2020污染土壤的生物修复专刊序言

李银心

中国科学院植物研究所 植物分子生理学重点实验室，北京 100093

土壤是生态系统的基本要素，也是人类赖以生存的物质基础。近几十年来，随着工农业的持续发展，导致不同类型的有机化合物如除草剂、杀虫剂、芳烃等和重金属进入土壤并积累，造成土壤污染[1]。这些污染使土壤降低或丧失生产力，危及农产品、地下水和人居环境安全，甚至通过生物链的传递和迁移，威胁动物和人类自身的健康。目前，土壤污染已遍布五大洲，成为全球性的严峻问题。为降低污染物对土壤环境的危害，应从污染源头加以控制、减少有机化合物和重金属等污染物进入土壤，与此同时，开发经济有效的针对污染土壤的修复技术。

重金属污染是目前土壤污染中最突出的问题之一。国家环境保护部和国土资源部2005–2013年对全国土壤污染状况的联合调查显示，占调查点位总数16.1%的点位土壤受到不同程度的污染，而其中 82.8%是以镉 (Cd)、汞 (Hg)、砷 (As)、铜 (Cu)、铅 (Pb)、铬 (Cr)、锌 (Zn)、镍 (Ni) 8种重金属污染为代表的无机污染类型[2]。重金属污染土壤的修复包括物理化学修复和生物修复。生物修复技术是利用生物 (包括动物、植物和微生物) 的代谢功能，对污染物进行吸收、降解、转化或者清除，实现环境净化，生态恢复[3]。与传统的物理化学修复方法相比，生物修复技术具有无二次污染、成本低、操作维护相对简单等优点，是一种环境友好的修复技术[4]。因此，在污染土壤修复中得到广泛的应用。目前污染土壤生物修复的生物主要是植物，其次是微生物。现代生物技术尤其是基因工程和细胞工程的飞速发展和应用，使生物处理具有更高的效率、更低的成本和更好的专一性，为生物修复技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景[5]。在此背景下，《生物工程学报》推出“污染土壤的生物修复技术”专刊，以集中体现本领域的发展动态和研究进展。本专刊共收录16篇文章，以重金属污染土壤生物修复为主线，分别从植物修复、微生物修复、联合修复、重金属吸收积累的相关分子机制、资源化再利用等方面，展示土壤污染生物修复技术的研究进展和发展趋势。

植物修复是利用绿色植物根系或茎叶来固定、吸收、转移、转化和降解污染土壤、水体和大气中污染物的环境技术总称[6-7]。自1983年，Scott等[8]提出运用植物去除土壤中的重金属污染，以达到修复土壤的目的。人们一直在探寻高效修复土壤的植物，即重金属超富集和富集植物。超富集植物具有很强的重金属耐性和超富集能力，能够在重金属污染土壤中正常生长。利用这些植物来吸收或者吸附积累重金属，可以达到从土壤中清除重金属的目的。目前，全世界范围内已发现对重金属超富集作用的植物有500余种，如As的超富集植物蜈蚣草Pteris vittataL.、Cd的超富集植物宝山堇菜Viola baoshaensis、Cr的超富集植物李氏禾Leersia hexandraSwartz、Mn的超富集植物商陆Phytolacca acinosaRoxb、Zn的超富集植物东南景天Sedum alfrediiHance、Pb的超富集植物圆叶遏蓝菜Thlaspi rotundiforlium[9-12]等。其中，蜈蚣草Pteris vittataL.是世界上第一种被发现的砷超富集植物，具有极强的砷吸收能力、高效的砷转运富集能力以及植物细胞对砷的高度抗性，因此是一种极为理想的修复土壤砷污染的植物[13-14]。在本专刊中，中国科学院植物研究所何振艳研究组综述了蜈蚣草超富集砷的组学研究进展，以及目前鉴定到的砷富集过程中的重要分子元件，深入阐释了蜈蚣草超富集砷的分子机制，并对未来的研究方向和趋势进行了展望。

