AMF介導的菌根植物抵抗重金屬Pb脅迫的研究進展

呂雨澤，蔡柏巖,2

（1黑龍江大學生命科學學院/農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心/黑龍江省寒地生態(tài)修復與資源利用重點實驗室/黑龍江省普通高校分子生物學重點實驗室，哈爾濱 150080；2河北環(huán)境工程學院/河北省農(nóng)業(yè)生態(tài)安全重點實驗室，河北秦皇島 066102）

0 引言

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益加劇。2019年土壤環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)中國的農(nóng)業(yè)耕地污染形勢嚴峻，其中64%的污染是由于重金屬造成的[1]。鎘、鉛、鋅、銅、汞、鉻、鎳、砷是引起土壤重金屬污染主要物質(zhì)，通過對2000—2019年公開發(fā)表的關(guān)于中國農(nóng)田和城市土壤重金屬現(xiàn)場監(jiān)測實驗的研究論文統(tǒng)計，中國土壤重金屬Pb 的濃度較高，除鎘元素之外，與其他重金屬相比平均地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)值較高[2]。

植物的生長離不開與其物質(zhì)與能量交換的土壤，土壤的質(zhì)量可影響作物的光合作用[3]，植物通過物質(zhì)交換可將土壤中的重金屬富集至體內(nèi)，有些種植在重金屬污染土壤的糧食作物重金屬含量超過國家衛(wèi)生標準[4]，有的甚至遠遠超過國際標準允許的濃度[5]。

工業(yè)“三廢”中廢氣的排放會加重重金屬在植物中富集的負荷，可分別從土壤和空氣中到達植物，導致大量重金屬積聚在植物組織中[6]，廢水與廢渣的排放也可對植物重金屬積累產(chǎn)生影響。國外一項研究顯示，工業(yè)廢渣污泥污水采取凈化，可以變“廢”為寶制成肥料，但隨著這類肥料不斷的施加仍會導致重金屬在植物中的積累[7]。除此之外，農(nóng)家肥也是加劇植物受重金屬脅迫的因素。在中國一些市售的肥料中，有機堆肥中Pb 單因子污染指數(shù)達到了重污染等級[8]，人們食用了Pb 污染的糧食和蔬菜后患上癌癥的風險已超過安全閾值，并且金屬濃度是癌癥風險評估的重要原因[9]。

近些年，微生物修復技術(shù)以高效、清潔、經(jīng)濟的特點不僅吸引了眾多學者們的研究目光，并且具有廣闊的發(fā)展空間。AMF 是一種能與植物建立共生關(guān)系并形成互利共生體的真菌，擁有促進植物養(yǎng)分運輸和代謝以及提高對不良環(huán)境的抗逆性等功能，進而促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10]。盡管AMF一直是科學界的研究熱點，并且在近段時間AMF 在植物逆境生理研究和治理植物重金屬Pb脅迫成果的報道日漸增多，但其關(guān)注度仍有較大的發(fā)展空間，對此本研究主要綜述Pb對植物毒性的影響、AMF提高植物抗重金屬Pb脅迫影響及機制、聯(lián)合修復的應(yīng)用探討，期望可為農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)和保障人類身體健康提供有價值的幫助。

1 Pb污染現(xiàn)狀

Pb 是一種重金屬元素，因其兼具良好的可延展、抗腐蝕以及抗輻射的性能，其在電池、機械、船舶、核能等制造業(yè)以及輕工業(yè)均有貢獻，滿足經(jīng)濟的發(fā)展需要[11]。據(jù)研究報道，截至2015年公布的世界精煉Pb生產(chǎn)量與消費量，中國已連續(xù)6年居于榜首且處于上升階段[12]。2020年全球精Pb 產(chǎn)量11.75 Mt，其中中國精Pb產(chǎn)量4.97 Mt，占比達42.3%。但其在治理方面仍不理想，從而全球生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了Pb污染問題[13]。

1.1 大氣Pb污染現(xiàn)狀

中國Pb污染始于20世紀50年代，大氣中Pb含量的激增是從80年代開始，即使含Pb汽油被禁用后，大氣中Pb 雖未上升，但仍然使大氣中Pb 污染保持在高濃度范圍[14]。研究發(fā)現(xiàn)，2004年珠穆朗瑪峰大氣Pb污染的量較2000年增加4.5 倍[15]；在國家完全禁止使用含Pb 汽油的情況下，汽車尾氣對大氣Pb 的貢獻是不可忽視的[16]；煤炭燃燒后可檢測到內(nèi)含物質(zhì)Pb 的揮發(fā)[17]，2012年的全國燃煤大氣Pb 排放量為5811.26 t，其中人口和工業(yè)聚集地區(qū)排放量較多，燃煤、汽車尾氣可增加大氣中Pb的含量[18]。

