根际环境内污染土壤的生物修复研究

李克中，朱永恒

（安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖241000）

1 引言

根际环境是指以植物根系为中心，所形成的含有大量微生物、土壤动物、植物根系及其分泌物，在物理学、化学、生物学特性上而不同于周围土体的微区域环境。根际环境内土壤的重要特征之一就是富有大量的生物，其微生物和原生动物的数量比非根际土壤要多得多［1］。根际环境内土壤生物学特性在很大程度上取决于植物根系分泌物的性质，一些研究结果表明：根际土壤微生物活性及其群落结构随植物生长发育而变化，对根系生长发育、营养产生很大的影响［2，3］。正是由于根际环境内这些特殊的特性存在使得污染物在根际环境内表现出特殊的化学行为。

作为植物根系生长的真实土壤环境，根际环境在对污染土壤修复中的作用也不容忽视。近年来重金属和有机污染物对动物、植物及人类的直接的和潜在危害以及被污染环境的综合治理已成为社会各界关注的焦点。生物修复已成为污染生态学和环境生态学研究的热点。存在于土壤中的污染物首先通过根际环境与植物相接触，进而通过植物和根际环境内的生物来降解这些污染物质。根际环境内植物的根及其分泌物和微生物、土壤动物的新陈代谢活动对污染物产生吸收、吸附、降解等一系列活动，在污染土壤修复中起着重要作用［4］。基于此，本文着重从植物根系和根系分泌物、微生物（细菌、菌根真菌）和土壤动物等方面进行概述，总结了它们在根际环境内对污染土壤修复的重要意义。

2 根际环境内植物根系及其分泌物对污染土壤的修复作用

植物根系是土壤食物网的主要基质和能量来源之一，驱动土壤生物、化学和物理过程［5］。植物根系如同一张“过滤网”，使通过的重金属得到固定并吸附于土壤表面，从而降低重金属在土壤中的生物有效态，达到减轻重金属污染的效果［6］。植物根系是植物吸收营养物质的重要途径之一，因而也成为污染物质进入植物体内的重要路径。利用植物根系修复污染物正是应用了根系这种“提取能力”，对于富集在植物体内的污染物，通过植物自身的挥发和人为对地上部分的收获达到修复的目的。

2.1 植物根系分泌物对重金属污染土壤的修复

植物根系分泌物是植物在生长过程中，根系向生长介质分泌质子和大量有机物质的总称。Mench等的研究表明，根系分泌物各组分（粘胶、高分子、低分子分泌物）均可与重金属发生络合作用，高分子与低分子的络合物可能有助于重金属向根表的迁移，而粘胶包裹在根尖表面，可认为是重金属向根迁移的“过滤器”［7］。

根系分泌物主要通过活化、螯合、还原等作用来降低根际环境内重金属的有效性和毒性。此外，根分泌物被根际微生物利用，使根际土壤的氧化还原低于非根际土，从而改变根际土壤中变价重金属如Cr、Cu等的形态及有效性［9］。在重金属等环境胁迫下，植物通过调节根分泌物的成分使根际环境更好的与外界环境相适应。如在铝胁迫下，耐铝植物可通过分泌有机酸，以缓解铝的毒害［10］。另外，根系分泌物及其分解程度均影响土壤中重金属的吸附－解吸特性，植物根系分泌的新鲜分泌物可减少土壤对重金属的吸附，提高其扩散性［11］。

2.2 植物根系分泌物对有机物污染土壤的修复

根系分泌物对污染物的降解主要通过酶系统的直接降解和增加微生物的数量和提高其活性的间接降解［12］。前一种途径已被一些研究所证实，如有毒有机物在外酶的作用下分解为低毒的形态、磷酸酶可降解有机磷杀虫剂［13］、植物死亡后释放到土壤环境中的酶还可以继续发挥分解作用。其中尤其植物特有酶对多环芳烃的降解为根际修复的潜力提供了强有力的证据［14］。根系分泌物通过影响根际土壤中微生物数量和活性来实现有机污染物的修复是主要途径。

3 根际环境内微生物对污染土壤的修复作用

根际微生物通常是指细菌、放线菌和真菌（尤以菌根真菌为主）几大类。根际环境内的微生物对污染物具有多种修复手段，有的以污染物为碳源和能源，有的与污染物共代谢，通过代谢过程，这些离子可被沉淀或被螯合在可溶或不溶性生物多聚物上［15］，进而达到对根际环境内污染土壤修复作用。

3.1 根际环境内微生物对重金属污染土壤的修复

细菌对重金属污染土壤的修复主要表现在吸附能力上。尤其集中在汞、铬（Hg、Cr）等方面的研究上，证实了可以降低重金属可移动性和生物有效性，从而对污染土壤起到修复作用。根际环境内有独特的氧化还原电势与溶解氧水平，也为污染物的挥发和还原提供了条件。例如，土壤细菌对无机与有机汞化合物的还原与挥发；铬酸盐的还原与亚砷酸盐的氧化［16，17］。另外，细菌为了生存在寻找碳源和能源的过程中就会形成一种进化优势——趋化性。细菌趋化性在根际环境内污染土壤的生物修复过程中发挥重要的作用，例如，趋化性可以使降解菌株与污染物紧密接触，解决污染物的生物可利用问题［18］。

