植物—根際微生物協同修復有機物污染土壤的研究進展

王夢姣+楊國鵬+喬帥

摘要：人工合成的有機化學物質具有化學性質穩定、難以降解、使用范圍廣、具有一定毒副作用及潛在的致畸致癌性，給人類生產生活相關的土壤環境造成嚴重影響。目前各個國家都已經采取各種措施，從污染治理等方面進行土壤修復，以減緩對環境的傷害，但是這些修復效果均不明顯，且成本較高，還可能造成對環境的二次污染。植物修復技術和微生物修復技術是目前土壤污染治理較廉價和有效的手段之一，但這兩者的修復過程都存在一些限制因素。本文論述利用土壤-植物-根際微生物的共存關系進行有機物污染土壤修復的2種方式及其原理，并介紹影響聯合修復技術的幾個因素，討論今后植物-微生物聯合修復技術的研究重點，以期在今后的研究及實際運用中，利用植物-微生物聯合修復技術分別發揮植物、微生物修復的優點，達到聯合徹底修復土壤、凈化土壤的目的。

關鍵詞：有機污染物；生物修復；協同修復；植物；根際微生物；互作

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）01-0005-04

人們長時間、廣泛的使用各種合成有機化學物質，造成了嚴重的環境問題：大量使用的農藥大多數是有機化合物，這些有機化合物嚴重威脅著農田和水體的安全，已經禁止使用多年的有機氯殺蟲劑還能夠在土壤中檢測出來[1]。石油產品多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡稱PAHs）來源于缺氧燃燒、垃圾焚燒和填埋、直接的交通排放，同時伴隨輪胎磨損、路面磨損產生的瀝青顆粒以及道路揚塵，大量的人類操作破壞了它們在環境中的生物降解、光解等動態降解平衡狀態，最終經過降水等過程殘留于農田土壤中，這其中的大部分有機污染物在土壤中性質穩定、難以降解，由于其潛在的致癌性，嚴重危害農產品安全和人類健康，嚴重污染了環境[2-3]。初步統計，當前世界范圍內大約有170萬t多氯聯苯（polychlorinated biphenyls，簡稱PCBs）無法降解，直接污染土壤環境[4]。目前，很多國家已經從制定嚴格的使用規范、采取各種措施進行污染治理等方面進行土壤修復，以期減緩污染物對環境的傷害，但是這些修復效果都不明顯且成本較高，有的修復技術還可能造成對環境的二次污染。由此可見，有機物污染土壤已成為國內外土壤與環境學界的重點關注對象之一[5]。

隨著技術手段的不斷提高，人們發現，植物修復技術、微生物修復技術都能夠在一定程度上清除環境中有機污染物，且修復成本較低、修復徹底。但是這2種修復技術都在去除或者降解有機污染物時存在一定的缺陷：植物修復容易受到植物生長速度的限制，修復時間較長，植物生長還會受到土壤類型、環境溫度等條件影響，修復效率比較低，大約為10%～20%[6]；微生物修復污染的主要方式是將污染物分解成自身及植物可以利用的小分子物質來加以利用，但單獨用微生物進行修復時，單一菌種的修復效果不顯著，復合菌落修復又要考慮到菌落共生問題，此外，微生物對環境條件有較強的選擇性，如果加入外源微生物進入待修復土壤中，還可能導致外源微生物與土著菌株競爭，進而影響微生物修復效果。

近年來，用植物-微生物聯合修復有機污染的土壤逐漸成為目前生物修復領域的研究熱點，這種修復方法利用土壤-植物-根際微生物的共存關系，分別發揮植物、微生物修復的優點，達到聯合徹底修復土壤和凈化土壤的目的。

