植物—微生物联合修复重金属污染底泥/土壤的研究进展

文晓凤 尹令实 张金帆 袁瀚宇

摘 要：重金属作为一种持久性污染毒物，近年来在中国由其引起的环境污染已引起了高度的关注。植物-微生物联合修复作为一种绿色环保技术，在石油污染土壤治理中的应用研究日益成熟，将该技术应用于重金属污染底泥/土壤的修复已逐渐开展。该文对中国底泥/土壤重金属污染的现状、处理方法等进行了概括，对植物-微生物联合修复的定义、原理进行了阐述，并从微生物类别的角度叙述了目前能用于重金属污染底泥/土壤处理的植物-微生物联合修复技术的几类不同形式，最后对植物-微生物联合修复法在底泥/土壤重金属污染修复中的应用前景进行了展望。

关键词：植物-微生物联合修复；重金属污染；底泥/土壤

中图分类号 X53；X820.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）06-83-04

The Research Progress on Plant-microorganism Combined Remediation of Heavy Metals-contaminated Soil & Sediments

Wen Xiaofeng1 et al.

（1School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China）

Abstract：As a kind of persistent toxic，heavy metals pollution has caused a high degree of attention recently in China.As a green technology，plant-microorganism combined remediation are increasingly mature on its application in the oil pollution of soil，so appllying to the restoration of sediment/soil heavy metal pollution has been gradually carried out.This article summarizes the current situation of sediment/soil heavy metal pollution，the processing method and so on.Also the definition，principle about the plant-microorganism combined remediation was expatiated，and the different forms of plant-microorganism combined remediation on plant-microbial was described.Finally，the application foreground of the plant-microorganism combined remediation in sediment/soil heavy metal pollution repair was prospected.

Key words：Plant-microorganism combined remediation；Heavy metals pollution；Sediments & Soils

重金属（Heavy metals）一般是指密度大于5g/cm3，超过一定量后对生物具有明显毒性的金属或者类金属元素，如镉、铬、锌、铜、铅、汞、砷等[1]。这些（类）金属元素及其化合物在环境中只是发生形态或者价态的变化，难以被降解，属于持久性的累积性毒物，对人类有着潜在长久的危害[2]。底泥、土壤是众多底栖生物、陆生生物的栖息觅食生活场所，在底泥/土壤中累积的重金属会通过食物链的放大，最终进入人体，使得人体内的重金属含量逐渐增多，从而出现慢性中毒，对人类的健康造成长久且不可挽回的损害[3]。因此，对底泥/土壤中重金属污染的治理研究有着重要的意义。中国对重金属污染底泥/土壤的治理始于20世纪70年代，对重金属污染底泥/土壤的处理机理分为固定、活化2种，前者降低底泥/土壤中重金属离子的有效性，使其沉淀化从而降低其生物有效性，降低对植物的毒害，后者通过一系列措施提高重金属的生物有效性，再通过植物、微生物等吸附提取从底泥/土壤中去除[4]。目前用于处理重金属污染底泥/土壤的方法可分为原位修复（In-situ Remediation）与异位修复（Ex-situ Remediation）。物理修复法见效快，但工程量大，耗财耗力，且通过物理修复后均难以使底泥/土壤达到要求的标准；化学修复法能在短时间内大幅度去除底泥/土壤中的重金属，但去除一般都不彻底，且治理成本高，人力物力耗费较多，易造成二次污染，化学药剂也会对水生/陆生生态系统构成潜在的威胁[5]。植物-微生物联合修复在进入21世纪后得到了快速发展，近年来由于其在富营养化污废水、石油污染水体/土壤中的良好治理效果而引起了高度关注[6]，在重金属污染底泥/土壤的处理中极具潜力，是今后治理重金属污染底泥/土壤着重研究发展的方向。

