植物根際土壤酶對重金屬污染的響應(yīng)機制研究綜述

蒲生彥，王宇，陳文英，劉世賓

1. 成都理工大學(xué)，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059 2. 成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，國家環(huán)境保護水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點實驗室，成都 610059 3. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重。2014年，由中國環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示：土壤污染點位綜合超標(biāo)率為16.1%，全部超標(biāo)點位中無機污染物點位占比高達82.8%[1]。土壤重金屬污染在我國南部省份普遍存在，西南地區(qū)重金屬背景濃度明顯高于其他省份；Cd和As作為主要的污染元素，在各省的平均濃度范圍分別為36.5～112.9 mg·kg-1和5.8～31.1 mg·kg-1[2]。約有1 000萬hm2耕地土壤被重金屬污染，每年因此造成的糧食產(chǎn)量損失約為1 200萬t[3]。重金屬污染影響范圍廣、危害大，具有隱蔽性和滯后性，因此，運用合適的表征手段來快速識別和評價土壤重金屬毒性及其生態(tài)效應(yīng)有著十分重要的意義。

土壤酶是一種高分子活性蛋白質(zhì)，能催化多種生化反應(yīng)[4]，與土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量流動密切相關(guān)[5]。酶活性作為表征土壤質(zhì)量的一項重要生化指標(biāo)，對環(huán)境脅迫的響應(yīng)極其敏感。土壤酶既能反映土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程，也能體現(xiàn)土壤微生物的多樣性及其他土壤生物特性[6-7]，目前，對土壤酶活性的研究主要聚焦于根際土壤酶?！案H”一詞最先由Hiltner提出，主要指植物根周圍受根功能強烈影響的土壤區(qū)域[8]。對于根際范圍尚沒有明確的定義，研究者普遍將其定義為植物根表面0.5～4 mm范圍內(nèi)[9-10]。作為植物-微生物-土壤相互作用的主要界面，植物根際是能量流動和物質(zhì)代謝最活躍的部位之一，其酶活性大于非根際土壤[11]。根際的酶活性反映了植物和微生物之間的相互作用，是一項監(jiān)控微生物活性、群落組成及功能變化的敏感指標(biāo)[12]。由于酶活性對環(huán)境變化的敏感性，重金屬與土壤酶活性的關(guān)系已成為近年來討論的熱點話題。特別地，研究植物根際土壤酶對重金屬污染的響應(yīng)機制對于揭示土壤及植物對重金屬的響應(yīng)機理有重要意義。

本文基于大量文獻調(diào)研，較系統(tǒng)地回顧和總結(jié)了植物根際土壤酶對重金屬污染響應(yīng)機制相關(guān)的研究進展，在此基礎(chǔ)上探討了存在的問題，并對未來研究做出展望，以期對土壤重金屬污染生態(tài)效應(yīng)研究提供一定的參考。

1 根際土壤酶活性及主要影響因素(Rhizosphere soil enzyme activity and its main influencing factors)

根際土壤酶是微生物和植物根系向根際土壤環(huán)境中釋放的蛋白質(zhì)，其活性在根際的分布呈現(xiàn)出一定梯度。根際土壤酶活性是非根際土壤的1.3倍～2倍，大多數(shù)酶的根際范圍為1～3 mm，且酶活性隨著根系距離的增加而降低[9]。根際土壤酶活性的空間分布一般采用原位酶譜法[13]或土壤切片法[14]進行研究。相比破壞性取樣，可視化技術(shù)能對土壤中的分子物質(zhì)進行原位定量分析，對土壤的擾動較小，近些年來得到了廣泛關(guān)注。根際微生物是指在根際土壤范圍內(nèi)生長繁殖的微生物，以根際細(xì)菌、根際真菌及古生菌為主[15]。植物根際中的微生物數(shù)量和活性均高于非根際土壤，這種現(xiàn)象被稱為“根際效應(yīng)”[16]。土壤中的生物種類能影響根際土壤酶的活性，此外，土壤理化性質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)也是重要的影響因素。