1.2 土壤Pb污染現(xiàn)狀

中國的鉛鋅礦產(chǎn)業(yè)主要集中在西南、西北和中部地區(qū)，而目前該地區(qū)的礦產(chǎn)區(qū)附近的土壤檢測到含有較高的重金屬濃度[19]。黑土是中國的珍稀資源，與其他種類土壤相比以其具有極高的肥力而有“耕地中的大熊貓”之稱，具有得天獨厚黑土優(yōu)勢的東北地區(qū)也成為中國糧食基地，近年來由于眾多因素使得黑土酸化和Pb含量提高[20-21]，因此對于黑土的Pb污染問題要引起高度警惕。隨著國家城鎮(zhèn)化的進程加快，對工業(yè)地理位置做出了新的要求而使眾多工廠遷移，根據(jù)對多地工業(yè)生產(chǎn)地活動后留下的土地進行遺留污染檢測，發(fā)現(xiàn)在華北、華南以及沿海地區(qū)多地土壤均呈現(xiàn)Pb污染[22]。

1.3 植物Pb污染現(xiàn)狀

國外的一項研究表明，秘魯阿雷基帕地區(qū)是當?shù)氐闹饕r(nóng)業(yè)生產(chǎn)地，該地之前曾受到工業(yè)廢水污染，通過檢測發(fā)現(xiàn)蔬菜中Pb含量較高，并且以健康指數(shù)（HI，為個人接觸到的某一元素的危害商之和）作為指標評估，通過評估發(fā)現(xiàn)，食用該地產(chǎn)出的蔬菜對兒童和成人的致癌風險最大的為薄荷，其次為香菜[23]。類似的研究在中國也有報道。在一些市售谷物薯類食品中檢測到Pb污染，并對暴露人群進行風險評估后應(yīng)給予高度關(guān)注[24]。此外，有研究顯示土壤中沉積的Pb導致其在冬小麥的籽粒中積累進而威脅小麥生產(chǎn)和食品安全[25]。在Pb 冶煉廠附近檢測到小麥籽粒樣品中Pb 含量升高[26]。在某電解Pb 廠附近也可檢測到玉米的各個營養(yǎng)器官均受到Pb 的污染，并且檢測到籽粒中Pb的含量超過中國食品安全的標準[27]。

2 Pb脅迫對AMF生長的影響

Pb 脅迫的條件下，AMF 的生長表現(xiàn)出不同的抗性。在廢棄的電子工廠附近進行采樣的土壤中，對Pb含量最高的兩地（電子產(chǎn)品拆卸點和尾渣傾倒點）土樣檢測AMF 真菌的多樣性分析，結(jié)果顯示兩地的AMF真菌的多樣性并未降低并且甚至促進了一些AMF 真菌的生長，AM 真菌多樣性指數(shù)與重金屬濃度并不存在顯著的相關(guān)關(guān)系[28]。在陜西省一處鉛鋅礦區(qū)內(nèi)檢測不同污染程度下AMF與植物的共生情況，發(fā)現(xiàn)輕度和中度的鉛鋅污染能促進AMF 與宿主共生關(guān)系的建立[29]。在Pb重度污染的情況下，AMF仍然表現(xiàn)出生長特性，對AMF的多樣性影響較小。采集鉛鋅礦廠附近Pb 污染程度超過國內(nèi)環(huán)境質(zhì)量標準的16.9 倍的根際土壤樣品，對54 個樣本（根部、土壤、孢子）進行AMF序列建立系統(tǒng)發(fā)育樹分析，在所有AMF 序列組中，包含Glomus、Acaulospora、Clroideoglomus、Diversispora、Pacispora、Entrophospora、Scutellospora等7 個屬。檢測植物刺槐根內(nèi)AMF的菌群多樣性，未污染地中根系中檢出15個菌種，污染地植物根部檢出14個菌種；檢測植物刺槐根際土壤AMF的菌群多樣性，未受污染場地的樣品中檢測到22 個AMF 種，在重金屬污染土壤樣品中檢測到19 個AMF 種，說明Pb 污染土壤中仍然存在著多種AMF，對Pb脅迫具有一定的適應(yīng)能力[30]。