关于菌根真菌对重金属的相对独立吸收作用很早就已经有了研究。如，Cooper和Tinker［19］采用能区分根系和菌丝的装置，利用同位素示踪技术，演示了内生菌根菌丝吸收、累积和移动65Zn的过程，表明了菌丝本身能够吸收重金属，这可能促进了根系对重金属的吸收能力。此外，外生菌根真菌还具有它独特的特点——屏障作用，因菌套的形成而较为明显，对重金属起了物理阻碍作用，阻止重金属向植物体内转移［4］。另外，菌根真菌还通过屏障、螯合以及菌根根际效应来影响微生物活性［20］等作用，进一步促进污染物的降解和转化。

3.2 根际环境内微生物对有机物污染土壤的修复

根际环境内的细菌除了对无机污染物具有独特的降解之外，也对大多数有机污染物进行降解。它们除直接的代谢活动外，还能以根分泌物和根际内有机质为主要营养源，从而具有根际环境外细菌所不具有的降解特点［4］。Ortega－Calvo等人首次评价了根际环境内细菌的趋化性使根际内降解性细菌数量增加，提高了污染物的生物可利用性，促进了根际内多环芳烃的降解［21］。

菌根真菌作为根际环境内根系与土壤相接触的重要媒介，在促进有机污染物的降解和转化、促进污染土壤中植物的生长、有机污染土壤的生物修复等方面具有积极的作用［22］。研究表明，受菌根接种的植物根系对农药的污染有很强的耐受力，菌根通过吸收、积累以及分泌物对农药进行分解、挥发等一系列的作用降低了有机农药的毒害。林先贵等［23］研究发现了接种VA菌根真菌后，白三叶草的菌根侵染率、生长量和对N、P元素的吸收量都高于不接种的对照植株。王曙光等［24］也进一步揭示了AM真菌的菌丝在酞酸酯的降解和转移过程中起了某些特殊的作用。在对外生菌根真菌的众多研究中，均揭示了其对有机除草剂的降解吸收作用。

4 根际环境内土壤动物对污染土壤的修复

目前对于土壤动物修复的概念还没有准确统一的定义。据大量研究表明土壤动物修复技术是利用土壤动物对污染物进行机械破碎、分解、消化和富集以及在土壤中进行的翻耕和穿插等活动影响污染物的迁移和分布，并通过肠道排放的微生物及分泌的酶而使污染物降低或消除的一种生物修复技术［25］。土壤动物作为土壤中的一份子，它们的活动、生长以及繁殖都与土壤的理化性质息息相关，尤其生活在根际环境内的土壤动物对有机物污染物的机械破碎和分解具有重要的作用。与此同时，大量的肠道微生物及分泌的酶也转移到土壤中来，它们与根际环境内土著微生物一起通过吸收、降解等方式使得污染物浓度降低或消失。

土壤动物生活在土壤环境内，作为土壤污染的一个评价指标［26］，因此它在一定程度上能够反映土壤的污染状况。在土壤中添加有机氯培养蚯蚓试验中，谢文明［27］等发现蚯蚓对所加的有机氯农药的富集作用明显。蚯蚓不但富集了重金属，还可以改良土壤，保持土壤的肥力。将蚯蚓应用于污染土壤生态系统的恢复，甚至应用于强化污染土壤生态系统的修复，具有一定的发展潜力，在实际应用当中也有较大的可行性。

除了以捕食和代谢分泌为基础的假说外，土壤动物对微生物群落结构、土壤有机碳、根系生长及植物群落等的影响也将对根际生物修复产生深远的反馈作用［28］。在今后的研究中应加大土壤动物其它种类，如甲螨、线虫、跳虫等微型和中型土壤动物对土壤污染修复作用研究。

5 结语

根际环境内除了上述的生物种群外，还有很多微生物及土壤动物类群，而对于它们在根际污染土壤中修复作用研究的较少。土壤遭受污染是一个十分复杂的过程，不存在相对单一的污染物，几乎都是多种污染物综合污染的结果。生物修复体系中任何单一生物体一般都不具备降解复合污染物整体能力，因此，生物联合修复是必须采用的。修复过程中可以充分发挥各有机体及相互结合产生的修复作用。随着科技的进步根际环境内污染土壤的生物修复技术已经取得很大的发展，但由于受到区域生物特性以及自然环境的限制，还存在着许多局限性。

（1）土壤中根系的形态和根系的构型在污染土壤中的修复作用研究的很少，应加强不同土壤层中根系修复作用的研究。

（2）由于根际环境是动态的、复杂的系统，在营养及重金属等的胁迫条件下，根系分泌物产生的机制以及影响根际环境中其它组成成分的机理需要进一步的研究。

（3）对于轻度污染的土壤，污染物浓度没有达到生物降解的最低含量，迫使生物无法发挥其正常的降解功能，鉴于此，微生物对污染物最低量的降解反应能否进行定量的研究。

（4）微生物对根际内污染土壤的修复受多种因素的影响，如菌株的生存条件、营养条件以及菌株的呼吸活性等，而从这一视角研究的比较少。

（5）土壤动物在对根际内污染土壤修复中的研究报道的很少，大部分都是集中于蚯蚓的修复作用，而应加强对土壤动物其它种类，如甲螨、线虫等微型和中型土壤动物对土壤污染修复作用研究。随着科学技术的发展和对实验条件进一步的精确模拟，很多新的技术和理论也得到了很大的发展，如，分子生物学技术、基因工程理论、重新组建微生物的遗传性状、筛选具有降解多种污染物且降解效率更高的优良菌株及酶系，显然已经成为污染土壤修复研究的热点。通过对以上内容的深入研究，必将促进生物修复技术从实验室走向大田生产应用。

致谢：感谢在论文的写作过程中由导师朱永恒提供的指导和帮助。

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