1.1 生物種類

植物根際土壤酶活性的差異會因植物種類的不同而不同。例如，小麥(TriticumaestivumL.)根際土壤中蛋白酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和接觸酶的活性均低于三葉草(TrifoliumrepensL.)；與其他作物相比，豆科植物根際土壤中脲酶活性更高[17]。不同的根際微生物能分泌不同種類的酶，作為根際環(huán)境中的重要組成部分，植物根系也能分泌H+、酶、氨基酸以及其他有機物質(zhì)[18]。因此，根際微生物和植物根系分泌物也是影響根際土壤酶活性的重要因素。

大量研究表明，根際土壤酶的主要來源包括：(1)微生物分泌。微生物細(xì)胞是土壤酶的主要來源之一[11]，一些酶可由根際細(xì)菌或真菌在細(xì)胞內(nèi)合成并向外分泌。土壤中90%～95%的酶由微生物直接分泌[19]。(2)植物根系分泌。根際土壤中有少部分酶來源于植物根部分泌[20]。(3)動物排泄物。經(jīng)動物排泄釋放的酶可轉(zhuǎn)入根際土壤。表1列舉了根際土壤酶的主要來源及部分酶的種類[21-29]。

1.2 土壤理化性質(zhì)

溫度、濕度和pH作為土壤重要的理化性質(zhì)，其變化也會對根際土壤酶的活性產(chǎn)生影響。土壤中pH的變化與根系分泌的H+和OH-有關(guān)。植物根系分泌H+和OH-以激發(fā)養(yǎng)分、保持根表面電化學(xué)勢平衡[18]。經(jīng)植物根系分泌的H+和OH-分布于根表2～3 mm的范圍以內(nèi)[30]，這一過程改變了植物根周圍pH值，使pH值隨距離的增加呈梯度分布。質(zhì)子化是植物根系活動的重要過程，其產(chǎn)生的氫離子-三磷酸腺苷酶(H+-ATP)可為根介質(zhì)提供滲出有機陰離子和氨基酸所需的反離子，pH值的變化影響了質(zhì)子化過程，進而對H+-ATP酶的分泌產(chǎn)生影響[31]。研究表明，土壤溫度的升高、土壤環(huán)境持續(xù)濕潤或干燥，均將改變土壤微生物的群落組成，并可能增加微生物的生物量和酶的活性[32]，低土壤濕度會明顯抑制β-葡萄糖苷酶的活性，隨著濕度增加，其酶活性也隨之上升[33]。Ge等[34]研究發(fā)現(xiàn)，酶活性對溫度的敏感性較低，高溫通常會提高酶的活性。

可見，土壤酶活性對溫度和水分較為敏感，過高或過低的溫度和濕度均會影響酶的活性。pH作為土壤重要的理化性質(zhì)之一，其變化也會對相應(yīng)酶的活性產(chǎn)生影響。

1.3 營養(yǎng)物質(zhì)

C、P、N和S是土壤中動植物生理代謝活動所需的重要營養(yǎng)元素，由于它們含量或比值的不同，也會給根際土壤酶活性帶來不同的影響。

P的含量和C/P值均會改變植物的根際范圍，進而影響根際土壤酶的活性。磷酸酶與P循環(huán)有關(guān)，Razavi等[35]利用酶譜法分析了線蟲對羽扇豆(LupinusmicranthusGuss)根際酶活性的影響，結(jié)果表明，相比正常植株，受感染植株對P的需求顯著增強，導(dǎo)致根系周圍磷酸酶的根際范圍擴大了1 mm。Wei等[36]發(fā)現(xiàn)纖維素的施加增加了酸性和堿性磷酸酶的根際影響范圍，這是因為纖維素的添加使C/P值變大，從而影響土壤有機質(zhì)磷的礦化過程。β-葡萄糖苷酶與C循環(huán)密切相關(guān)，添加C元素能提升其活性[37]。脲酶與N循環(huán)有關(guān)，研究表明，施肥增加了土壤中C、N、P和S元素的存儲能力，使脲酶的催化活性也得到增強[38]。

綜上所述，營養(yǎng)元素的缺乏或增加都是影響根際范圍的重要因素，不同營養(yǎng)元素的比值也會對根際土壤酶活性造成影響，致使酶活性發(fā)生相應(yīng)的變化。

2 植物根際土壤酶對重金屬污染響應(yīng)的研究現(xiàn)狀(Research status of plant rhizosphere soil enzyme response to heavy metal pollution)