1 有機物污染土壤的植物-根際微生物聯合修復的形式

1.1 植物與專性菌株的聯合修復

一般情況下，有機物污染會導致土壤微生物量的減少和種類的改變，但是相應污染地區的微生物代謝活性沒有明顯變化[7]，這就說明在污染區的土壤中極有可能存在能夠耐受有機污染物的微生物，可以利用這些耐受菌來協助植物進行修復。Lin等用柴油污染區土壤中分離得到的微生物添加到種植了沙打旺（Astragalus adsurgens）的柴油污染區土壤中，通過研究發現，該土壤的柴油含量比單一種植沙打旺的污染土壤的柴油含量顯著下降[8]。

土壤中許多細菌在修復污染土壤的同時還能通過直接或間接的轉化作用促進植物生長。有的可以分解有機物中的氮元素，并將其轉化為植物可以利用的氮素形式被植物吸收。有的細菌可以利用自身的生化反應將有機物分解，最終轉化成氨基環丙烷羧酸鹽脫氨酶[1-aminocyclopropane-1-carboxylate（簡稱ACC） deaminase]，被植物吸收后可提高植物乙烯含量[9]。王京秀等篩選高效石油降解菌后，通過植物-微生物聯合修復石油污染土壤的室內試驗發現，菌株與植物進行的植物-微生物修復污染土壤效率最高可達73.47%，由于細菌的固氮作用，土壤含氮量提高，植物生物量顯著增加[10]。

某些在人工培養基上培養的細菌具有較強的降解污染物的能力，但將其轉移到被有機物污染的土壤中時，由于受到周圍環境及土壤中其他微生物的拮抗作用，這種細菌的分解有機污染物的效率顯著下降。此時就必須將該細菌中具有重要分解功能的酶對應的基因克隆，并轉移到工程菌中，以實現該基因的表達，達到與植物協同修復污染土壤的目的。比如，Cao等將1株鼠李糖誘導菌株Pseudomonas aeruginosa BSFD5進行了分離和鑒定，發現菌株的ABRI基因具有鼠李糖脂合成的功能，他們將該基因轉入工程菌小型黃絲藻（Pseudomonas putida） KT2440-rhlABRI后投入到種有修復植物的芘污染的土壤中發現，ABRI基因成功表達并與植物協同修復芘污染的土壤[11]。

由此可見，向土壤中接種專性菌株或經過改造的工程菌株協同植物進行有機物的修復工作，具有提高修復效率和植物生物量的作用。因此，研究具有有機物耐性的促植物生長的專性菌株是植物-微生物聯合修復有機物污染土壤的重要方向之一。

1.2 植物與菌根的聯合修復

菌根是指土壤中某些真菌與植物根共生的營養體。菌根的作用主要是擴大根系吸收面積、增強對原根毛吸收范圍外的元素（特別是磷）的吸收能力。菌根真菌菌絲體既向根周土壤擴展，又與寄主植物組織相通，一方面從寄主植物中吸收糖類等有機物質作為自己的營養，另一方面又從土壤中吸收養分、水分供給植物。作為植物根系和土壤之間的橋梁，菌根在與植物共同作用下促進有機物降解和轉化等方面具有積極作用。一般情況下，菌根與植物互作修復有機物污染土壤分為2種情況，分別是外生菌根與植物互作、內生菌根協助植物修復。

外生菌根可以實現純培養，因此關于外生菌根與植物互作修復有機物污染土壤的研究都集中在篩選具有良好降解有機物污染能力的真菌后，接種植物進行有機污染物的修復方面。Volante等用4種叢枝菌根（arbuscular mycorrhiza，簡稱AM）進行純培養后侵染植物根系，再將植物菌根接種在含有BTEX[苯（benzene）、甲苯（toluene）、乙基苯（ethylbenzene）3種二甲基苯異構體的合稱]的培養基中[12]，結果表明，在被AM菌根侵染的植物根系培養基中BTEX濃度顯著降低。周妍等采用溫室盆栽試驗，在種植紫花苜蓿的同時，分別施加不同的菌根菌劑，結果表明，紫花苜蓿-根瘤菌聯合作用對PAHs污染土壤的修復效果最優，其降解率達60%以上[13]。Wu等將接種了菌根真菌的苜蓿根際與未接種的苜蓿根際進行核磁共振試驗發現，菌根真菌使植物根組織發生變化，接種處理的根芳香碳含量高，改變了植物吸收污染物的特性[14]。

