豆科植物修复土壤重金属污染研究进展

黑泽文，向慧敏,2,3，章家恩,2,3,*，梁开明

1.华南农业大学资源环境学院生态学系,广州 510642

2.农业部华南热带农业环境重点实验室,广州 510642

3.广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心,广州 510642

4.广东省农业科学院水稻研究所,广州 510640

0 前言

当前,随着工业化和城市化进程的加剧,大量含有重金属的废弃物通过各种途径进入到土壤中,对环境造成了严重的破坏。目前,对修复土壤重金属污染的方法主要有物理修复、化学修复和生物修复[1],但物理修复和化学修复会对土壤的生物多样性造成损害并带来环境污染,而生物修复方法是一种环境友好型的修复方式。其中生物修复中的植物修复因其成本低且具有原位修复的特点而成为一种被广泛应用的修复方式[2]。

豆科植物(Leguminosaesp.)为双子叶植物,乔木、灌木、亚灌木或草本,直立或攀援,常有能固氮的根瘤,约有650 属,18000 种,广布于全世界。豆科植物在中国有172 属,1485 种,13 亚种,153 变种,16 变型,各省区均有分布。根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染是一类植物-微生物相结合的良好修复方式[3]。一方面与豆科植物共生的根瘤菌可以固定并改变土壤中重金属的形态,降低土壤重金属污染;另一方面根瘤菌具有固氮作用,可恢复土壤养分。因此,采用根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染,可以达到既修复土壤重金属污染又恢复土壤肥力的效果。近年来,利用根瘤菌-豆科植物联合修复土壤重金属污染已成为重要的研究热点问题之一[4-6]。本文综述了中国具有土壤重金属污染修复潜力的豆科植物、根瘤菌-豆科植物联合修复土壤重金属污染的机理以及根瘤菌-豆科植物联合修复土壤重金属污染的研究进展,以期为今后利用根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染的研究和实践提供一些参考。

1 中国具有潜力修复土壤重金属污染的豆科植物

土壤重金属对豆科植物的危害表现在多个方面。首先,重金属对豆科植物的结瘤产生影响[7],重金属抑制豆科植物根毛卷曲,从而导致根毛萎缩,根毛总数下降,使根坏死,根尖肿胀,最后导致豆科植物结瘤数目下降[8]。其次,在重金属污染环境条件下,豆科植物的固氮能力也会受到影响,如菜豆在含重金属(Ni、Pb、Cd 和Al)的粉煤灰胁迫条件下,根瘤细胞氧化还原压力升高,豆血红蛋白分解,固氮酶活性降低,进而影响植物的固氮能力[7],最终导致植物体内的氮含量下降,从而影响菜豆的生长[9]。其次,重金属污染会影响豆科植物根系对土壤中水分和养分的吸收,重金属通过抑制豆科植物根系的伸长,从而对豆科植物对水分和养分的吸收、运输和利用产生限制[10-11]。最后,重金属污染会对豆科植物的光合作用产生影响,重金属经豆科植物吸收运输至叶片时,阻碍了叶绿素的合成,从而降低豆科植物的光合作用[12]。

通常豆科植物在受重金属污染的土壤中难以生长,但由于其根瘤菌的存在,可缓解重金属对其自身的危害。根瘤菌不仅可为豆科植物提供氮素,而且还可通过合成铁载体和植物激素、溶解无机磷、降低乙烯水平与抑制植物病害等多种方式来促进豆科植物的生长[13]。利用豆科植物修复土壤重金属污染,不仅要考虑豆科植物对重金属的耐受性,而且应考虑被污染土壤所处的地理环境因素是否适合豆科植物生长。以下列举了中国具有土壤重金属污染修复潜力的一些豆科植物(表1)。从表1可以看出,目前我国具有土壤重金属污染修复潜力的豆科植物约有25 种,主要分布在陕西、江西、安徽和湖南,这些豆科植物对Pb、Zn、Cu、Fe 等重金属具有较高的耐性。

2 豆科植物-根瘤菌共生体系修复土壤重金属污染的研究进展

2.1 根瘤菌对土壤重金属污染修复的作用机制

(1)根瘤菌对重金属的抗性及相关机制。根瘤菌对重金属污染具有一定的抗性,其机理主要表现在以下几个方面。首先,根瘤菌的外层屏障直接阻碍重金属离子的进入,外层屏障中含有胞外多糖、脂多糖、荚膜多糖、糖蛋白等附属结合物,这些物质可以和重金属络合,从而降低进入细胞内的重金属含量[31]。其次,若重金属进入细胞内时,根瘤细胞可以使重金属与细胞溶质螯合、液泡分隔重金属以及胞蛋白与重金属络合,减少重金属对细胞的毒害作用[32]。再者,根瘤菌含有抗重金属基因,通过这些基因的表达可将重金属排除至细胞以外[18]。有研究表明,S.Mesorhizobium amorphaeCCNWGS0123 的基因组上存在cusAB 和copA 两个抗Cu 基因,当基因表达后,copA 将细胞质中的Cu 转运到细胞的壁膜间隙中,然后通过cusAB 将细胞壁膜间隙中的Cu排出细胞[34];Mesorhizobium metaliduransSTM 2683T和Mesorhizobium sp.strainSTM 4661 中含有一些参与Zn 和Cd 外排的基因,可将 Zn 和Cd 排出细胞[35];S.meliloti Alfl2 菌株存在与抗As 有关的基因arsB,细胞可以通过膜通道蛋白将As 大量排出细胞并将As 富集在细胞壁上[36]。