1 植物-微生物联合修复的定义及原理

植物-微生物联合修复属于生物修复，它通过建立植物-微生物共生体系，通过微生物加强植物富集、固定底泥/土壤中重金属的能力，利用植物-微生物共生体系富集、固定底泥/土壤中的污染物[7]。微生物强化植物修复主要是强化植物富集、固定能力，主要表现在2个方面[8]：（1）活化或固定底泥/土壤中重金属；（2）促进植物生长。用于重金属污染修复的植物-微生物联合修复中的植物与微生物两者是互惠互利的关系，土壤-微生物共存环境中，底泥/土壤中附着在根际的微生物能将土壤有机质、植物根系分泌物转化成自身可吸收的小分子物质，同时通过分泌有机酸、铁载体等螯合物质改变底泥/土壤中重金属的赋存状态或者氧化还原状态，降低重金属的毒性，增加重金属的生物有效性，减少重金属对植物本身的毒害，有利于植物对重金属的吸收、转移、富集，从而增加了累积植物重金属的生长量、富集量[8-9]。体外微生物对土壤中Fe、Mn氧化物进行还原，解析出其中的重金属，也可将硫等氧化成硫酸盐，降低土壤的pH值，进而增加了重金属的活性，转换成易于被植物吸收的形态；活动于植物体内的根内菌则通过分泌一定量的生长促生剂促进宿主植物生长，进而增加宿主植物对重金属的富集量，有利于植物对底泥/土壤中重金属的吸收[6，10]。而植物对微生物修复的强化则体现在植物根际分泌物上，根际的分泌物对根际微生物起着很关键的作用，根系分泌物数量丰富，一般包括糖、蛋白质、氨基酸、有机酸、酚类等，其中有机酸通过螯合、活化作用改变土壤中的重金属化学行为、生态行为，进而改变重金属对植物、微生物生物有效性、毒性[11]。同时，蛋白质、糖等有机质分泌物可以作为根际微生物的营养、能源来源，大大提高了根际微生物的活性，根际微生物活性的增加又反过来作用于植物根际，影响了根的代谢活动和细胞膜的膜透性，并改变了根际养分的生物有效性，促进了根际分泌物的释放[12]。植物-微生物二者的联合对植物、微生物修复法各自处理底泥/土壤中的重金属起到了强化作用，提高了对底泥/土壤中重金属的处理效率，在处理重金属污染底泥/土壤中有着很大的潜力[13]。

2 植物-微生物联合修复技术的几种形式

2.1 植物-土著优势菌联合修复 随着底泥/土壤中重金属污染的加重，某些微生物能对重金属表现出耐受性，从污染底泥/土壤中分离出来的此类微生物即为土著优势菌种[14]。真菌、细菌、放线菌是底泥/土壤中分布广、生物量大的微生物，表面积/体积比很大，表面附着的羧基、磷酰基、羟基等负电荷的功能基团使得它们对重金属阳离子有着很强的吸附作用[15]。土著优势菌强化植物富集重金属的机制主要表现在以下几个方面[16]：（1）微生物分泌胞外聚合物与重金属离子络合解毒，降低重金属毒性；（2）分泌的酸类对重金属起到活化作用，提高重金属的生物有效性，增强了植物对重金属的富集能力；（3）微生物对土壤中金属离子进行氧化还原及甲基化作用，从而对重金属离子产生作用，将重金属转化为低毒、无毒的形式。陈文清等[17]利用盆栽实验研究了鱼腥草与内源根际微生物联合修复镉污染土壤，发现在土壤镉浓度为5mg/kg、10mg/kg时，鱼腥草的富集率分别为2.86%、1.63%，吸收量最高可达培养前自身镉浓度的200倍（种植前鱼腥草镉含量0.114 6mg/kg，富集后最高达24.44mg/kg），根际的细菌、霉菌耐性较弱，培养初期放线菌对镉耐性很强，较高浓度镉可能刺激了放线菌的大量生长，在两者联合下，土壤微生态系统能够保持较好的稳定性。高亚洁等[18]利用草本植物紫花苜蓿-土著微生物对重金属污染的河道底泥进行修复，在经过6个月的PVC箱培养后，底泥中的Ni、Cu、Pb、Cr、Mn、Zn都得到了一定的去除，Ni、Cu、Pb、Cr、Zn均累积在紫花苜蓿根部，其中对Zn的总累积量最大，而Mn则在紫花苜蓿叶片中累积最多，占植物中总累积量的42.47%，而根际微生物也对植物修复起了辅助强化作用，其中的Cu与细菌总数有着相关系数为0.90的相关关系。

2.2 植物-根际菌根真菌联合修复 菌根是一个微生物团，主要包括真菌、放线菌、固氮菌，是在植物根际发现的有助于植物生长的菌丝团，是土壤中的微生物与根系形成的联合体[19-20]。菌根表面微生物形成的菌丝大幅度增加了根系吸收面积，而菌根真菌是处理重金属的主要部分，真菌的酸溶、酶解能力使得它们能为植物提供了一部分营养物质，增加了植物的长势，同时改善根际土壤环境，增加了植物抗虫、抗逆的生存能力[21]。菌根真菌在自然界分布广泛，一般来说，重金属污染区域的菌根植物根际的真菌对重金属会有着强的耐受力，也可从未受重金属污染土壤中分离菌根真菌再进行筛选强化。李芳等[22]选了未受重金属污染的点柄粘盖牛肝菌、卷缘桩菇2种外生菌根真菌，研究二者对Pb、Zn、Cd的耐受性，发现卷缘桩菇比点柄粘盖牛肝菌更耐受Pb、Zn的毒害，点柄粘盖牛肝菌则对Cd有更强的耐受性。