與外生菌根不同，內生菌根[泡囊-叢枝菌根（vesicalar-arbuscular，簡稱VA）]與植物具有高度的專一性，迄今尚未分離獲得純培養體，因此對該菌根目前無法直接進行體外純培養體的篩選和研究工作，一般研究主要集中在針對植物的生長狀況、對有機物污染的降解效率等方面。研究表明，叢枝菌根促進植物修復有機物污染主要是通過固定化有機污染物、促進植物吸收和固定化以及改變根際微生物組成等3個方面來協同植物進行有機污染物修復[15]。Gao等對比了與黑麥草共生的2種叢枝菌根菌的土壤及單獨種植黑麥草土壤中的菲、芴，發現共生叢枝菌根菌的黑麥草根系固定了大量的有機污染物[16]。此外，相關研究表明，石油污染的土壤中叢枝菌根菌[縮球囊霉（Glomus constinctum）]侵染三葉草根系后，顯著促進了三葉草的生長[17]。

由以上研究可以看出，菌根化植物的適應能力、抗逆能力、降解能力都比較強，但不容易獲得，且研究難度大。因此，建立良好的菌根與植物修復體系也是有機物污染土壤修復的重要的研究方向。

2 有機物污染土壤植物-根際微生物修復技術的影響因素

2.1 污染土壤的結構、特性及有機物的特性

土壤結構，即土壤顆粒的排列與組合形式，不同的土壤結構對土壤顆粒的比表面積影響不同，對有機污染物的吸附程度也不同，進而影響有機污染物的可利用性。研究表明，黏土等腐殖質含量較高、土壤黏性較大的土壤對有機污染物的吸附能力強，可利用性低[18]。

土壤的pH值、水分、溫度等都對植物-根際微生物修復有顯著影響。植物、微生物的生存都要處一定的pH值、水分、溫度范圍內，超出或者低于這個范圍都會影響植物和微生物的生存。例如，當pH值小于5.0時，植物和微生物的生物活性都會受到阻礙[19]；在不同溫度條件下微生物對PAHs的降解有著明顯的差異，低溫條件下微生物活性會受到抑制，致使微生物對 PAHs的降解能力下降；高溫條件下酶會因結構被破壞而失去活性，微生物存活率降低也會使微生物對PAHs的降解能力下降[20]。

污染土壤的有機物種類眾多，比如單環芳烴類（monoaromatic hydrocarbons，簡稱BTEX）、 多環芳烴、多氯聯苯等[21-23]，由于其化學結構不同，對其進行分解或修飾所需要發生的反應也不盡相同。比如，一些厭氧微生物能夠發生還原性脫氯作用來降解多氯聯苯[24]，但一些植物的內生菌也能氧化多氯聯苯[25]。石油污染土壤由于其本身多環芳烴物質較多，需要根際促生菌（Serratia marcescens ）BC-3和叢枝菌根菌（Glomus intraradices）的作用，以改善植物生理狀況，與植物協同進行污染修復[26]。

2.2 植物自身的生理生化特性

作為植物與微生物互作進行有機物污染修復的主體部分，富集植物一般要有一定要求：植物根系發達、保水能力強，植物生長速度快，種植在有機物污染的土壤中易存活，并且能夠有穩定的生理狀態；植物或者可以在不同污染物濃度條件下富集有機污染物；當植物自身不能很好地富集有機污染物時，可以與微生物互作進而降低有機污染物在土壤中的含量；植物根系能夠分泌一些酶類降解有機污染物。如果該植物能夠同時累積多種有機污染物，且能與微生物互作進行有機污染物富集，則該植物會成為植物-根際微生物互作的首選植物。

