豆科植物修復土壤重金屬污染研究進展

黑澤文，向慧敏,2,3，章家恩,2,3,*，梁開明

1.華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院生態(tài)學系,廣州 510642

2.農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,廣州 510642

3.廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,廣州 510642

4.廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所,廣州 510640

0 前言

當前,隨著工業(yè)化和城市化進程的加劇,大量含有重金屬的廢棄物通過各種途徑進入到土壤中,對環(huán)境造成了嚴重的破壞。目前,對修復土壤重金屬污染的方法主要有物理修復、化學修復和生物修復[1],但物理修復和化學修復會對土壤的生物多樣性造成損害并帶來環(huán)境污染,而生物修復方法是一種環(huán)境友好型的修復方式。其中生物修復中的植物修復因其成本低且具有原位修復的特點而成為一種被廣泛應用的修復方式[2]。

豆科植物(Leguminosaesp.)為雙子葉植物,喬木、灌木、亞灌木或草本,直立或攀援,常有能固氮的根瘤,約有650 屬,18000 種,廣布于全世界。豆科植物在中國有172 屬,1485 種,13 亞種,153 變種,16 變型,各省區(qū)均有分布。根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染是一類植物-微生物相結(jié)合的良好修復方式[3]。一方面與豆科植物共生的根瘤菌可以固定并改變土壤中重金屬的形態(tài),降低土壤重金屬污染;另一方面根瘤菌具有固氮作用,可恢復土壤養(yǎng)分。因此,采用根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染,可以達到既修復土壤重金屬污染又恢復土壤肥力的效果。近年來,利用根瘤菌-豆科植物聯(lián)合修復土壤重金屬污染已成為重要的研究熱點問題之一[4-6]。本文綜述了中國具有土壤重金屬污染修復潛力的豆科植物、根瘤菌-豆科植物聯(lián)合修復土壤重金屬污染的機理以及根瘤菌-豆科植物聯(lián)合修復土壤重金屬污染的研究進展,以期為今后利用根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染的研究和實踐提供一些參考。

1 中國具有潛力修復土壤重金屬污染的豆科植物

土壤重金屬對豆科植物的危害表現(xiàn)在多個方面。首先,重金屬對豆科植物的結(jié)瘤產(chǎn)生影響[7],重金屬抑制豆科植物根毛卷曲,從而導致根毛萎縮,根毛總數(shù)下降,使根壞死,根尖腫脹,最后導致豆科植物結(jié)瘤數(shù)目下降[8]。其次,在重金屬污染環(huán)境條件下,豆科植物的固氮能力也會受到影響,如菜豆在含重金屬(Ni、Pb、Cd 和Al)的粉煤灰脅迫條件下,根瘤細胞氧化還原壓力升高,豆血紅蛋白分解,固氮酶活性降低,進而影響植物的固氮能力[7],最終導致植物體內(nèi)的氮含量下降,從而影響菜豆的生長[9]。其次,重金屬污染會影響豆科植物根系對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收,重金屬通過抑制豆科植物根系的伸長,從而對豆科植物對水分和養(yǎng)分的吸收、運輸和利用產(chǎn)生限制[10-11]。最后,重金屬污染會對豆科植物的光合作用產(chǎn)生影響,重金屬經(jīng)豆科植物吸收運輸至葉片時,阻礙了葉綠素的合成,從而降低豆科植物的光合作用[12]。

通常豆科植物在受重金屬污染的土壤中難以生長,但由于其根瘤菌的存在,可緩解重金屬對其自身的危害。根瘤菌不僅可為豆科植物提供氮素,而且還可通過合成鐵載體和植物激素、溶解無機磷、降低乙烯水平與抑制植物病害等多種方式來促進豆科植物的生長[13]。利用豆科植物修復土壤重金屬污染,不僅要考慮豆科植物對重金屬的耐受性,而且應考慮被污染土壤所處的地理環(huán)境因素是否適合豆科植物生長。以下列舉了中國具有土壤重金屬污染修復潛力的一些豆科植物(表1)。從表1可以看出,目前我國具有土壤重金屬污染修復潛力的豆科植物約有25 種,主要分布在陜西、江西、安徽和湖南,這些豆科植物對Pb、Zn、Cu、Fe 等重金屬具有較高的耐性。

