2014 年《全国土壤污染状况调查公报》指出,我国土壤环境状况总体不容乐观,耕地点位超标率为 19. 4% 。污染类型以无机型为主,占全部超标点位的 82. 8% ,主要无机污染物包括 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 等重金属。在全国 24 个省份( 城市) 调查的所有污染农作物种植地中,重金属污染土壤占总面积 80% ,全国遭受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2000 万 hm2 ,约占耕地总面积 1 /5。严重的土壤重金属污染对生态环境和人体健康构成巨大威胁,已经成为制约区域土地可持续开发利用和影响生态安全的关键因素。因此,对土壤重金属污染的修复治理势在必行。
较之传统物理化学方法,植物修复因治理过程原位、治理成本低、管理与操作简易以及环境美学兼容等不可替代的优势而受到重视。
植物修复包括植物提取和植物稳定过程。
植物提取主要是通过植物根系吸收可溶性重金属并将其转移、贮存到植物茎叶,然后收割茎叶以达到去除土壤重金属目的( 图 1A) 。
植物稳定主要是通过植物根系的吸收、螯合、沉淀及还原作用将高毒性形态转化为低毒形态,将重金属固定在根系和根际土中。同时植物根际分泌物能通过改变根际环境的 pH 或 Eh,使有毒重金属的形态发生改变,如在根际菌的作用下可将Cr6+还原为Cr3+,从而降低Cr的毒性(图1B)。
然而在实际应用中,植物修复技术具有修复周期长、对重金属深层污染修复困难、植株成活率低的缺点,修复过程中常利用化学修复与微生物修复技术以辅助植物修复,其中微生物修复技术中的根际微生物在植物修复中发挥重要作用。
根际微生物是指在植物根系直接影响的土壤范围内生长繁殖的微生物 ,能通过定殖 、竞争 、共生和调节土壤的营养动态等活动影响植物的生长。
根际微生物对于重金属污染土壤植物修复效率的提高具有重要的辅助作用,主要通过合成 、分泌植物促生物质增加植物生物量,同时通过功能酶、铁载体、有机酸及生物表面活性剂等物质活化土壤重金属(图1C),从而增强植物提取效果。
此外,根际微生物还能通过生物吸附和富集作用、溶解和沉淀作用、氧化还原作用改变重金属离子在土壤中的贮存形式,以缓解重金属对植物的毒害。
根际微生物在植物修复过程中的群落多样性表征
大多数根际微生物对重金属产生敏感性反应,即根际微生物接触重金属后会产生应激作用,通过分泌有机酸类物质与重金属结合,抑制重金属对植物的毒害。利用微生物群落的敏感性反应辅助植物修复重金属污染土壤,不仅克服单一功能微生物修复过程中微生物难存活与难收集的缺点,还可改善植物修复效果,具有广阔的应用前景。
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有研究证实,不同类型微生物在植物根际的功能不同,主要体现在根际细菌是通过化学反应改变重金属的价态及存在形态( 络合态、脱烷基) ,从而降低重金属毒性,根际真菌主要是辅助宿主植物获取更多的矿质营养,促进寄主植物在重金属污染土壤中的生长,增加其生物量,根际古菌虽存在于重金属污染土壤但其主要功能并不明晰。
1.根际细菌
根际细菌数量繁多,在根际分布较广,且在根际的不同部位,细菌数量和类型分布也有差异。有研究表明 ,相比于非根际区 ,根际更适宜细菌的生长。
VIK 等通过统计植物根际和根内的操作分类单位( Operational Taxonomic Units,简称 OTUs) ,发现根际细菌多样性以及根际细菌的数量和种类都显著高于根内细菌。BULGARELLI 等发现拟南芥根际中数量最多是变形菌门细菌,且以链霉菌科和丛毛单胞菌科细菌为主导; LUNDBERG 等研究显示,拟南芥根际菌以放线菌门和变形菌门为主,其中变形菌门丰度最高,主要以 α、β、γ 3 种纲的细菌为主。