重金屬的濃度及污染類型會影響根際土壤酶的活性，重金屬在根際土壤中的過量累積會引發(fā)環(huán)境污染問題，對植物和微生物均會產(chǎn)生巨大危害，人體健康甚至也會受到威脅。目前，重金屬污染類型主要包括：單一重金屬污染、復(fù)合重金屬污染、重金屬-有機物復(fù)合污染、納米重金屬及其氧化物污染，不同的污染類型導(dǎo)致的酶活性變化也存在差異。

2.1 單一重金屬污染

單一重金屬對受試植物或微生物理化性質(zhì)的影響是實驗研究的重點問題。不同種類的重金屬具有不同的生態(tài)毒理效應(yīng)，根際土壤酶活性對重金屬污染的響應(yīng)也會因重金屬濃度和種類的不同而發(fā)生改變。

根際土壤酶活性對重金屬濃度的響應(yīng)具有“低濃度促進，高濃度抑制”的特點。研究表明，低濃度鋅的添加能增強H+-ATP酶的水解和轉(zhuǎn)運活性[31]。楊良靜等[39]通過根袋盆栽試驗，發(fā)現(xiàn)低濃度的Cd對根際土壤中蔗糖酶和脲酶活性均有顯著促進作用，隨著其濃度的增加酶活性逐漸降低。當(dāng)Cd的施加濃度為30 mg·kg-1時，蔗糖酶的活性抑制率達到7.2%。鄧代莉等[40]通過研究外源Pb污染對紫色土中微生物酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)森林和耕地土壤中β-葡萄糖苷酶及酸性磷酸酶的活性與Pb外源添加量和有效態(tài)Pb呈顯著相關(guān)性。這說明在一定范圍內(nèi)，重金屬濃度越高，對根際土壤酶活性的抑制作用越強。

在自然界中，單個污染物質(zhì)構(gòu)成的環(huán)境污染雖時有發(fā)生，但事實上絕對意義的單一重金屬污染并不存在，因為污染多具伴生性和綜合性。因此，僅考慮一種重金屬的污染缺乏一定的現(xiàn)實性，我們需要對多種復(fù)合重金屬污染情況進行研究。

表1 根際土壤酶主要來源及酶的種類Table 1 Main sources and types of enzymes in rhizosphere soil

2.2 重金屬復(fù)合污染

多種重金屬之間的相互作用主要包括2種[41-43]：拮抗作用和協(xié)同作用。拮抗作用是指重金屬之間通過相互作用表現(xiàn)出的綜合毒性小于單種重金屬毒性之和；與單一種類的重金屬相比，多種重金屬間的協(xié)同作用表現(xiàn)出了更高的毒性。位點競爭是重金屬間產(chǎn)生拮抗作用的原因，這些位點主要包括：代謝系統(tǒng)活性部位或介質(zhì)中的吸附點，如金屬硫蛋白上的結(jié)合位點、土壤中的吸附點等；協(xié)同作用則是因為不同重金屬作用于不同的酶或蛋白，加大了對酶分子的損傷。

研究表明，Cr2O72-和Pb2+易于形成沉淀，使Cr6+和Pb2+反應(yīng)后綜合毒性減弱，這說明Cr和Pb的復(fù)合污染可能產(chǎn)生了拮抗效應(yīng)；對比單獨添加Zn對水稻(OryzasativaL.)生長的影響，Cd和Zn的協(xié)同作用對水稻的毒害更強[44-45]。Bielińska等[46]將蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)種植在受Zn、Pb和Cu等重金屬污染的土壤中，相關(guān)性基礎(chǔ)分析結(jié)果表明，土壤中Zn、Pb和Cu的含量越高，脫氫酶活性越低，且根際土壤中的脫氫酶活性高于非根際土壤。這說明，在復(fù)合重金屬的脅迫下，根際土壤酶活性失活率小于非根際土壤。賈夏等[47]通過對冬小麥幼苗根際土壤氧化還原酶活性的研究，發(fā)現(xiàn)低含量的Pb能減輕Cd對多酚氧化酶活性的影響，而加劇Cd對脫氫酶活性的抑制效應(yīng)。