目前常用來修復有機物污染的植物主要集中在單子葉植物中（如水稻、黑麥草、玉米等[27-29]），單子葉植物根的比表面積大，更易吸收或降解有機污染物，且其根際圈內存在許多可以降解有機污染物的酶，這些酶對有機污染物的降解過程有促進作用[30]。隨著植物育種和轉基因技術的發展，人們已經逐漸將轉基因技術運用到篩選修復有機物污染土壤植物的研究中，目前已經選育出一些生長速度快、生物量大、可以與微生物互作、具有較強的有機物污染修復作用的轉基因植物，但是還屬于試驗階段，將逐漸運用到實際中[31]。

2.3 根際微生物的特性

根際微生物是土壤物質循環的主要動力，能夠為植物的生長發育提供必備因素。植物根系分泌物可以為土壤微生物提供生長必需的營養元素和生長必需因子，改變植物根際土壤微環境，促進根際微生物的多樣性，顯著影響根際微生物的生存狀態。同時，根際微生物還會產生一些植物激素促進植物的生長發育。因此，在有機污染物脅迫下，微生物自身受到其毒害，或者植物受到有機物脅迫后根系分泌物發生變化，會導致微生物活性受到影響。有機污染物被微生物降解主要依靠2種方式：（1）利用微生物分泌的胞外酶降解；（2）污染物被微生物吸收到細胞內，由胞內酶降解。吸收污染物的方式主要有被動擴散、促進擴散、主動運輸、基團轉位及胞飲作用等[20，32-33]，這就是說，我們可以直接利用根際微生物進行有機污染物的分解，改善土壤狀況和植物生長條件，從而為下一步的植物-根際微生物聯合修復做準備。

2.4 微生物與植物根系的互作關系

微生物與植物之間的動態互作關系是植物-微生物協同修復有機物污染的研究重點，好的互作關系可以克服許多修復過程中的不利因素。根際周圍的微生物活動為土壤結構的變化和土壤化學物質的分解提供了一個良好的環境[34-35]。大部分微生物對有機污染物的分解主要目的在于降低它們對自身的毒害性，這個過程很可能需要植物根系提供根系分泌物幫助微生物完成對有機污染物的分解，但同時也能刺激植物釋放更多的根系分泌物，還能為植物提供生長所必需的一些營養物質和有機污染物含量較低的土壤環境[36]。某些根際微生物也會分泌一些生物表面活性劑，促進植物對有機污染物的吸收，降低有機污染物對植物的毒害[37-38]。這就是說，建立良好的植物-根際微生物互作關系，對植物-根際微生物協同修復有機物污染具有重要意義。

3 小結與展望

植物-根際微生物互作進行有機污染物的修復工作，能夠發揮植物修復和微生物修復的優點，是修復效率高、廉價、可循環利用、不產生二次污染的生物修復技術。由于該技術的影響因素較多，目前還沒有得到大范圍的應用，在今后發展中可以考慮以下幾個方向：（1）繼續尋找具有有機污染物修復能力的植物和微生物，研究修復機制，探索不同植物-根際微生物修復組合，提高協同修復效率。（2）某些激素對植物生長具有顯著促進作用[39-40]，可能參與有機污染物的降解[41]，比如油菜素內酯（brassinosteroid，簡稱BR）參與有機農藥殘留的降解過程。通過轉基因或突變體篩選技術，篩選出具有高效表達油菜素內酯的植物與微生物協同進行有機污染物的降解過程。（3）加強理論機制的建立。目前雖然有大量關于植物、微生物、植物-根際微生物修復有機污染物的試驗性研究，但是對于具體修復機制方面的研究較少，修復機制的建立是更好地運用生物進行有機污染物修復的前提。（4）加強實際試驗與檢驗。以往的試驗性研究大部分都是在實驗室內部模擬污染土壤環境進行的，將試驗結果運用到實際污染土壤修復中還面臨許多環境問題，比如本土植物和微生物的競爭、污染土壤環境的不可控性等。因此，在實驗室內部的研究結果依然要進行實際環境的修復效果試驗，這樣才能真正體現研究植物-根際微生物修復的意義。

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