在受污染土壤中,根际细菌的数量和种类最多,且以放线菌门、厚壁菌门和变形菌门为主( 表 1) 。这 3种菌门的根际细菌耐重金属性强,在重金属污染土壤中大量存在。重金属胁迫条件对根际细菌的结构与功能具有重要的影响。
EISONBATY等研究发现当细菌暴露于有毒物质或环境时,外界氧化胁迫的压力是使细胞死亡的一种常见机制。虽然该机制会减少土壤中根际细菌的数量、种类,影响根际细菌群落结构,但具有特定耐性功能的根际细菌群落仍能在重金属胁迫环境条件下存活。MARGESIN 等在 Pb /Zn 污染土壤中发现有较多的可培养的、需氧的 Pb /Zn 耐性根际细菌。SOLIS-DOMINGUEZ 等研究发现丛枝菌根真菌 ( Arbuscular Mycorrhizal Fungi,简称 AMF) 影响根际细菌群落在重金属污染土壤中的修复作用,二者在植物根系进行相互选择性作用,表明根际细菌群落会受到其它类型微生物的影响。
在重金属污染土壤中,根际细菌对重金属的抗性及解毒能力是影响植物修复的关键性因素。根际细菌与重金属接触后可发生离子交换、配位、螯合、沉淀等作用,使重金属离子在细胞表面结合。同时,根际细菌还能通过其自身的细胞代谢活动来调节变价重金属元素的氧化还原反应,使重金属的价态及存在形态( 络合态、脱烷基) 发生改变,从而降低重金属毒性。
BAI 等发现枯草芽孢杆菌 Ba-cillus Subtilis DBM 能通过生物吸附、积累方式降低Pb 的生物有效性,通过使 Pb 沉淀的作用方式缓解Pb 的毒性作用。RAJKUMAR 等发现根际细菌Pseudomonas sp. PsA4 和 Bacillus sp. Ba32 能通过催化反应将高毒性的 Cr6 + 还原成低毒性的 Cr3 + ,从而减缓 Cr 对芥菜的重金属毒性。
此外,土壤中还存在一些氧化硫杆菌、氧化亚铁杆菌等能直接或间接地通过氧化、还原、络合、吸附或溶解作用去除重金属,缓解植物根际的重金属毒性效应。
可见,根际细菌在降低重金属对植物的毒害,增强植物对重金属的转化和吸收等方面起着重要作用。
根际细菌是植物修复重金属污染土壤的重要根际微生物,它能缓解重金属对植物根际的毒害效应。根际细菌群落的多样性能有效地表征植物修复重金属污染效果。
因此研究根际细菌分类情况、群落结构特征及群落的功能,有利于筛选和利用在植物修复重金属污染过程中起重要作用的根际细菌,强化植物修复重金属污染土壤技术。
2根际真菌
根际真菌是指分布在根际周围的真菌,分为腐生真菌和菌根真菌。在重金属污染土壤修复实践中应用较多的是菌根真菌,主要包括内生菌根真菌、外生菌根真菌以及内外生菌根真菌。
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内生菌根真菌
内生菌根真菌在促进植物生长和降低农作物对重金属吸收方面起到重要的辅助作用。LIU 等筛选出 3 种来自玉米根际能吸收和富集 Cd 的内生菌根真菌,它们分泌的植物激素可将土壤中的多磷酸盐沉淀吸附于细胞壁上,并且这些沉淀物能将 Cd 螯合固定在真菌细胞内,有利于缓解 Cd对植物生长的毒害作用。另有研究表明,具有重金属耐性的内生菌根真菌可通过影响宿主羊茅属植物对 Cd、Zn、Cu 等重金属的吸收和转运 机制,缓解重金属对羊茅属植物的毒害作用,与未接种内生菌根真菌的植株相比,接种处理的植株具有较高的生物量和生长指数。
从枝菌根真菌( AMF) 在重金属污染修复,尤其是与植物联合修复方面的潜力已有较多的研究。AMF 在重金属污染土壤植物修复中的作用主要是 辅助寄主植物获得更多的矿质营养和提高寄主植物对重金属的抗性。在重金属污染土壤中,植物因缺少必需的矿质养分影响生长,而AMF 的存在能帮助宿主植物获取更多的矿质营养。肖雪毅等发现 AMF 能显著增加金鸡菊地上部和根系的 P 浓度,从而促进金鸡菊的生长并提高其生物量。AMF另可通过提高宿主植物 P 营养水平,使宿主植物根部中的重金属与磷酸根形成难溶物质,抑制重金属向地上部转运,减少植物地上部重金属含量。
