AM对重金属和有机污染土壤的修复及机理

张又丹，郝鲜俊

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

AM对重金属和有机污染土壤的修复及机理

张又丹，郝鲜俊＊

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

随着现代农业科技的发展，土壤中污染物的种类和数量也迅速增加，这直接导致了我国可利用耕地土壤面积的减少，造成土地减产和大量的经济损失。如何恢复或修复遭受污染的土地成为21世纪环境生态治理的热点。菌根（Mycorrhiza)是土壤中某些真菌与植物根系形成的一种共生体，在自然界中普遍存在，最常见的类型是丛枝菌根（Arbuscular Mycorrhiza，AM)。AM的自身代谢作用能将一些土壤污染物分解为无毒物质，其分泌的球囊霉素可以络合土壤中的重金属，并且AM与宿主植物建立共生关系后，不仅能改善植物的生长状况，还可引起植物根际微域环境的变化，如pH值、酶以及微生物的数量和种类等，这些都有助于降低土壤中污染物的含量。本文主要综述了AM在污染土壤方面的最新研究进展，重点阐述了其对重金属和有机污染土壤的修复效应及机理，并对目前研究中存在的问题以及未来研究方向做出探讨。

丛枝菌根;污染土壤;修复;机理

近年来，随着工农业的迅速发展和人口的快速增长，土壤污染越来越严重［1］。据统计，我国耕地土壤的重金属污染面积约占耕地总面积的1／6，其中，镉是最主要的污染元素，镍和汞次之［2］;每年新增石油污染土壤1.0×108kg［3］;受到农药污染的耕地至少有1 300～1 600万hm2，因土地污染减产的经济损失每年达200亿元［4］。因此，污染土壤修复成为迫在眉睫的任务。

目前，修复污染土壤的方法有物理修复、化学修复和生物修复三种［5］。物理修复是出现最早的修复技术之一，主要应用热力学、电动力学、热解吸等方法［6］。化学修复是通过改良剂的加入使土壤中的污染物转化为难溶物，以降低其在土壤中的迁移能力，包括化学淋洗、溶液浸提等方式［7］。在传统物理修复和化学修复中，虽然有些方法效率高、效果好、费用也合理，但仍存在修复后稳定性差、易造成二次污染等问题［8］。生物修复是应用生物如植物、微生物等的生命代谢活动减少环境中的有毒有害物质，使污染了的环境恢复到原始状态的过程［9］，相对于其他两种方法，生物修复除了费用低、效果好的优点外，一般不会改变土壤性质和引起二次污染，因此还具有更高的安全性。

菌根修复技术是利用真菌和植物根系结合形成相互作用的根际、菌际环境［10］，以达到有效降解土壤中各种污染物浓度或含量的一种方法。在自然环境中，大多数（大约为90%)陆生植物物种都可以形成菌根，最常见的类型是丛枝菌根（Arbuscular Mycorrhizal，AM)［11］。目前，常用的污染土壤生物修复载体主要是植物和微生物两类［12］，而菌根作为生物修复载体的应用则是一个新方向。之前已有学者对AM在污染土壤中的修复作用进行了总结，但不是很全面，本文拟对其在污染土壤中的修复作用进行全面的系统综述。

1 AM对重金属污染土壤的修复

土壤重金属污染主要是由人类活动引起的，如污水灌溉、矿山开采、工业废水排放等［13］，这些活动均会导致土壤中重金属含量的增加，使其超过土壤自净能力，进而造成土壤质量的恶化。重金属如铜、锌、铅、汞、镉、镍等，不能被土壤微生物所分解，只能在土壤和植物体内迁移、富集和转化，超过一定浓度时会产生毒害［14］，如影响作物生长，抑制营养元素吸收等。周青等［15］研究表明，当镉浓度为30μmol·L－1时，菜豆的生长受到严重抑制，植株高度、根系长度以及根、茎、叶的鲜重、干重均呈现不同程度的降低。许桂莲等［16］研究发现，当土壤中锌、镉浓度持续升高时小麦幼苗对钙、镁的吸收呈下降趋势。