AMF可以改變土壤中Pb元素的存在形式。有研究表明，與未接種AMF 的土壤相比，接種處理的土壤中以氧化物結(jié)合形式的Pb顯著降低，以有機結(jié)合形式的Pb 含量增加[31]。桉樹根部所含Pb 的化學形態(tài)隨著Pb脅迫的程度加重向活性較高的形態(tài)轉(zhuǎn)變，而在接種AMF 后植物根部的Pb 則轉(zhuǎn)化為遷移能力較弱的形式，說明桉樹菌根可抑制Pb在植物體內(nèi)的運輸以及可利用性來提高桉樹的耐Pb能力[32]。

3 Pb脅迫對植物生長的影響

3.1 降低植物生物量

Pb脅迫可使植物生物量顯著減少。有研究報道，柳樹在不同的Pb 濃度下，處理28 d 后，觀察到植株的株高和根長均受到影響而使其長度縮短[33]。2 個品種的水稻（‘桂香占’和‘農(nóng)香18’）在不同含Pb量土壤中生長，Pb 脅迫下的水稻分蘗量、千粒重、產(chǎn)量均降低，不同組織中Pb含量分布濃度高低次序為：根＞枝條＞葉＞穗＞谷物[34]。采集中國浙江一處廢棄鉛銅礦廠附近的土壤以及成熟的艾草及其種子，以同省內(nèi)無污染的土壤作為對照組，艾草下胚軸長度均受到Pb脅迫而被抑制，在Pb 處理時間越長，植株出現(xiàn)葉片萎蔫和根尖腐爛的程度越重，葉片下表皮也呈現(xiàn)深紫色，植株的株高、根長、根尖數(shù)量、葉片、莖干重均顯著降低[35]。隨著土壤中Pb 濃度從500 mg/kg 增加到2500 mg/kg，生菜鮮重從每盆24.3 g顯著下降至2.83 g，此外研究還顯示由于高濃度的Pb污染導致Pb在胚根中積累而使種子死亡[36]。綜上表明，Pb污染可在植物中積累并且在直接接觸污染源的根部吸收并通過導管運輸至地上，其分布規(guī)律一般為靠近污染源的部位Pb的積累較多，遠離污染源的器官組織積累量少，Pb脅迫對多種植物的生長具有抑制作用，并導致作物減產(chǎn)。

3.2 破壞植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)

植物受到重金屬脅迫使得抗氧化系統(tǒng)受損而導致活性氧分子在植物體內(nèi)累積導致過氧化反應(yīng)[37-38]。有研究表明，在Pb 脅迫下，隨著Pb 的濃度增加，桑樹葉片中的超氧負離子自由基、H2O2以及丙二醛含量增加[39]。在小白菜受Pb 脅迫的生理指標研究中也有相同的反應(yīng)，即小白菜根與葉活性氧自由基和丙二醛含量均增加[40]。若植物體內(nèi)自由基累積過多則會導致蛋白質(zhì)、核酸、多糖和膜脂分子過氧化，破壞植物體中的氧化還原平衡，從而造成細胞膜損傷，由此推斷可能是Pb脅迫下植物體內(nèi)過氧化而導致細胞膜被破壞，造成植物體內(nèi)損傷，影響植物正常氧化代謝能力。

3.3 抑制植物光合作用

研究發(fā)現(xiàn)，在不同處理的Pb濃度土壤中生長的水蔥，其光合速率、氣孔導度和蒸騰速率隨著Pb 濃度的增加而降低，當Pb濃度大于400 mg/L時葉綠素a和葉綠素b 的含量下降，以及葉綠素a/b 的比值增大，說明葉綠素b 對Pb 濃度更為敏感，而葉綠素b 是捕獲光能的主要物質(zhì)[41]，葉綠素b 對耐陰植物維持光合作用具有重要意義[42]。類似的反應(yīng)在絹毛委陵菜也有體現(xiàn)，在土壤Pb 濃度提高的情況下，除了光合速率、氣孔導度和蒸騰速率下降之外，對光系統(tǒng)II 的最大光化學效率也降低[43]。一項研究發(fā)現(xiàn)，苦草在不同濃度處理下含Pb 的培養(yǎng)基中生長，結(jié)果顯示隨著Pb 濃度的增加會降低總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的含量，限制了光合色素的產(chǎn)生，不利于植物捕獲和利用光能[44]。綜上結(jié)果得出Pb污染下使得植物的光合作用能力下降，這將會影響植物獲取能量和養(yǎng)分的能力從而限制其正常生長。

4 AMF對Pb脅迫植物生長的影響

4.1 促進植物生長發(fā)育

在Pb 污染的土壤中接種AMF，宿主植物都表現(xiàn)出明顯的促進植物生長。比如蓖麻在Pb 脅迫下接種AMF 后成活率以及種子重量、種子油含量、脂肪酸組成和葉片總酚類化合物含量均顯著提高[45]。以豆科植物牧豆樹作為宿主，在Pb 污染脅迫下接種AMF 產(chǎn)量顯著增加了44%～76%，接種AMF 后的植物在重金屬Pb 脅迫下能夠正常生長，這可能是AMF 可以與植物建立共生關(guān)系，相互促進生長，從而有效彌補Pb 脅迫下限制植物獲取能量和營養(yǎng)。