此外,AMF 能够减轻重金属对寄主植物的毒性,提高寄主植物的重金属耐性。CHEN 等和 DONG等通过室内盆栽实验发现 AMF 不仅能改善植物营养元素 P 的浓度,还能降低植物地上部 Cd、Cu 和As 的浓度,减轻重金属对寄主植物的毒性。在 Cr 污 染土壤中 AMF 对车前草促生效应显著,减少车前草地上部分 Cr 的浓度,表明 AMF 对 Cr 的耐性能改变植物对重金属的积累与吸收效应。此外,AMF通过改变根际土壤微生物群落结构及其物理化学性质间接地影响重金属形态变化。在 Mn 污染土壤中,AMF 能改变根际土壤中 Mn 氧化和 Mn 还原细菌群落的组成,因而降低 Mn 的生物有效性,减缓植物受Mn 的胁迫,促进植物生长。
外生菌根真菌
外生菌根是高等植物营养根系和外生菌根真菌( Ectomycorrhizal Fungi,简称ECMF) 形成的共生体,在重金属胁迫条件下可将重金属固定于真菌细胞壁内,调节寄主植物细胞的生 理 、化学过程 ,阻止过多的重金属进 入植物根部 ,以促进寄主植物的生长,增强寄主植物对重金属的耐受性。FINLAY 等发现根际 ECMF 优势种为担子菌门或子囊菌门。
ECMF 缓解植物重金属毒害作用的机理主要是能对重金属进行吸收、转运和分布。Zn、Cu、Mn是植物和外生真菌所需的微量营养元素,通过吸收和氧化还原反应调整它们在植物根际的分布情况,促进植物对这些元素的吸收、转运,使植物生物量增加。过多的微量重金属进入植物根际时会对植物产生毒害。
LANGER 等发现在 ECMF 的植物根际, 随着 Zn 浓度的增加,植物根际中 Zn 的转运系数下降。
研究表明,较之无菌根植株,接种了美味牛肝菌( Boletusedulis) 菌根和混合菌根的植株体内 Cd以及根部 Cu 浓度均显著降低。可能的原因是土壤中的重金属破坏了无菌根植物根部的原生质膜,损伤了原生质膜的功能,导致重金属离子大量流入根部并向枝叶转移,而接种菌根可以减少对有害重金属的过量吸收,有效缓解土壤中重金属对植物的毒害,促进植物在重金属污染土壤中的生长,使植物生物量增加。
3.根际古菌
古菌作为生命的第三种形式,主要存在和生活于极端环境中 ,如热泉、盐湖等 ,因而被归为极端微生物。研究表明,重金属污染土壤中也存在一定丰度和种类的古菌,如 SANDAA 等研究发现,相比于无污染土壤,重金属污染土壤中古菌的数量减少1.3%±0.3%.一般认为古菌不会在植物根际存在,但随着研究的进展 ,科学家们在受重金属污染土壤的植物根际也发现了古菌。
例如,唐黎等通过提取重金属污染场地中棉花不同生长时期根际土中微生物的 DNA,采用 T - RFLP 分析微生物群落结构,发现了在棉花根际土中有古菌存在,且古菌的群落结构受季节变化影响。OLLIVIER 等在 Pb 和 As 污染土壤中的植物根际发现了氨氧化细菌和氨氧化古菌,且细菌和古菌的数量不相同,有机质较低的土壤中细菌数量多于古菌,有机质较丰富的土壤中古菌的数量显著高于细菌。
氨氧化过程是硝化作用的第一步,氨氧化细菌和古菌通过控制单加氧酶( amoA) 的活性来控制氨氧化成亚硝酸盐的速率。研究发现根际土中泉古菌门的古细菌含有 amoA 基因,证实氨氧化古菌能调控植物根际的氨氧化过程。
关于根际古菌在植物修复重金属污染土壤过程中的作用仍不清晰 ,根际 古菌群落结构 、群落功能 、环境影响因子和植物的关系等关键问题仍是未知的。在今后的研究中应多关注根际古菌在植物修复重金属污染过程中对根际植株生长的影响、根际古菌自身群落结构的变化以及根际古菌群落与根际其它微生物群落的关系,进一步探索根际古菌在重金属污染土壤植物修复过程中的作用。
