根际土壤丛枝菌根真菌对重金属积累影响的研究进展

陈剑芬　卢小静　曾碧健　龚玉莲　梁维芳　邓彩虹　林文婷　李莉

摘 要：根际土壤丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）影响宿主植物对重金属吸收主要有三种效应：缓解效应、抑制效应和转换效应；其影响重金属吸收效应与AMF的种类相关，不同AMF种群组合的影响效应会有偏差；同时，植物种类、种植密度和生长环境的差异，也会引起AMF对重金属影响效应的不同。总结根际土壤AMF对重金属影响及应用的研究概况，为开展AMF相关试验提供参考。

关键词：根际土壤 丛枝菌根真菌（AMF） 重金属

土壤重金属污染已成为破坏世界生态环境的元凶之一。由于人类处于食物链的顶端，土壤重金属可通过动植物的富集作用而进入人体，危及人类健康，所以防治和修复土壤重金属污染问题也成为科学家们重点关注的对象之一。目前，土壤重金属污染修复有以下几个特点：一是土壤重金属污染修复技术主要停留在传统修复技术上，即利用物理、化学修复方法进行修复[1]，虽然传统修复被广泛应用，但存在成本高、难操作的问题，并会对生态环境造成一定的破坏，甚至存在二次污染等问题[2]。二是低成本、易操作、无二次污染的修复方法——生物修复，尤其是植物修复，被人们挖掘并重视，由于这种方法对重金属污染的土壤，可以利用超富集植物进行修复，使得生物修复技术相较于传统修复技术更能显示出良好的应用前景[3]。但植物修复尚不能摆脱生物量小、植物生长速度慢、修复效率偏低的弊端，导致出现修复效率低，修复时间长等问题[4]。三是土壤微生物修复，特别是根际微生物愈加被重视，这种修复方式不仅能促进植物吸收和利用土壤中的养分，还能分泌改變重金属形态的活性物质，影响植物根部对重金属的吸收，提高植物对重金属污染土壤修复的效率[5]。因此，植物-微生物联合修复方式逐渐成为土壤重金属污染修复的研究热点之一。

丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是专性活体营养共生的菌物，需要与宿主植物形成共生关系，且AMF不能纯培养，其起源和演化都相对较独立，只有与活体植物根系建立共生体系后的AMF才能生长繁殖[6]。丛枝菌根（Arbuscular Mycorrhizal，AM）是指AMF与植物根系所建立的互惠共生体。经过百年来的研究发展，越来越多的根际土壤AMF被发掘，AMF的分类也从最初的简单系统分类雏形发展到复杂详细的系统分类。近年来，有关学者对球囊霉门系统进行了调整，形成了包含3个纲5个目14个科26个属的最新分类系统[7]。

AMF广泛分布于生态系统中，可以和地球上的绝大多数陆生植物形成共生关系，有利于宿主植物生长繁殖，对植物吸收积累重金属有重要影响。在重金属污染条件下，AMF能直接或间接改善植物生理代谢和生长情况，增加生物量，影响植物对重金属的耐受性，调节土壤微环境，降低重金属的有效性，提高土壤重金属污染修复率[8]。利用AMF与富集植物形成的菌根可以减轻重金属向植物地上部吸收和转运，达到减缓重金属对植物毒害作用，并且，利用AMF对重金属污染的土壤进行修复还具有低成本、易操作、无二次污染的优点，因而对重金属污染土壤的生物修复具有相当大的发展空间。同时，利用AMF修复被重金属污染土壤亦成为新的研究领域和热点[9]。本文着重从根际土壤AMF影响重金属的几种效应以及根际土壤AMF的应用，总结归纳目前根际土壤AMF研究概况，为开展筛选AMF，研究影响作物重金属累积效应的试验提供技术支撑和理论支持。