除重金屬復(fù)合污染外，自然界中也常伴隨有機物污染現(xiàn)象，如鉛和芘引發(fā)的土壤污染等。討論重金屬-有機物復(fù)合污染問題，對于土壤生態(tài)毒理學(xué)研究有著重大的意義。

2.3 重金屬-有機物復(fù)合污染

研究表明，芘-鉛復(fù)合污染脅迫增加了藨草(ScirpustriqueterLinn.)根系相關(guān)氧化還原酶的分泌，這些酶與污染物的降解密切相關(guān)[50]。Gao等[51]研究發(fā)現(xiàn)，在銫和鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)復(fù)合污染的土壤中，幼苗期小麥根際土壤脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性增加，苯酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶活性被顯著抑制，且隨著DBP濃度的增加，抑制作用明顯加強。后期隨著小麥幼苗的生長，根際土壤酶活性得以恢復(fù)。

對復(fù)合污染的研究是目前環(huán)境科學(xué)發(fā)展的重要方向之一。因此，揭示植物根際的物質(zhì)循環(huán)和能量流動等過程受復(fù)合污染影響的程度對于解決生態(tài)安全問題、充分評價各類污染物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化行為均具有重大意義。

2.4 納米重金屬及其氧化物污染

隨著在工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由納米金屬及其氧化物引起的環(huán)境問題也日益增多。土壤是人工納米材料在環(huán)境中主要的匯，納米材料因其獨特的理化性質(zhì)可能會給生態(tài)環(huán)境帶來潛在影響，從而誘發(fā)人體健康風(fēng)險[52]。同種納米材料對不同土壤中酶的活性影響不同，例如，通過向玉米(ZeamaysL.)地黑土及鹽堿土中分別添加納米Fe3O4顆粒，發(fā)現(xiàn)鹽漬化土壤中過氧化氫酶的活性顯著降低，而黑土中磷酸酶的活性沒有明顯變化[53]。納米ZnO能提高植株根際鋅利用效率，同時增加相關(guān)根際土壤酶的活性。Raliya和Tarafdar等[54]將濃度為10 mg·L-1的納米ZnO溶液噴施于14日齡的豆莢(LegumeL.)植物葉片上，6周后檢測到根際酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和植酸酶活性分別增加了73.5%、48.7%和72.4%，這說明，低濃度的ZnO納米顆粒(NPs)促進了豆莢植物根際酶活性。Sillen等[55]發(fā)現(xiàn)低濃度Ag納米顆粒的添加增加了玉米的生物量，根際細(xì)菌群落也顯著增加，最終導(dǎo)致酶活性也發(fā)生了變化。

納米重金屬及其氧化物是一種新型的污染物，因其粒徑尺寸較小，為其監(jiān)測和治理工作帶來了很多困難。目前，對于納米材料影響根際土壤酶活性的研究還較少，很多方面還有待完善。

3 重金屬對根際土壤酶活性的主要影響機制(The main influence mechanism of heavy metals on enzyme activity in rhizosphere soil)

重金屬對酶活性的抑制只是一種暫時現(xiàn)象。研究表明，幼苗期經(jīng)銫污染的小麥在生育期后，土壤酶活性逐漸恢復(fù)[51]。重金屬對根際土壤酶活性的影響機制主要從酶分子、根際微生物和根系分泌物這3個方面進行研究。

重金屬對酶分子的作用機制主要包括：(1)重金屬與酶分子的疏基、胺基和羧基結(jié)合，或占據(jù)酶的活性中心，從而抑制酶的催化功能及破壞其結(jié)構(gòu)完整性。Wang等[56]發(fā)現(xiàn)長期As污染會改變土壤酶功能的穩(wěn)定性，輕度As污染土壤比重度As污染土壤具有更高的土壤酶活性。(2)重金屬離子作為酶分子的輔基，促進酶活性位點與底物間的配位結(jié)合，使酶分子及其活性位點保持一定的專性結(jié)構(gòu)，從而改變酶催化反應(yīng)的平衡性質(zhì)和酶蛋白的表面電荷，增強酶活性。研究表明，經(jīng)外生菌根菌侵染的樟子松(PinussylvestrisLinn.)在Cd的脅迫下，其根際土壤的過氧化氫酶活性隨著脅迫程度的加深呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢[57]。這可能是因為低濃度Cd的存在促進了酶的活性位點與底物間的配合，使酶蛋白的表面電荷增加，讓酶活性得以提升，高濃度的Cd則抑制了這些反應(yīng)，降低了酶活性。(3)重金屬的脅迫下，酶活性未受到影響，即兩者不存在專一性對應(yīng)關(guān)系。0.5 mg·kg-1Cd對TPRC2001-1型柱花草(StylosanthesguianensiasSW.)根際土壤脲酶活性有促進作用，而相同濃度的Cd對西卡柱花草根際土壤脲酶活性無顯著影響[58]。