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4.根际微生物之间相互作用
根际微生物在重金属污染土壤中相互作用的关系主要包括消极作用、积极作用( 互利共生、偏利共 生) 、中立作用( 既无利又无害)。在实际的重金属污染修复中多利用根际微生物的积极作用探讨在植物根际起修复作用的微生物群落辅助植物修复重金属污染的过程。
当前,根际菌群的研究多于内生菌群的研究,因为根际微生物产生的根系分泌物对植物修复重金属污染土壤有重要作用。
根际分泌的有机酸、铁载体、ACC 脱氨酶、生长素等与重金属结合减少重金属对植物的毒害,增加植物的抗氧化防御系统,促进植物的生长。关于根际微生物种类的研究中,单独研究根际细菌的较多,研究根际细菌与真菌结合的较少,但根际真菌在植物修复重金属污染过程中能调节重金属在根际的分布情况,促进寄主植物对重金属元素的吸收 、转运 ,减少重金属对植物的毒害 ,促进植物在重金属污染土壤中的生长,使植物生物量增加等作用。
今后研究应多关注根际细菌与真菌结合的研究,综合利用细菌与真菌互利共生的关系,增加植物根际的重金属耐性,促进根际植物的生长,辅助根际植物修复重金属污染土壤,加强对根际古菌与其它根际微生物群落关系的研究。
不同污染场地中根际微生物群落多样性差异
及其对重金属修复效果的影响
根际微生物的活性受土壤温度、营养状况、水的可利用性及其它一些能引发群落耐性的环境污染因素的影响。此外,根际微生物也会受到土壤污染类型( 单一或复合污染) 、是否添加改良剂和改良剂种类以及根际植物种类等的影响。如污染土壤的理化性质会影响根际微生物的分离和纯化,土壤污染程度及土壤特性会影响根际微生物群落结构的分布,植物的种类会影响根际微生物在根际的定殖等。
THION 等研究发现子囊菌亚门、担子菌亚门和接合菌亚门 3 种 AMF,它们在不同的植物种类、土壤 pH、含 N 量和含水量条件下物种组成和功能都各不相同,且根际土中 AMF 的多样性显著高于非根际土。这表明在植物修复重金属污染过程中根际微生物的结构与功能受多种因素的影响。
土壤污染的类型主要分为单一或者复合重金属污染以及重金属与有机物的复合污染。研究发现重金属种类和浓度会影响植物修复重金属过程中根际微生物的种类、丰富度及其群落结构。重金属种类能影响根际微生物的多样性,在不同种类重金属污染土壤中优势植物的种类不同,根际微生物的多样性及优势种也会有差异。
表 2 显示,单一重金属污染条件下,植物种类不同,根际微生物的多样性和 优势种有显著差异。
不同种类重金属污染条件下,同种植物的根际微生物的多样性和优势种不相同。几种相同重金属污染条件下,不同植物和不同重金属浓度下的根际微生物的多样性和优势种也有所差异。 不同浓度 Pb 污染条件,水稻根际微生物的多样性不相同。不同浓度 As 污染下,荆( Wattle) 和发草( Deschampsia caespitosa) 的根际微生物多样性和优势种均有所差异。
相同重金属元素的复合污染下,各重金属浓度不同,植物根际微生物多样性及优势种类也不同。在同一重金属污染的土壤中重金属 浓度的差异使得根际微生物的多样性发生改变,产生的根际微生物的优势种也不同,可见重金属浓度对土壤中根际微生物群落结构具有重要影响。
受重金属污染的土壤一般酸性高且贫瘠,常添加改良剂调节土壤 pH、改善土壤基本理化性质。