1.1 AM对重金属污染土壤的修复效应

在重金属含量高的土壤中，申鸿等［17］研究发现，接种菌根玉米与非菌根玉米相比，其根系干重、根长以及植物体内铜、镉、锌含量等均显著提高，且所吸收的重金属大多被积累于根部，这说明接种菌根可以提高玉米植株对土壤中重金属的吸收，使重金属得到转移。能与植物根系形成AM的真菌有很多种，每种AM对土壤中重金属的吸收能力也不尽相同。胡振琪等［18］以玉米为材料的盆栽实验表明，在镉污染土壤中添加Glomusdiaphanum和Glomusmosseae对玉米地上部和根部的镉含量都有影响，两种菌根侵染均可显著降低玉米地上部对镉的吸收，但对根部的影响情况有所差异：玉米接种Glomusmosseae菌根没有显著降低根部对镉的吸收，接种Glomusdiaphanum反而显著增加了根部对镉的吸收。另外，盆栽试验和田间试验的结果表明，接种AM极大地提高了鬼针草和龙珠果对污染土壤中铜、铅和锌的吸收积累［19］。

1.2 AM对重金属污染土壤的修复机理

AM对重金属污染土壤的修复主要是通过直接作用和间接作用两种机制实现的［20］。

1.2.1 直接作用

AM对重金属的直接作用主要为AM菌丝的“过滤机制”［21］。陈保冬等［22］研究发现，AM 阳离子交换量显著高于根系阳离子交换量，且菌丝体可分别吸附相当于自身干物重1.6%的锰、2.8%的锌和13.3%的镉。冯海艳等［23］研究了AM真菌对黑麦草吸收镉的影响，结果表明，当土壤中镉浓度为15mg·kg－1时，Glomusmosseae和Glomus intraradices的菌丝贡献率分别达到了68%和70%。这说明AM菌丝上有可能提供重金属结合的位点，这些位点可将重金属富集于真菌体内［20，24］。Turnau等［25］认为菌 丝内存在能够与重金属结合的聚磷酸盐，它可降低重金属向植物体内的运输量，这种作用就是“过滤机制”。另外，AM真菌能够分泌一种含有金属离子的专性糖蛋白——球囊霉素，它可以有效络合土壤中的重金属，降低根际土壤的重金属含量［26］。

1.2.2 间接作用

AM对重金属的间接作用主要是通过影响宿主植物来实现的，目前发现的机制包括：（1)AM真菌侵染改变宿主植物的根系形态。申鸿等［27］研究发现，在铜污染土壤中接种GlomusCaledonium后，接种玉米的根系生物量和根系长度，较未接种玉米均有明显提高;当施铜量达到150mg·kg－1时，与未接种玉米相比，接种玉米的地上部和根系吸铜量分别提高了28.2%和60.0%，这说明在铜污染条件下，菌根菌丝的侵染使植物将土壤中过量的铜积累在根部，并且抑制其向地上部的转移。（2)AM改善宿主植物对矿质营养元素的吸收状况［28］。张旭红等［29］研究表明，重金属复合污染较高条件下，AM的存在提高了蚕豆地上部的磷含量。菌根促进宿主植物对营养元素的吸收，使植物生长加快、抗逆性增强，间接地影响植物对重金属的修复作用。（3)AM改变宿主植物根际环境的理化状况。AM对根际环境的影响主要有增加根部分泌物、改变微生物的种类、数量、影响根际pH值等［30］。微生物能富集多种重金属，对重金属有较强的亲和作用［31］。毕银丽等［32］研究发现，接种AM真菌可促进根际土壤中细菌、放线菌和真菌数量不同程度的增加，这有利于微生物对土壤中重金属的积累。陈秀华等［33］研究发现，接种AM真菌后，土壤中pH值降低，而交换态铜的浓度有所增加，说明菌根的存在有助于提高铜的生物有效性，增加铜从土壤向植物根部的转移，进而降低土壤中铜的浓度。

2 AM对有机污染土壤的修复

随着农药化肥施用、石油开采等活动的大范围进行，我国土壤有机污染状况日益严重。汪珊等［34］通过对珠江三角州地区资料的研究，发现该区蔬菜基地土壤中部分有机污染物含量已超过美国土壤的控制标准。葛成军等［35］研究发现南京某地区农业土壤中多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PHAs)含量过高。有机污染物具有难分解、高毒性、生物蓄积性等特点，若长期滞于环境中，易对生物体的生长发育产生毒害［36，37］。刘继朝等［38］实验数据表明，随着土壤中石油污染水平的增加，向日葵、棉花、黑麦草、三叶草、紫花苜蓿等植物的种子发芽率、植株高度及鲜重均出现不同程度降低。