根系的代謝活動或微生物的呼吸作用引發(fā)了根際環(huán)境與外界的氣體交換。根際環(huán)境中存在著大量的微生物，重金屬的脅迫可誘發(fā)微生物的氧化應(yīng)激機制，氧化應(yīng)激的發(fā)生會抑制微生物的細(xì)胞質(zhì)酶活性，進而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[59-60]。這將對根際土壤酶的活性產(chǎn)生影響。根系滲出物(如氨基酸、有機酸、粘質(zhì)物和表面活性劑等)能與重金屬相互作用，使其毒性減弱[61-62]。這是因為氨基酸通過酯基(—COO)和胺基(—NH)與金屬陽離子相結(jié)合形成了絡(luò)合物，降低了金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化能力。在極酸或極堿性條件下，根系分泌的H+和OH-也會減輕一些重金屬離子的毒性，如酸性或堿性pH條件下鐵錳缺乏癥引起的Al3+的毒性[63]。此外，重金屬的脅迫也會使酶的結(jié)構(gòu)遭到破壞。綜上，圖1為植物根際對重金屬污染的響應(yīng)機制。

圖1 植物根際環(huán)境對重金屬污染的響應(yīng)機制Fig. 1 Mechanism of plant rhizosphere environment in response to heavy metal pollution

在評價重金屬對根際土壤酶活性影響的過程中，還需考慮多種根系分泌物聯(lián)合作用的影響。特定種類的植物或微生物能在一定程度上減弱重金屬對根際土壤酶活性的毒性，針對重金屬污染程度較高的地區(qū)，可考慮采用植物修復(fù)或植物-微生物聯(lián)合修復(fù)方式。

4 結(jié)語與展望(Conclusion and prospect)

關(guān)于重金屬對土壤酶活性的影響目前已有大量研究，但重金屬對植物根際土壤酶活性影響的研究相對較少。大量研究表明，根際土壤酶活性對重金屬濃度的響應(yīng)具有“低濃度促進，高濃度抑制”的特點。重金屬-有機物復(fù)合污染是自然界中常見的污染類型，對根際土壤酶的影響隨植物的生長周期而變化。納米材料是一種新型的污染物，其對根際酶活性的影響與污染物和土壤類型密切相關(guān)。未來相關(guān)研究中應(yīng)關(guān)注以下幾個方面。

(1)進一步優(yōu)化開發(fā)可視化技術(shù)的研究。目前的原位酶譜法在靈敏度、空間和時間分辨率以及可應(yīng)用性方面具有顯著的局限性，無法做到精確定量分析。今后應(yīng)致力于根際土壤酶活性的量化研究，采用定點取樣的方式分析影響植物根系發(fā)育和根際特性的其他因素。

(2)考慮更多的現(xiàn)實因素，延長試驗周期，進行原位實驗研究。實驗室的條件無法完全模擬自然界的情況，試驗周期較短，酶活性的完全恢復(fù)周期尚未明確。今后應(yīng)研究真實環(huán)境下根際土壤酶活性對重金屬污染的響應(yīng)機制，以減少實驗?zāi)M數(shù)據(jù)帶來的偏差。

(3)將酶活性與微生物聯(lián)系起來，建立更多微生物指標(biāo)。微生物是土壤酶的主要來源，重金屬污染也會影響根際微生物的活性。應(yīng)探索土壤-植物-微生物的互作關(guān)系，找出各種酶對應(yīng)的敏感微生物，為土壤質(zhì)量評價提供更多生物指標(biāo)。

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