2 豆科植物-根瘤菌共生體系修復土壤重金屬污染的研究進展

2.1 根瘤菌對土壤重金屬污染修復的作用機制

(1)根瘤菌對重金屬的抗性及相關(guān)機制。根瘤菌對重金屬污染具有一定的抗性,其機理主要表現(xiàn)在以下幾個方面。首先,根瘤菌的外層屏障直接阻礙重金屬離子的進入,外層屏障中含有胞外多糖、脂多糖、莢膜多糖、糖蛋白等附屬結(jié)合物,這些物質(zhì)可以和重金屬絡合,從而降低進入細胞內(nèi)的重金屬含量[31]。其次,若重金屬進入細胞內(nèi)時,根瘤細胞可以使重金屬與細胞溶質(zhì)螯合、液泡分隔重金屬以及胞蛋白與重金屬絡合,減少重金屬對細胞的毒害作用[32]。再者,根瘤菌含有抗重金屬基因,通過這些基因的表達可將重金屬排除至細胞以外[18]。有研究表明,S.Mesorhizobium amorphaeCCNWGS0123 的基因組上存在cusAB 和copA 兩個抗Cu 基因,當基因表達后,copA 將細胞質(zhì)中的Cu 轉(zhuǎn)運到細胞的壁膜間隙中,然后通過cusAB 將細胞壁膜間隙中的Cu排出細胞[34];Mesorhizobium metaliduransSTM 2683T和Mesorhizobium sp.strainSTM 4661 中含有一些參與Zn 和Cd 外排的基因,可將 Zn 和Cd 排出細胞[35];S.meliloti Alfl2 菌株存在與抗As 有關(guān)的基因arsB,細胞可以通過膜通道蛋白將As 大量排出細胞并將As 富集在細胞壁上[36]。

(2)根瘤菌對土壤重金屬的解毒作用。其機理主要表現(xiàn)在三個方面:①根瘤菌可以與土壤中重金屬結(jié)合,固定土壤中的重金屬[31];②根瘤菌在土壤中可分泌有機酸、氨基酸等物質(zhì),改變重金屬在土壤中的形態(tài),使重金屬轉(zhuǎn)換為低毒性的形態(tài),如有些根瘤菌可分泌還原性物質(zhì)谷胱甘肽,減輕了重金屬Cd 對自身細胞的毒害[37];③根瘤菌可以改變重金屬在土壤固相組分中的分布,通過改變土壤固相組分中的重金屬向土壤溶液中釋放的數(shù)量,進而降低重金屬在土壤中的活性,起到對土壤重金屬污染的解毒作用[38]。

表1 中國具有土壤重金屬污染修復潛力的豆科植物 Figure1 Leguminous plants with potential for remediation of heavy metals polluted soil in China

2.2 豆科植物對土壤重金屬污染修復的作用機制

豆科植物修復土壤重金屬污染,主要分為根系固定和植物提取兩個方面。

(1)根系固定。大多數(shù)豆科植物都可以將重金屬固定在根系細胞內(nèi),使重金屬與植物細胞內(nèi)的谷胱甘肽、金屬硫蛋白、有機酸、組氨酸、煙堿酸等分子螯合并儲存在根系液泡中,遠離植株地上部的生理反應,減少對植株的毒害[39-41]。豆科植物將重金屬固定在根系中,防止重金屬在土壤中移動,屬于植物固定的修復方法[13],如大豆在Al 脅迫的條件下,分泌檸檬酸、氨基酸、異黃酮、總酚酸和無機離子等物質(zhì),緩解Al 對大豆的毒害效應,使鋁離子以Al-蘋果酸和Al-檸檬酸復合物的形態(tài)存在,減輕重金屬對土壤的污染[32]。

(2)豆科植物地上部對重金屬提取。當重金屬被根系固定后,其中一部分重金屬被植物轉(zhuǎn)運至地上部,通過收獲豆科植物地上部將重金屬轉(zhuǎn)移出土壤。例如,對于可對Cd 和As 污染土壤進行修復的豆科植物羽扇豆而言,只有在Zn 污染的酸性土壤中,羽扇豆積累的重金屬才會超過食草動物的閾值上限,否則不會對食物鏈產(chǎn)生威脅[13]。因此,豆科植物吸收重金屬并轉(zhuǎn)移到莖是一種良好的修復方式。但若重金屬被固定提取到豆科植物的根系,則不能達到將重金屬移出土壤的目的[42],這是因為根系回收困難,并且加大了投入的人工成本。