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其中有机质改良剂( 如生物炭) 可以改善微生物营养,提升微生物活性。生物炭能为植物提供更多的营养物质促进植物生长和吸引有利的细菌以刺激真菌的生长。生物炭能改变根际环境的物理化学参数,为细菌和真菌提供一个安全有利的生长环境; 添加生物炭后能改变土壤中根际微生物呼吸作用的速率,影响土壤中的碳循环,使土壤的理化性质发生改变,增加微生物的生物量,从而影响根际微生物的种类及其在根际的定殖情况。
矿物类改良剂在植物修复重金属污染土壤中对根际微生物具有重要影响。杜瑞英等研究多金属污染土壤中微生 物群落功能对麻疯树 - 化学联合修复的响应时发现,施用改良剂粉煤灰后土壤微生物指标显著高于 对照土壤,说明粉煤灰对污染土壤环境的改善具有 重要的影响。改良剂的投加能沉淀重金属或提高土壤对重金属的吸附,从而降低有效态金属含量。因而施加改良剂有利于提高土壤微生物群落功能多样 性,有利于加强植物修复重金属污染效果。
植物种类不同,根际微生物的多样性和优势种有显著差异。CLAY等研究表明,重金属土壤中根际细菌的群落结构会因为植物的种植而发生改变,同时根际细菌群落的相互作用也会影响植物的多样性与修复效果。例如,在受重金属污染的连续区域中,植物根际土中的细菌群落比非根际土中的丰富很多,且不同植物的根际细菌群落结构也有差异,其中优势植物种高羊茅根际中的耐性细菌的种类与数量最多。
研究者认为,该区域耐性细菌与高羊茅具有最强的共生关系,这种共生关系减少了 该区域的植物多样性,增强了高羊茅的优势性,使其成为该区域修复重金属的先锋植物,极大地增强了高羊茅修复重金属污染效果。根际微生物群落多样性越丰富,植物修复重金属效果越显著。
当前研究存在的问题
关于根际微生物群落多样性在植物修复重金属污染土壤中的大多数研究只考虑单一细菌或真菌的作用( 表 3) ,其它重金属的干扰会影响修复效果。然而实际污染场地多以复合污染为主,此外,细菌和真菌都是根际微生物重要组成部分,它们对植物吸收、重金属积累都具有重要影响,单一地研究细菌或真菌无法反映出整个根际微生物群落对植物修复体系的影响。
当前的研究中较少关注根际细菌与耐性植 物之间的相互选择性以及重金属污染场地的植物再生。大多数研究中只关注根际细菌或真菌的群落结 构变化,较少关注整个根际微生物群落的结构与功能。
关于根际微生物群落结构的研究争议：
主要是单一污染与复合污染在哪种条件下根际微生物群落结构更丰富。
THION 等研究发现受寄主紫花苜蓿的调控下复合污染场地中具有修复作用的真菌群落结构比较单一,真菌种类和数量都比较少。SOLIS-DOMINGUEZ 等研究受 Pb、Cr 复合污染的铅锌尾矿时发现菌根丛枝真菌与受单一重金属污染的菌根丛枝真菌相比,菌落的种类与结构更加丰富。
根际微生物群落结构变化与植物修复重金属污染的作用效果紧密相关,结构丰富度越高,修复效果越好。但在具体的修复应用中根际微生物群落结构变化与修复效果的关系如何仍有待研究。
当前的研究中较少关注根际细菌与耐性植 物之间的相互选择性以及重金属污染场地的植物再生。大多数研究中只关注根际细菌或真菌的群落结 构变化,较少关注整个根际微生物群落的结构与功能。
关于根际微生物群落结构的研究争议：
主要是单一污染与复合污染在哪种条件下根际微生物群落结构更丰富。
THION 等研究发现受寄主紫花苜蓿的调控下复合污染场地中具有修复作用的真菌群落结构比较单一,真菌种类和数量都比较少。SOLIS-DOMINGUEZ 等研究受 Pb、Cr 复合污染的铅锌尾矿时发现菌根丛枝真菌与受单一重金属污染的菌根丛枝真菌相比,菌落的种类与结构更加丰富。
根际微生物群落结构变化与植物修复重金属污染的作用效果紧密相关,结构丰富度越高,修复效果越好。但在具体的修复应用中根际微生物群落结构变化与修复效果的关系如何仍有待研究。
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原标题：根际微生物群落多样性在重金属土壤修复中的研究