1 AMF影响重金属的几种效应

关于根际土壤AMF影响重金属的效应主要有以下几种说法：一种认为根际土壤AMF促进某些植物的根对重金属Cd、Zn、Co、Pb等的吸收且抑制重金属向植物地上部运输，降低重金属在植物体内积累[10]，同时AMF促进植物分泌抗氧化的物质降解金属或者改变重金属的化学形态，降低其生物有效性，从而达到缓解重金属对植物的毒害作用[11]；另一种认为是植物对重金属的吸收与根际土壤AMF的种类有关[12]。根际土壤AMF对植物吸收重金属有影响，影响程度与植物的种植密度、生长环境密切相关[11]。而无论根际土壤AMF影响重金属的效应是哪种说法，其结果都是影响宿主植物对重金属的吸收作用。

1.1 AMF影响宿主植物吸收重金属的效应

根际土壤AMF与宿主植物形成菌根后，具有阻碍某些重金属进入根部的作用，主要体现在AMF自身分泌物与重金属离子络合，降低重金属毒害作用；也有促进某些植物的根对重金属Cd、Zn、Co、Pb等的吸收且抑制重金属向植物地上部的转运的作用[13]，从而降低重金属在植物地上部的积累效应；菌根的分泌物使重金属元素进行化学形态转换，免除重金属对植物的侵害作用。

1.1.1 缓解效应

AMF阻止重金属进入植物根部，促进植物分泌水杨酸、多胺等物质在植物体外降解重金属，从而达到缓解重金属对植物的毒害作用的效应被称作“缓解效应”。AMF能通过自身向土壤中分泌的粘液、聚磷酸盐、有机酸等与重金属离子结合[14]；另外，根际土壤AMF，特别是球囊霉属和无梗囊霉属，能够促进植物分泌如水杨酸、多胺（Polyamines，PAs）等缓解重金属毒害作用的物质[15]。其中发挥最重要作用的多胺[16]，在其生物代谢过程中可产生低分子量脂肪族含氮碱，这种含氮碱具有生理活性，不但能抑制乙烯的合成，促进植物生长，而且还能降解重金属对植物的毒害作用而不发生二次污染[17]。同时，AMF能促进多胺分泌抗氧化的物质[18]，保护植物细胞生物膜，防止重金属破坏植物细胞超微结构，避免重金属在植物体内积累。缓解效应降低了重金属对土壤的毒害作用，让植物组织免受重金属对其造成的伤害[19]。在沈阳矿区重金属污染土壤中，发现轻度污染的土壤中AMF具有较高的种群多样性，高度污染土壤中种群多样性下降[20]。在秦岭凤县铅锌矿区、珠三角地区、环渤海地区以及各地工矿业废弃地亦发现有相同情况。

1.1.2 抑制效应

AMF在土壤中能形成庞大的根外菌丝网络， 其表面具有较强的吸附作用[19-21]，丛枝菌根正是通过菌丝的吸附作用将重金属离子固定在根部，以达到抑制重金属向植物地上部运输的作用，这就是“抑制效应”。不同类群的AMF对金属离子的抑制效果不同，同种AMF对不同的金属离子的抑制效果也会有区别。同样，当重金属离子浓度过大对AMF菌丝的生长繁殖也会出现较缓慢的反抑制作用，降低AMF对重金属离子的抑制效应。Lins 等（2006）也发现接种幼套球囊霉（Glomus etunicatum）的银合欢植株地上部分Cu含量比不接种处理低[22]。长喙田菁、田菁和紫花苜蓿接种 AMF后，根中 Cu、Zn、Pb 和 Cd 的含量相比地上部分显著提高[23]。黄晶等（2012）发现，在重金属污染土壤中接种AMF 仍可明显提高紫花苜蓿的生物量，尤其是植株地上部生物量，其实验中供试 8种AMF 中有 7 种接种处理使紫花苜蓿地上部 Cd、Zn 的含量降低，而 8种AMF 接种处理使紫花苜蓿根部 Cd、Zn 的含量和积累量都明显增加[19]。以上结果说明AMF对重金属进行了固定、隔离，减少了重金属向地上部分的转移。