2.1 AM对有机烃类污染土壤的修复效应

杨婷等［39］通过实验表明，无论紫花苜蓿还是黑麦草接种苏格兰球囊霉36号菌剂，其AM侵染率均有明显提高，并且土壤中PAHs的降解率也与AM侵染率呈正相关关系。另外，有实验结果显示［40，41］，土壤中菲起始浓度相同情况下，通过测定植物不同生长阶段的土壤，发现接种Glomus mosseae的土壤中菲残留浓度均低于有植物无AM对照和无植物无AM对照。以上结果表明，AM有助于土壤中有机烃类的降解。

2.2 AM对酞酸酯类污染土壤的修复效应

目前，利用 AM 修复酞酸酯类（PAEs phthalates)污染土壤的研究较少。其中王曙光等［42］以豇豆为供试植物，研究AM对三个土层：菌根际、菌丝际和常规土层中邻苯二甲酸二脂（Diethylhexyl Phthalate，DEHP)在三个不同浓度（4 mg·kg－1、20mg·kg－1、100mg·kg－1)的降解试验，结果显示，接种AM真菌后三个土层中DEHP的残留浓度均低于对照，其中菌丝际浓度最低，这说明AM在DEHP降解过程中起了重要作用，但具体原理还有待进一步研究。

2.3 AM对石油污染土壤的修复效应

王丽萍等［43］模拟0.2%和2.0%两种石油污染浓度，对玉米进行菌剂接种处理，结果表明，石油烃的降解率与菌根侵染率、玉米根干重及植株干重均呈现正相关关系。这说明接种AM真菌不仅能促进玉米地上、地下部分的生长，而且根部生物量的增加有利于土壤中石油的降解。何翊等［44］研究发现，在石油污染土壤中种植大豆与玉米，并施加内生菌菌剂，一个生长季后，土壤中石油污染物的降解率可达53%以上。

2.4 AM对农药污染土壤的修复效应

宋福强等［45］研究发现，在盆栽高粱条件下，接种Glomusmosseae土壤中阿特拉津的残留量明显降低。马放等［46］以农药三环唑为研究对象，对水稻进行不同AM真菌接种处理，结果表明，不同AM真菌接种处理时，三环唑的消解率均不同程度地大于对照处理，且菌剂为150%质量分数的Glomusmosseae以及Glomusmosseae和Glomusintraradices的混合菌剂时效果较好，三环唑消解率分别为0.10和0.09。以上研究表明AM可促进土壤中农药的降解，而降解效果依菌剂类型而异。

2.5 AM对有机污染土壤的修复机理

AM对有机污染土壤的修复与其自身代谢作用有关［47］，有机污染物主要由碳元素构成，而AM真菌为异养微生物，需要从外界获得营养物质，这样有机污染物就可以为真菌提供碳源［41］。另外，通过AM真菌的自身代谢作用污染物可被分解为简单的有机物，或分解为二氧化碳和水，同时获得自身所需能源，以达到降解有机污染物或降低其毒性的目的［48］。AM真菌与宿主植物建立共生关系后，能增加植物对土壤水分和营养元素的吸收，促进植物生长，通过植物的吸收以及在体内的积累作用来降低土壤有机污染物含量［49］，凌婉婷等［50］研究了多种植物对土壤中PHAs的吸收作用，结果显示，随着土壤中菲和芘浓度的提高，根中菲和芘含量也明显增大。此外，也有研究发现，AM形成后，不仅促进宿主植物生长，也会引起土壤中根系分泌物数量和组成的较大变化［43，51］，如，AM 可促进氧化酶、过氧化氢酶等酶类物质的分泌，提高根际土壤酶含量和活性，进而促进有机污染物的降解［52］。目前，关于AM修复有机污染土壤的机理还不是很完整，如降解污染物后具体产生何种物质、降解动力学等，这些都需要在今后的研究中进一步探讨。