4.2 提高植物光合作用

在鉛鋅礦工廠附近采集的廢棄農(nóng)田土壤中，通過比對不同品種玉米接種AMF 后的反應(yīng)，以光合速率、細胞間CO2濃度、氣孔導度和蒸騰速率測定植物的光合作用，與未接種AMF 的對照組相比，有40%接種AMF后的品種光合作用提高，其中的一個自交系品種(B73)光合速率是未接種AMF 對照組的4 倍，由此得出接種AMF可提高植物在對抗Pb脅迫的環(huán)境下的光合作用[46]。此外，葉綠素含量也是反映植物光合作用的指標之一，植物白茅在Pb脅迫下總?cè)~綠素含量顯著降低，接種AMF后植物總?cè)~綠素含量顯著提高[47]。

4.3 平衡植物體活性氧分子

測定植物過氧化的指標有NADPH氧化酶活性以及丙二醛(MDA)的濃度，NADPH 氧化酶可誘導電子傳遞，可將自身電子傳到O2形成超氧負離子而具有氧化性，是活性氧分子的主要來源之一[48]。而過多的丙二醛將導致植物脂質(zhì)過氧化。測定活性氧分子的常用指標有超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(PX)、谷胱甘肽還原酶(GR)等抗氧化酶以及低分子量抗氧化化合物，如抗壞血酸(ASA)和谷胱甘肽(GSH)。研究發(fā)現(xiàn)，與非Pb 脅迫相比，Pb 脅迫處理增加了植物蒺藜中超氧負離子以及MDA 含量。在1000 mg/kg Pb 脅迫處理下，通過AMF 接種，SOD、CAT、PX、GR 活性分別增加了104%、12%、22%、30%[49]。由此說明接種AMF 降低了植物體內(nèi)超氧負離子以及MDA 含量，植物在Pb 脅迫下平衡活性氧分子而生長，AMF 的接種起到了重要作用，這可能是接種AMF可以提高植物體內(nèi)抗氧化酶的含量，從而抵消Pb脅迫下加劇植物的氧化程度的結(jié)果。

4.4 轉(zhuǎn)運并降低植物體內(nèi)Pb的積累量

通過生物富集系數(shù)(BCF)和易位系數(shù)(TLF)這2個指標可測量植物吸收、積累和轉(zhuǎn)運重金屬的能力。研究表明，在未接種AMF的大豆中Pb含量最高且Pb的生物富集系數(shù)大于1，而在不同濃度的重金屬Pb 處理下接種AMF可降低對大豆植株P(guān)b的生物富集系數(shù)和Pb 的易位系數(shù)[50]。也有研究證明植物根中Pb 含量隨著土壤中Pb 含量升高而上升，在接種AMF 后發(fā)現(xiàn)提高Pb濃度水平后植物根內(nèi)Pb濃度不再上升并保持恒定，表明在接種AMF 后可降低植物體內(nèi)Pb 的含量[51-52]。在Pb 脅迫下，與未接種AMF 的處理相比，AMF 的接種使根細胞壁Pb 含量/根系Pb 含量比例提高了，并增加了果膠部分的多糖和糖醛酸含量，以及提高了細胞質(zhì)和細胞壁中的過氧化物酶活性[53]。這可能是由于果膠和糖醛酸具有固定重金屬的作用，并且細胞質(zhì)和細胞壁中的過氧化物酶可以使植物的細胞壁硬化進而避免Pb進入植物根系內(nèi)環(huán)境中，保護植物組織免受Pb脅迫的影響。由此證明接種AMF的植物可以將地上部分積累在植物的Pb通過導管轉(zhuǎn)運至根中，并且在Pb 脅迫加劇的情況下AMF 可降低植物根中Pb的含量而保護植物的正常生長，表明AMF的接種可以降低植物內(nèi)環(huán)境的Pb濃度。