抑制效应还与植物的生物学特性、AMF自身对重金属的耐受性、丛枝菌根的浸染率、AMF的种类、重金属的污染程度、根系密度等多种因素有关。

1.1.3 转换效应

重金属生物有效性受重金属种类及化学形态影响，形态不同重金属的稳定性和毒性也不同，其中水溶态和交换态最易被植物吸收，生物有效性高。许多研究表明，接种AMF可以改变植物根际土壤中重金属的化学形态，根际土壤AMF能通过自身及菌根分泌物将某些重金屬元素进行化学形态转换[24]，降低其生物有效性，或使某些重金属元素不能被植物根系吸收，免除重金属对植物的侵害作用。球囊霉素[25]可能通过结合重金属进而改变重金属形态，从而影响植物对重金属的吸收。水溶性As代表着土壤中最能被生物利用、最具环境风险的As形态，且也代表着土壤溶液中含有的As，一般来说在土壤溶液中该形态的As含量通常较低[26]。夏运生（2008）认为接种AMF主要是通过降低土壤水溶性As及地上部As含量，并增加P的吸收而提高植株P、As比而改善植物生长状况[27]。

丛枝菌根对宿主植物根际土壤重金属形态的影响与宿主植物及菌根真菌种类相关。如 Leung等（2010）发现，在有磷矿石的情况下，土著菌根真菌和球囊霉（G. mosseae）联合接种促使蜈蚣草根际土壤中的 Ca-As结合态As向Fe-As结合态和Al-As结合态转化，提高了As 的生物有效性，而促使狗牙根根际土壤中Fe-As结合态、Al-As结合态及水溶态 As向Ca-As结合态As转化，降低了As的生物有效性[28]。此外，丛枝菌根也能通过改变根际土壤微生物群落结构及物理化学性质间接影响重金属形态。也有研究表明，丛枝菌根能够提高根际土壤pH，进而影响重金属化学形态及其生物有效性[9]。

1.2 AMF的种类影响重金属吸收的效应

大量实验研究发现，植物对重金属的吸收与根际土壤AMF的种类有关[29-31]，不同AMF种群的组合也会对重金属的吸收效应造成偏差。据研究，从重金属的轻度污染到中度污染，再到重度污染的情况下，AMF的种群出现不同的变化[31-33]。轻度污染条件下，绝大多数的AMF均有分布；中、轻度污染中无梗霉囊属、内养囊霉属和球囊霉属表现出较大的优势群种，特别是球囊霉属；重度污染的土壤中未出现过无梗囊霉属和盾巨孢囊霉属，但能发现少量的球囊霉属和微量的其它种属，这也表明球囊霉属适应性较强，属多见类群。其中，中轻度重金属污染条件下，接种球囊霉属的修复效应是最佳的，接种无梗囊霉属和内养囊霉属次之，盾巨孢囊霉属修复效应排第三，其它的种属没有明显的差异性，但各种属间或同一属间组合不同效应也会有所偏差，目前没有研究表明哪种组合修复效果最佳。例如：重金属污染条件下，对紫羊茅根、三叶草接种球囊霉属的三种AMF（G. intraradices、G. mosseae和G. caledordinum），发现紫羊茅根和三叶草地上部的干重没有明显的变化；但是只接种其中一种或两种干重则出现较明显的偏差[34]。这说明前者菌根阻止了大部分重金属向植物地上部运输，后者有部分重金属转运至植物地上部。土壤重金属重度污染条件下，AMF影响重金属的效应并不明显。

1.3 其他效应

植物种类、种植密度、植物生长环境等的不同，可能使得AMF对重金属的影响效应不同。根际土壤AMF对宿主植物并没有表现出严格的专一性，并且AMF对宿主植物具有一定的选择性[32，35]。能与AMF快速形成共生关系的植物大多是多年生草本植物和一年生植物[36-37]，比如：烟草、玉米、高粱、百喜草等。烟草能与大多数球囊霉属和少量的无梗囊霉属的AMF形成共生关系，但是不能与巨孢囊霉属、盾巨孢囊霉属的AMF形成共生关系。玉米能与较多种类的球囊霉属和少量的无梗囊霉属、巨孢囊霉属、盾巨孢囊霉属的AMF形成共生关系。植物种类不同及其生理代谢、根系形态结构与分泌物等方面的差异，也会使植物与AMF形成的不同的菌根，从而对重金属积累造成不同的效应。