3 AM对放射性污染土壤的修复

20世纪以来，随着核技术在多个领域的广泛应用，越来越多的放射性物质进入土壤，造成严重污染。核试验、核工业排弃物是土壤放射性污染物的主要来源［53］，其长期存在会对环境及生物健康造成威胁。目前，关于放射性污染土壤研究较多的生物修复方法依然是植物修复和微生物修复［54］，涉及菌根修复的研究相对较少。

黄仁华等［55］在137铯污染土壤中接种5种AMF（Glomusgeosporum，Glomusmosseae，Glomusversiforme，Glomusetunicatum和Glomusdiaphanum)，实验结果显示，接种处理的假高粱植株体内137Cs比活度不同程度地高于对照处理，其中有三个菌种效果明显：Glomusmosseae增加了40.11%，Glomusetunicatum增 加 了 18.45%，Glomusdiaphanum为17.73%，这说明AM可以提高植物对放射性元素的聚集能力。此外，该研究还发现，接种AM真菌会降低假高粱根部有机酸的组成及含量，降低幅度最明显的也是接种Glo-musmosseae的植株。这表明植株聚集放射性元素的能力可能与其根部分泌有机酸的组成、含量有密切关系，但具体机理还需要进一步的研究。

4 结语

菌根修复作为一种生物修复技术而言起步时间较短，对AM修复污染土壤的研究体系还不完善。笔者认为，今后需要在以下几个方面进行深层次研究：（1)因地制宜，选择最佳菌种与处理方式。这是因为AM真菌种类较多，对污染土壤的修复效果也因土壤环境、宿主植物等不同而异，因此需要针对不同类型的污染土壤选择修复效果最佳的菌种;其次，就目前土壤状况来看，大部分土地均为几种污染物形成的复合污染，单一污染情况相对较少，针对此现象需要在研究菌根修复的同时考虑多种菌剂的复合使用，以达到对复合污染土壤的修复。（2)开展AM修复机理研究。目前，AM修复机理大部分停留在假说阶段，同时也存在许多争议，很多关于土壤修复的具体过程需要进一步探讨，如有机污染物经AM代谢后形成的产物具体是什么;植物通过菌根大量吸收重金属后在体内如何消耗等。此外，利用分子生物技术开展微观水平的研究应在今后的课题中加强。（3)解决进行AM推广应用中遇到的问题。菌根修复技术虽然安全度高、可操作性强，成本也相对较低，但目前研究都只是在小范围内的实验研究，若今后将其投入大面积的实际应用中，菌剂的生产、保存、运输等都是急需解决的问题。

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Arbuscular Mycorrhizal Remediation and Mechanisms on Heavy Metals and Organic Pollutants Contaminated Soils

Zhang Youdan，Hao Xianjun＊
（CollegeofResourcesandEnvironment，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801，China)

With the development of modern agricultural technology，the kinds and amounts of contaminants in soil are also increasing rapidly，which led directly to the area of arable land can be used to reduce and cause land reduction of output and amount of economic loss.Therefore，how to restore or remediate of contaminated land has become a hot of environment ecological management in the 21st century.Mycorrhiza is a kind of symbiont that fungi and plant roots formed，it is ubiquitous in nature，and the most common type is arbuscular mycorrhizal（AM).The metabolism of AM can decompose some pollutants in the soil into non-toxic substances，and the glomalinwhich AM secrete can chelate heavy metals in the soil，and after the AM establishing a symbiotic relationship with the host plant，that not only improve the growth conditions of plant，but also cause changes in the rhizosphere micro domain environment，such as pH value，enzymes，and the number and types of microorganisms and other，all of which help to reduce the amount of contaminants in the soil.This paper reviewed the recent progress about AM in contaminated soils，focusing on the effect and its remediation mechanisms of heavy metal and organic contaminated soils，and made discussion on the present research problems and future research direction.

Arbuscular mycorrhizal;Contaminated soil;Rehabilitation;Mechanism

X53

A

1671-8151（2015)05-0519-05

10.13842/j.cnki.issn1671-8151.2015.05.014

2015-02-25

2015-03-19

张又丹（1989-)，女（汉)，河北辛集人，硕士研究生，研究方向：土壤退化与生态重建

＊通讯作者：郝鲜俊，副教授，硕士生导师。Tel： 18404981582;E-mail：haoxianjun660＠126.com

山西省青年科技研究基金（2011021031－1)

（编辑：武英耀)