5 AMF聯(lián)合修復Pb污染土壤的應(yīng)用

5.1 AMF和木質(zhì)素衍生生物炭聯(lián)合修復

木質(zhì)素(LN)是一種天然高分子植物纖維，其網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)以及豐富的可結(jié)合重金屬的羥基和羧基官能團，以吸附的方式治理重金屬污染，并且結(jié)合其自身易獲取、來源廣、低成本的優(yōu)勢使其成為研究吸附重金屬材料的熱點[54]。生物炭是一種有利于提高土壤質(zhì)量的木炭，有別于燃燒后釋放溫室氣體傳統(tǒng)燃料，有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭不僅促進AMF 的定殖和植物生長，還可以降低土壤以及植物枝條的Pb 含量[55]。木質(zhì)素衍生生物炭(LBC)則是以木質(zhì)素為原料并進行特殊改良的材料。有學者利用未處理過的經(jīng)Pb 酸電池污水污染的土壤種植大麥并且以AMF、木質(zhì)素和木質(zhì)素衍生生物炭為自變量做了多個處理（單獨施用AMF接種物、LN和LBC 以及AMF 接種物與LN 和LBC），結(jié)果發(fā)現(xiàn)與其他處理相比，LBC+AMF 組合處理后植物的枝條、根、谷粒中Pb 的含量大大降低，根侵染率、總球囊霉素、相關(guān)土壤蛋白含量、微生物量碳提高。由于AMF與植物根產(chǎn)生侵染作用，具有抑制植物吸收利用Pb離子的作用，同時木質(zhì)素衍生生物炭以其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有大量可吸附的面積以及吸附重金屬的官能團可將土壤中Pb 吸附從而減低植物生長環(huán)境的Pb 含量，兩種結(jié)合使用可以促進植物抵御外界Pb 脅迫對其造成的不利影響[56]。

5.2 AMF和干橄欖渣的聯(lián)合修復

盡管有不少種類的AMF仍可生存于受Pb污染嚴重的地區(qū)，并且可促進植物抗重金屬Pb 脅迫，但是一般而言，AMF 的多樣性以及數(shù)量會隨著Pb 濃度的增加而減少，這將大大降低AMF 對植物抗重金屬Pb 的效能。橄欖鮮果可用于獲取食用油脂，其被加工后所剩的橄欖殘渣經(jīng)腐生真菌加工修飾成為可改良土壤理化性質(zhì)的土壤改良劑[57-58]，有研究表明，經(jīng)真菌轉(zhuǎn)化的干橄欖渣可提高土壤中真菌多樣性以及增大真菌群落規(guī)模[59]，在干橄欖渣與接種AMF 的處理時，在小麥的芽和谷粒中均未檢測到Pb，且對地上部分的生物量沒有影響，在小麥根部中發(fā)現(xiàn)Pb的積累，因而AMF減少了Pb向植物上部可食部分的轉(zhuǎn)運，同時干橄欖渣導致植物增強了根外菌絲量[60]，由此表明，這可能是干橄欖渣在Pb 脅迫下通過促進植物對磷的吸收以及提高AMF 與植物建立更穩(wěn)定的共生關(guān)系而維持植物的保護機制。

5.3 AMF和蚯蚓的聯(lián)合修復

目前，已有相關(guān)研究報道關(guān)于AMF與蚯蚓的聯(lián)合使用在抵抗重金屬脅迫方面的研究，AMF與蚯蚓的聯(lián)合使用可以促進玉米吸收養(yǎng)分進而促進其生長[61]。有研究發(fā)現(xiàn)在Pb 污染土壤中以豆科植物銀合歡為宿主植物，蚯蚓和AMF 的處理可將土壤中Pb 的金屬流動性減少了14%～25%，同時降低了根系中Pb的濃度，但對葉和莖的Pb濃度影響甚微，而探究僅在蚯蚓的單因素作用下對植物體內(nèi)Pb 含量沒有影響，而與AMF 結(jié)合時可以促進植物應(yīng)對環(huán)境Pb 脅迫。該共同作用使Pb在植物體內(nèi)運輸受到制約，并且有利于使植株產(chǎn)量增加大于30%，促進植物對N、P和K的吸收，進而有助植物生長[62]。

6 總結(jié)與展望

綜上所述，植物在Pb 脅迫下接種AMF 可以增加根部的滲透壓減少對Pb 的吸收，降低植物內(nèi)Pb 的含量，并且可以將植物體內(nèi)的Pb排出體外而增加植物在Pb脅迫下的適應(yīng)能力，進一步證明了AMF具有抵抗Pb脅迫的作用，使得人們對于這一發(fā)現(xiàn)有了進一步的肯定。但是對于AMF提高植物抗Pb脅迫在分子機制層面和AMF自身在抵御Pb脅迫的機理的研究較少，以及菌根真菌提高植物抗Pb脅迫方面因不同植物而相互作用不同，同時具體情況還應(yīng)該考慮各地土壤理化性質(zhì)以及每個地點特有的其他條件（植被、原生微生物群落等），在這些方面的研究仍具有較大的拓展空間。