合污染均顯現(xiàn)出較強的耐性和富集能力[50]，可以進(jìn)一步研究其應(yīng)用價值。

2.2 Cd 修復(fù)微生物

2.2.1 細(xì)菌 細(xì)菌是土壤環(huán)境中最大的一類微生物群體，因此，關(guān)于細(xì)菌的修復(fù)研究相對較多。據(jù)報道，具有Cd 修復(fù)能力的細(xì)菌較多，如球菌、芽孢桿菌、鏈霉菌、銅綠假單胞菌等[51]。其中，研究較多的是具有修復(fù)功能的促生細(xì)菌，如芽孢桿菌屬、沙雷氏菌屬、腸桿菌屬、假單胞桿菌屬、固氮螺菌屬、無色菌屬等[52]。

2.2.2 真菌 近些年，越來越多的真菌被用于土壤重金屬修復(fù)中[53]。由于擁有龐大的比表面積和吸附能力，真菌往往表現(xiàn)出對重金屬很強的耐性，如釀酒酵母、假絲酵母、黃曲霉、白腐真菌、食用菌、腐木真菌等[54]。

目前，在植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)中，將菌根用于土壤重金屬污染修復(fù)的研究相對較多。由于土壤中真菌菌絲與植物根系具有互利共生的作用，因此，二者形成聯(lián)合體成為菌根。在自然界中菌根分布極其廣泛，常見的菌根真菌有格氏霉菌、根內(nèi)球囊霉、蘇格蘭球囊霉、摩西管柄囊霉、幼套近明球囊霉、地球管孢囊霉、巨孢囊霉屬、盾巨孢囊霉屬、刺盤孢屬、鏈格孢屬、鐮孢霉屬等[55-58]。

2.2.3 放線菌 放線菌是目前已知的抗生素的主要來源之一。放線菌制劑活性強、便于保存，有利于實際大面積生產(chǎn)和應(yīng)用。不少研究者已發(fā)現(xiàn)，放線菌對重金屬Cd 也有較強的吸附效果，大多屬于鏈霉菌屬[59-62]，已知的有密旋鏈霉菌[38]和高加索鏈霉菌[63]等。

2.2.4 藻類及其他微生物 藻類微生物一般用于污水處理，在土壤重金屬修復(fù)方面的研究目前相對較少。藻類微生物對重金屬離子的選擇吸附性強、容量大，是一種應(yīng)用前景廣闊的新型生物吸附劑，但目前大多停留在實驗室階段。已知的具有修復(fù)重金屬功能的藻類有：小球藻、馬尾藻、墨角藻、巖衣藻、藍(lán)藻、紅藻和褐藻等[64]。

此外，還發(fā)現(xiàn)了一些其他菌株對重金屬具有吸附功能。如將趨磁細(xì)菌[65-66]應(yīng)用于重金屬污染的土壤，通過設(shè)置磁場并結(jié)合淋洗措施后發(fā)現(xiàn)，土壤中重金屬的含量可逐漸達(dá)到土壤環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)。

3 展望

在所有聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中，植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)相對破壞性小、修復(fù)高效且對環(huán)境無二次污染等優(yōu)勢，因此，其成為國內(nèi)外土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。目前這方面的研究重點更加關(guān)注污染土壤的實際修復(fù)效果，對于植物- 微生物二者之間相互作用機(jī)制的研究不夠深入。另外，構(gòu)建微生物和植物的高效修復(fù)模式是實際研究中的重點和難點，可進(jìn)行大面積推廣的聯(lián)合模式目前還比較少。因此，植物- 微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究重點和發(fā)展趨勢應(yīng)放在以下幾個方面：（1）探索微生物、植物以及土壤三者之間的相互作用機(jī)制[67]。（2）利用微生物或者植物在不同地區(qū)的定殖技術(shù)，構(gòu)建最佳植物-微生物修復(fù)體系，提高修復(fù)效率。（3）建立多種復(fù)合修復(fù)模式。植物- 微生物修復(fù)體系過程周期長，為了達(dá)到最優(yōu)的Cd 修復(fù)效果，應(yīng)該考慮結(jié)合其他物理或化學(xué)修復(fù)，形成多種聯(lián)合修復(fù)模式[68]。（4）尋找修復(fù)效果強的土著微生物菌株和植物類型，避免對當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境造成威脅。