2.3 根瘤菌-豆科植物共生體系聯(lián)合修復土壤重金屬污染的研究進展

根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染屬于微生物-植物共同修復土壤污染的一種優(yōu)良方式。該方式已得到廣泛的研究,目前國內(nèi)外關(guān)于此方面的研究與應用主要集中在以下三個方面:

(1)研究利用根瘤菌-木本豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染。由于木本豆科植物生物量大,能提取更多的土壤重金屬,樊妙春[13]采用刺槐對鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染進行修復,發(fā)現(xiàn)了刺槐體內(nèi)存在對3 種重金屬(Cu2+、Zn2+和Cd2+)具有抗性的根瘤菌,對修復土壤重金屬污染起到了良好的效果。張志權(quán)[16]對在鉛尾礦上定居的木本豆科植物銀合歡研究后發(fā)現(xiàn),80%重金屬Pb 累積在銀合歡的根和莖中,利用木本豆科植物銀合歡可較好地修復土壤重金屬污染。曾晨園[15]利用國槐、紅花合歡和山合歡三種木本豆科植物對銅尾礦礦砂進行修復后發(fā)現(xiàn),三種植物均對Cu 有較高的耐性和吸收能力。

(2)研究利用根瘤菌-生物量大的豆科植物修復土壤重金屬污染。朱賽勇[43]采用苜蓿、大豆、豌豆3 種豆科植物和玉米進行混播對受重金屬污染的農(nóng)田土壤進行修復時發(fā)現(xiàn),采用玉米大豆混播不僅達到了飼料安全的標準,保證了經(jīng)濟效益,而且提高了植物對Cu、Zn 的提取效率。李華娟[44]采用草木犀、紫花苜蓿、白花三葉草三種豆科植物對煤礦廢棄地重金屬污染區(qū)進行修復,不僅降低了土壤的污染強度,而且提高了土壤的肥力指數(shù)。李娟霞[21]利用紫云英對銅尾礦礦砂進行修復的過程中發(fā)現(xiàn),紫云英可利用其快速生長的特性進行銅尾礦環(huán)境的恢復。

(3)研究豆科植物接種重金屬的高抗菌修復土壤重金屬污染。對豆科植物接種抗重金屬根瘤菌和叢枝菌根,來增強豆科植物對重金屬的抗性,從而緩解重金屬對豆科植物的危害。Wani 等[9]對綠豆接種根瘤菌Bradyrhizobiumsp.(vigna)strain RM8 后,發(fā)現(xiàn)可以保護綠豆免受重金屬Ni 和Zn 的危害,而且減少了綠豆體內(nèi)重金屬的含量。Ones 等[45]對白羽扇豆接種抗 Hg 根瘤菌Bradyrhizobium canariense(L-7AH)后,發(fā)現(xiàn)白羽扇豆可以耐受更高濃度的Hg危害,而且其根與根瘤中也積累了更高濃度的Hg。Guo[46]對大豆接種抗 Cd 根瘤菌Bradyrhizobium sp.YL-6,提升了豆科植物的光合作用,降低了大豆體內(nèi)Cd 的含量,阻止了重金屬向食物鏈中的傳遞。盧明媚[47]對天藍苜蓿接種對多種重金屬具有抗性的苜蓿中華根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)CCNWSX 0020,促進了天藍苜蓿對Cu 和Zn 的吸收。當前,分離對重金屬具有抗性的根瘤菌已成為當下的研究熱點并已取得了一定成果,現(xiàn)已分離出多株對重金屬具有抗性的根瘤菌[9,48]。