(2)根瘤菌对土壤重金属的解毒作用。其机理主要表现在三个方面:①根瘤菌可以与土壤中重金属结合,固定土壤中的重金属[31];②根瘤菌在土壤中可分泌有机酸、氨基酸等物质,改变重金属在土壤中的形态,使重金属转换为低毒性的形态,如有些根瘤菌可分泌还原性物质谷胱甘肽,减轻了重金属Cd 对自身细胞的毒害[37];③根瘤菌可以改变重金属在土壤固相组分中的分布,通过改变土壤固相组分中的重金属向土壤溶液中释放的数量,进而降低重金属在土壤中的活性,起到对土壤重金属污染的解毒作用[38]。

表1 中国具有土壤重金属污染修复潜力的豆科植物 Figure1 Leguminous plants with potential for remediation of heavy metals polluted soil in China

2.2 豆科植物对土壤重金属污染修复的作用机制

豆科植物修复土壤重金属污染,主要分为根系固定和植物提取两个方面。

(1)根系固定。大多数豆科植物都可以将重金属固定在根系细胞内,使重金属与植物细胞内的谷胱甘肽、金属硫蛋白、有机酸、组氨酸、烟碱酸等分子螯合并储存在根系液泡中,远离植株地上部的生理反应,减少对植株的毒害[39-41]。豆科植物将重金属固定在根系中,防止重金属在土壤中移动,属于植物固定的修复方法[13],如大豆在Al 胁迫的条件下,分泌柠檬酸、氨基酸、异黄酮、总酚酸和无机离子等物质,缓解Al 对大豆的毒害效应,使铝离子以Al-苹果酸和Al-柠檬酸复合物的形态存在,减轻重金属对土壤的污染[32]。

(2)豆科植物地上部对重金属提取。当重金属被根系固定后,其中一部分重金属被植物转运至地上部,通过收获豆科植物地上部将重金属转移出土壤。例如,对于可对Cd 和As 污染土壤进行修复的豆科植物羽扇豆而言,只有在Zn 污染的酸性土壤中,羽扇豆积累的重金属才会超过食草动物的阈值上限,否则不会对食物链产生威胁[13]。因此,豆科植物吸收重金属并转移到茎是一种良好的修复方式。但若重金属被固定提取到豆科植物的根系,则不能达到将重金属移出土壤的目的[42],这是因为根系回收困难,并且加大了投入的人工成本。

2.3 根瘤菌-豆科植物共生体系联合修复土壤重金属污染的研究进展

根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染属于微生物-植物共同修复土壤污染的一种优良方式。该方式已得到广泛的研究,目前国内外关于此方面的研究与应用主要集中在以下三个方面:

(1)研究利用根瘤菌-木本豆科植物共生体系修复土壤重金属污染。由于木本豆科植物生物量大,能提取更多的土壤重金属,樊妙春[13]采用刺槐对铅锌矿区土壤重金属污染进行修复,发现了刺槐体内存在对3 种重金属(Cu2+、Zn2+和Cd2+)具有抗性的根瘤菌,对修复土壤重金属污染起到了良好的效果。张志权[16]对在铅尾矿上定居的木本豆科植物银合欢研究后发现,80%重金属Pb 累积在银合欢的根和茎中,利用木本豆科植物银合欢可较好地修复土壤重金属污染。曾晨园[15]利用国槐、红花合欢和山合欢三种木本豆科植物对铜尾矿矿砂进行修复后发现,三种植物均对Cu 有较高的耐性和吸收能力。

(2)研究利用根瘤菌-生物量大的豆科植物修复土壤重金属污染。朱赛勇[43]采用苜蓿、大豆、豌豆3 种豆科植物和玉米进行混播对受重金属污染的农田土壤进行修复时发现,采用玉米大豆混播不仅达到了饲料安全的标准,保证了经济效益,而且提高了植物对Cu、Zn 的提取效率。李华娟[44]采用草木犀、紫花苜蓿、白花三叶草三种豆科植物对煤矿废弃地重金属污染区进行修复,不仅降低了土壤的污染强度,而且提高了土壤的肥力指数。李娟霞[21]利用紫云英对铜尾矿矿砂进行修复的过程中发现,紫云英可利用其快速生长的特性进行铜尾矿环境的恢复。