2.3 植物-植物内生菌联合修复 植物内生菌（Endophytes）是指那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官体内或细胞间隙的真菌和细菌，被感染的宿主植物不表现或暂时不表现外在病症[23]。内生菌通过代谢作用利于宿主植物的生长和抗重金属毒性，可通过沉淀重金属离子、产有机酸和蛋白降低植物毒性、产生促进植物生长的植物激素、抗氧化系统抵御重金属毒性、增强植物对营养元素的吸收能力等来强化植物修复[24]。万勇等[25]通过在龙葵种子中接种来自龙葵的抗性内生菌（S.nematodiphila，LRE07）来处理污染土壤，对龙葵富集镉浓度没有显著影响，但极大地促进了植物的生长量，间接地提高了植物对镉的总富集量，在10μM镉浓度下，植株镉富集量比对照组增长了（72±5）%。Sheng等[26]将来自油菜根部的内生菌P.fluorescens G10、Microbacterium sp.G16接种于铅污染土壤，极大地提高了土壤中可溶态铅的含量，有利于植物对铅的富集吸收。Badu等[27]将从欧洲赤松根部内分离得到的抗性菌苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis，GDB-1）接种于赤杨皮树苗体内，用以处理污染土壤，发现相对对照组赤杨皮树根部重金属浓度分别提高了154%（Ni）、135%（Cd）、120%（Zn）、117%（Pb）、114%（Cu）、113%（As），茎部重金属浓度分别提高了175%（Ni）、160%（Cd）、137%（Zn）、137%（Pb）、161.1%（Cu）、110.1%（As）。

2.4 植物-其他微生物联合修复 除了以上3类联合，可以和植物联合修复底泥/土壤重金属污染的微生物还包括产酸微生物、基因工程菌等。杨卓等[28]利用印度芥菜与能产生有机酸、柠檬酸的巨大芽孢杆菌-胶质芽孢杆菌、黑曲霉混合制剂来修复Cd、Pb、Zn污染的土壤，添加巨大芽孢杆菌-胶质芽孢杆菌混合制剂时，污染土壤中印度芥菜对Cd、Pb、Zn的提取量分别提高了1.18、1.54、0.85倍，污染底泥中印度芥菜对Cd、Pb、Zn的提取量分别提高了4.00、0.64、0.65倍；添加黑曲霉时，污染土壤中印度芥菜对Cd、Pb、Zn的提取量比对照提高了88.82%、129.04%、16.80%，污染底泥中印度芥菜对Cd、Pb、Zn的提取量比对照提高了78.95%、113.63%、33.85%。在基因工程菌的研发方面，Lodewyckx等[29]将植物内生菌的抗性基因ncc-nre耐镍系统接种到Burkholderia cepacia L.S.2.4，再将B.cepacia L.S.2.4接种到羽扇豆（Lupinus luteus），发现根部的镍浓度比对照提高了30%。

3 研究展望

植物-微生物联合修复技术中能用于单一重金属或有机物污染底泥/土壤的植物修复相对较多，多种重金属和重金属与有机物的复合污染的植物修复则相对较少。目前已发现的重金属超积累植物大都为单一重金属的超积累植物。超积累植物存在着个体矮小、生长缓慢、根系扩张深度有限、对重金属有选择性、从根部到茎叶的重金属转移率较低等缺陷。而微生物对影响生长代谢的生物因子均有一定的耐受范围，超出范围微生物易死亡或休眠，因此在联合修复中还应根据微生物的需要，对环境因子做出相应的调整，使微生物的代谢活动处于最佳状态。

在实际利用植物-微生物联合修复重金属污染土壤时，“植物-微生物”联合体的选择至关重要。从目前来看，彻底解决底泥/土壤中的重金属污染问题还需要很长一段时间。为了加速改善这种状况，推进植物-微生物修复在重金属污染底泥/土壤实际修复中的应用，近期应该注重以下几个方面的深入研究：（1）对植物-微生物不同联合形式修复底泥/土壤中重金属吸收、转运、忍耐机制进行深入研究；（2）寻找能缩短修复周期、增强植物生长量、解决植物植株矮小等问题的手段；（3）针对超累积植物处理重金属种类单一的缺点，应加强对能同时修复多种重金属的陆生、水生、湿生植物品种的筛选培育；（4）利用基因工程、分子技术研制适用于植物微生物联合体系的微生物的筛选研发，同时加强对底泥/土壤中土著微生物方面的研究；（5）尽快探索出能解决接种微生物与土著微生物竞争及适应性问题的方案。

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