此外,對豆科植物接種叢枝菌根也可以增強豆科植物對重金屬的抗性。陳秀華等[49]在對Cu 污染條件下的豆科植物紫云英接種叢枝菌根,發(fā)現(xiàn)叢枝菌根促進了紫云英對土壤養(yǎng)分的吸收,提高了紫云英對Cu 的抗性。郭偉[50]對尾礦上的大豆接種叢枝菌根,發(fā)現(xiàn)叢枝菌根和大豆形成了良好的互利互惠關(guān)系,促進了大豆的生長,并降低了大豆體內(nèi)重金屬的濃度。劉逸竹[51]對紫云英接種叢枝菌根后,促進了紫云英的生長以及增加了紫云英對As 的抗性。

3 豆科-禾本科間作以及豆科與非豆科植物復合種植對修復土壤重金屬污染的影響

豆科-禾本科間作是我國農(nóng)業(yè)中應用非常廣泛的種植方式之一,在間作體系中,不僅充分利用了環(huán)境中的光照、水分等氣候資源,同時也促進了禾本科和豆科植物的生長,同時將此種體系應用于重金屬污染土壤的修復中,也可以起到修復土壤重金屬污染的效果[52]。例如在豌豆和大麥間作的實踐中,相比于單作,大麥根系分泌物質(zhì)促進豌豆對重金屬的吸收,使豌豆在間作中地上部分吸收的重金屬更多[53]。在羽扇豆、鷹嘴豆和玉米間作的實踐中,間作方式的不同,玉米地下部對重金屬鉛的吸收也不同[54]。此外,苜蓿與黑麥草的間作也有效提高了兩種植物對Pb、Cd、Zn 的吸收[52]。由此可見,禾本科-豆科植物間作對重金屬的修復是一種“邊生產(chǎn)邊修復”新型的方法。

利用豆科與非豆科植物復合種植對土壤重金屬污染進行修復,不僅恢復了土壤養(yǎng)分,提高了生物多樣性,而且促進了生態(tài)系統(tǒng)的平衡和發(fā)展[55]。曾晨園[15]采用黃山欒樹與刺槐、國槐和山合歡三種木本豆科植物復合種植對銅尾礦礦砂進行修復后發(fā)現(xiàn),復合種植相比于單一種植提高了植物對重金屬的抗性以及對重金屬的富集。周少燕[24]采用黃菖蒲與紫花豌豆、紫紅豇豆和紫扁豆三種豆科植物復合種植后發(fā)現(xiàn),黃菖蒲和紫花豌豆復合種植對銅尾礦礦砂修復能力最強。韓煜等[55]在利用7種不同植被修復模式對銅礦排土場進行修復的過程中,基于物種多樣性、土壤養(yǎng)分和重金屬含量綜合評價后得出采用刺槐-田菁-苘麻-狗牙根修復效果最好,四種植物中刺槐和田菁均為豆科植物。因此,采用豆科和非豆科復合種植模式對土壤重金屬污染進行修復可以達到良好的修復效果。

4 根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染的前景及展望

利用根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染,不僅利用了根瘤菌對重金屬的抗性和解毒特性,也利用了豆科植物對土壤中重金屬固定、提取的特點,是一種生態(tài)修復方式。自然界中存在很多豆科植物,重金屬污染可以對很多豆科植物產(chǎn)生危害,但仍有一部分豆科植物對重金屬具有抗性,甚至可以吸收重金屬轉(zhuǎn)移至地上部,進而對土壤重金屬污染進行修復,因此利用根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染具有一定的應用前景。在我國,已發(fā)現(xiàn)了很多可以對土壤重金屬污染進行修復的豆科植物。但目前能夠有效富集土壤重金屬的豆科植物大多為木本豆科植物。

因此,今后需加強以下幾個方面的研究:(1)進一步篩選修復土壤重金屬污染的超富集豆科植物;(2)進一步探尋能對土壤重金屬污染進行高效修復的根瘤菌-豆科植物共生體系;(3)從分子水平上研究根瘤菌-豆科植物共生體系對土壤重金屬污染修復的分子機制。同時,深入研究根瘤菌-豆科植物共生體系對重金屬污染下土壤特性及微生物群落變化的影響,為根瘤菌-豆科植物共生體系修復土壤重金屬污染技術(shù)應用提供相關(guān)科學依據(jù);(4)開發(fā)研究新的豆科-禾本科間作體系以及豆科-非豆科植物復合種植體系,以提高對土壤重金屬污染的修復效果。