(3)研究豆科植物接种重金属的高抗菌修复土壤重金属污染。对豆科植物接种抗重金属根瘤菌和丛枝菌根,来增强豆科植物对重金属的抗性,从而缓解重金属对豆科植物的危害。Wani 等[9]对绿豆接种根瘤菌Bradyrhizobiumsp.(vigna)strain RM8 后,发现可以保护绿豆免受重金属Ni 和Zn 的危害,而且减少了绿豆体内重金属的含量。Ones 等[45]对白羽扇豆接种抗 Hg 根瘤菌Bradyrhizobium canariense(L-7AH)后,发现白羽扇豆可以耐受更高浓度的Hg危害,而且其根与根瘤中也积累了更高浓度的Hg。Guo[46]对大豆接种抗 Cd 根瘤菌Bradyrhizobium sp.YL-6,提升了豆科植物的光合作用,降低了大豆体内Cd 的含量,阻止了重金属向食物链中的传递。卢明媚[47]对天蓝苜蓿接种对多种重金属具有抗性的苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)CCNWSX 0020,促进了天蓝苜蓿对Cu 和Zn 的吸收。当前,分离对重金属具有抗性的根瘤菌已成为当下的研究热点并已取得了一定成果,现已分离出多株对重金属具有抗性的根瘤菌[9,48]。

此外,对豆科植物接种丛枝菌根也可以增强豆科植物对重金属的抗性。陈秀华等[49]在对Cu 污染条件下的豆科植物紫云英接种丛枝菌根,发现丛枝菌根促进了紫云英对土壤养分的吸收,提高了紫云英对Cu 的抗性。郭伟[50]对尾矿上的大豆接种丛枝菌根,发现丛枝菌根和大豆形成了良好的互利互惠关系,促进了大豆的生长,并降低了大豆体内重金属的浓度。刘逸竹[51]对紫云英接种丛枝菌根后,促进了紫云英的生长以及增加了紫云英对As 的抗性。

3 豆科-禾本科间作以及豆科与非豆科植物复合种植对修复土壤重金属污染的影响

豆科-禾本科间作是我国农业中应用非常广泛的种植方式之一,在间作体系中,不仅充分利用了环境中的光照、水分等气候资源,同时也促进了禾本科和豆科植物的生长,同时将此种体系应用于重金属污染土壤的修复中,也可以起到修复土壤重金属污染的效果[52]。例如在豌豆和大麦间作的实践中,相比于单作,大麦根系分泌物质促进豌豆对重金属的吸收,使豌豆在间作中地上部分吸收的重金属更多[53]。在羽扇豆、鹰嘴豆和玉米间作的实践中,间作方式的不同,玉米地下部对重金属铅的吸收也不同[54]。此外,苜蓿与黑麦草的间作也有效提高了两种植物对Pb、Cd、Zn 的吸收[52]。由此可见,禾本科-豆科植物间作对重金属的修复是一种“边生产边修复”新型的方法。

利用豆科与非豆科植物复合种植对土壤重金属污染进行修复,不仅恢复了土壤养分,提高了生物多样性,而且促进了生态系统的平衡和发展[55]。曾晨园[15]采用黄山栾树与刺槐、国槐和山合欢三种木本豆科植物复合种植对铜尾矿矿砂进行修复后发现,复合种植相比于单一种植提高了植物对重金属的抗性以及对重金属的富集。周少燕[24]采用黄菖蒲与紫花豌豆、紫红豇豆和紫扁豆三种豆科植物复合种植后发现,黄菖蒲和紫花豌豆复合种植对铜尾矿矿砂修复能力最强。韩煜等[55]在利用7种不同植被修复模式对铜矿排土场进行修复的过程中,基于物种多样性、土壤养分和重金属含量综合评价后得出采用刺槐-田菁-苘麻-狗牙根修复效果最好,四种植物中刺槐和田菁均为豆科植物。因此,采用豆科和非豆科复合种植模式对土壤重金属污染进行修复可以达到良好的修复效果。

4 根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染的前景及展望

利用根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染,不仅利用了根瘤菌对重金属的抗性和解毒特性,也利用了豆科植物对土壤中重金属固定、提取的特点,是一种生态修复方式。自然界中存在很多豆科植物,重金属污染可以对很多豆科植物产生危害,但仍有一部分豆科植物对重金属具有抗性,甚至可以吸收重金属转移至地上部,进而对土壤重金属污染进行修复,因此利用根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染具有一定的应用前景。在我国,已发现了很多可以对土壤重金属污染进行修复的豆科植物。但目前能够有效富集土壤重金属的豆科植物大多为木本豆科植物。

因此,今后需加强以下几个方面的研究:(1)进一步筛选修复土壤重金属污染的超富集豆科植物;(2)进一步探寻能对土壤重金属污染进行高效修复的根瘤菌-豆科植物共生体系;(3)从分子水平上研究根瘤菌-豆科植物共生体系对土壤重金属污染修复的分子机制。同时,深入研究根瘤菌-豆科植物共生体系对重金属污染下土壤特性及微生物群落变化的影响,为根瘤菌-豆科植物共生体系修复土壤重金属污染技术应用提供相关科学依据;(4)开发研究新的豆科-禾本科间作体系以及豆科-非豆科植物复合种植体系,以提高对土壤重金属污染的修复效果。