作物不同的种植密度对AMF的生长繁殖也有一定的影响，不合理的种植密度会抑制AMF的生存[38]；同样，植物的生长环境对AMF的种群发展具有较大的影响[39-40]，例如干旱或荒漠地区，往往能够分离出具有耐旱能力的AMF，而含盐量较高的地区能分离出具有耐盐能力的AMF。

2 根际土壤AMF的应用

2.1 AMF在利用植物提取重金属中的应用

对于植物提取，AMF可以在以下几个方面发挥作用[41]：（1）AMF促进植物生长，增加植物生物量尤其是地上部生物量；（2）AMF可能提高或者降低植物体内尤其是地上部分某些重金属的浓度，而此时AMF所增加的生物量往往抵消了这一负作用，从而使重金属吸收量增加；（3）对于重金属耐性差而污染严重的土壤来说，提高植物的存活率也是AMF的一个重要作用。土壤中存在的微生物、细菌、腐生真菌也有可能与AMF起到协同作用，协助植物提取。（4）对于不同的生长环境，要选择该地区的优势种AMF才能更好地修复重金属污染的土壤，如干旱地区要选择耐旱性强的AMF。

2.1 AMF在利用植物稳定土壤中重金属的应用

AMF大多可以通过球囊霉素的螯合作用和菌丝的固持作用等固持重金属、抑制有毒重金属向植物地上部分转移，防止其进入食物链或地下水，达到减少污染与危害。Rufyikiri等（2004）发现AMF根外菌丝可以固持233U [42]。AMF的根内组织可以积累Cs， 同时减少其向菌根内的转运。所以，放射性污染土壤的植物稳定过程中可以应用AMF。事实上，在重金属污染的土壤中广泛含有抗重金属的AMF，但是它们也会受到宿主植物的种类、土壤环境的变化、AMF本身对植物的侵染能力、菌丝的生长以及矿质元素的运输等因素的影响，因此在应用时要结合这些因素去考虑利用AMF。

3 展望

根际土壤AMF在重金属污染修复起到至关重要的作用，也成为现今生物修复的重点研究对象，但在实际应用中尚存在某些不足：①土壤AMF能修复重金属污染的同时，重金属对其孢子和菌丝生长也具有抑制作用[43]，可能使其侵染率下降，也可能影响AMF种群多样性；②菌根类型的形成与环境条件相关，可能影响某一植物和AMF的形成，并限制AMF数量的发展，甚至减少根际土壤AMF的种类，例如在极端干旱胡杨的根际土壤AMF研究中，出现耐重金属的AMF与超积累植物之间难以形成菌根的问题；③根际土壤AMF对宿主植物并没有表现出严格的专一性，并且AMF对宿主植物具有一定的选择性[29]，这就导致能与某一宿主植物形成菌根的土壤根际AMF往往种群不同或不多。受以上各方面的制约，使得菌根植物的重金属污染修复范围难以得到扩大。菌根在重金属污染修复中受到较大限制，不能达到最佳修复效果。

综合以上各种问题和研究，对菌根修复技术进一步探讨：

（1）研究探索AMF的种属有没有与特定重金属有对应关系。利用好特定重金属与AMF种属的关系，提高对重金属的修复效率和效果；同时应加大AMF菌种资源开发，筛选适应不同复合逆境下的优良AMF，建立适合矿区废弃地及荒漠等恶化生态系统的菌种资源库。

（2）针对不同的环境类型，探究AMF的种属与特定植物种类有没有对应关系。AMF不能与所有的植物建立共生关系，与宿主植物存在一定的相互选择性，且土壤环境对菌根的共生效应的影响较大。共生菌根在不同环境条件下，存在增加、无影响、甚至降低植物体内重金属含量的不同效果。

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