近年来，盐分和重金属污染物的双重影响，严重威胁着盐碱地的开发利用与生产安全。绝大多数已发现的重金属超富集植物为甜土植物，其在盐土环境中难以正常生长，无法用于修复盐土重金属污染[15]。利用耐盐碱的盐土植物修复盐土重金属污染的研究逐渐引起人们的关注。中国科学院植物研究所李银心研究组和西安文理学院高天鹏团队展示了盐土植物修复重金属污染的相关研究成果。盐角草Salicornia europaeaL.是世界上最耐盐的真盐生植物，能够耐受 1 200 mmol/L NaCl的高盐度，李银心研究组以盐角草为材料，考察了不同浓度Cd、Pb、Li处理下其耐受及积累特性，证明盐角草对于盐渍环境中 Cd、Pb、Li三种金属均具有较强的耐受性与吸收积累能力，在修复高盐碱土壤的Cd、Pb、Li污染中具有应用潜力。碱蓬Suaeda salsa(L.) Pall.是另一种常见的耐盐碱的盐生植物，具有重金属耐受性，高天鹏团队分析了不同Cu、Ni单一和复合胁迫碱蓬种子萌发、芽期生理生化指标变化情况及其在野外条件下重金属富集和转移特征。结果表明，碱蓬可以作为矿区生态恢复和重金属污染修复的备选植物。

许多重金属污染物是通过水网系统从污染源(矿区、工厂等) 向土壤系统扩散的，因此，治理水源污染是解决土壤污染问题的重要环节。沉水植物作为水生态系统重要的初级生产者，其根茎叶都能累积重金属，在含As污水净化治理中具有应用潜力[16]。湖南科技大学陈国梁团队进一步研究证明常见的沉水植物 (苦草、狐尾藻、金鱼藻、黑藻) 对水体中的As有着较强的富集能力，他们详细分析了影响沉水植物富集As的因素，提出增强对As耐受性和富集能力的化学和生物方法，并讨论了现存问题以及今后的发展方向。

中国受重金属污染的农田中 Cd污染最为普遍[17]。面对Cd污染日趋严重的现状，利用Cd高积累植物结合配套技术对土壤进行修复，是我国农业安全、高效和可持续发展的迫切需要[18]。轮作和间作皆是我国传统的种植模式，具有提高土地利用率和生产效率，可以通过改变土壤性质，包括植物根系分泌物、土壤酶活性、土壤微生物和土壤pH值的变化，改变重金属在土壤中的生物有效性和迁移性，从而影响植物对重金属的吸收、提高土壤重金属污染的修复效率[19-21]。中国计量大学朱诚团队利用盆栽试验和大田试验将Cd高积累植物扫帚菜Kochia scoparia与4个白菜品种进行轮作，探究其对土壤重金属Cd的富集效率。结果表明，该轮作系统不仅增加了白菜产量，而且有效降低了白菜可食部位Cd含量，实现边生产边治理的绿色农业理念。该团队还以Cd相对高积累番茄 (中蔬4号) 和低积累玉米 (金珠蜜甜玉米) 为材料，通过单作、限制性间作、间作3种种植方式，探究间作对作物吸收重金属Cd的影响，旨在为利用间作模式修复土壤重金属污染和保障食品安全提供参考。此外，我国酸性土壤重金属包括Cd和Zn污染严重，危害农产品安全生产和人体健康[22-24]。Al毒常与土壤酸化相伴而生，限制作物的生长。土壤改良剂的施用可通过改变土壤性质，进而提高植物对土壤中重金属的修复效率。贵州大学刘鸿雁团队和中国科学院南京土壤研究所骆永明、吴龙华团队通过分别添加不同改良剂 (钙镁磷肥(CMP)、MgCO3、KH2PO4) 和不同浓度 CMP进行温室盆栽试验，探究不同改良剂对酸性土壤Al胁迫条件下 Cd和 Zn超积累植物伴矿景天Sedum plumbizincicola生长以及镉和锌吸取修复效率的影响。结果表明，酸性土壤上施用适量的CMP和MgCO3能够缓解伴矿景天的铝毒作用，维持较高的重金属吸收效率。

大多数重金属超积累植物生物量较小，使得吸收积累重金属的总量受到限制，选择一些生长周期短，具有较大生物量和较强重金属耐受能力，能够富集重金属的经济植物，成为近年来受到关注的方向。高生物量经济植物用于重金属污染土壤修复的同时，可兼顾生态和经济效益，因此具有较好的应用前景。贾伟涛在总结植物修复研究进展的基础上，综述了近年来高生物量经济植物在重金属污染土壤修复中的研究进展，探讨了改善高生物量经济植物修复重金属污染土壤效率的方法，为提高植物修复经济效益，促进植物修复广泛应用提供参考。

随着越来越多的植物被发掘并用于修复重金属污染土壤，进一步了解这些植物富集重金属的分子机制，对于植物修复污染土壤和提高植物修复效率具有十分重要的意义。中国科学院植物生理生态研究所龚继明团队和晁代印团队为本专刊提供了相关的进展报告。晁代印团队以土壤修复方式为起点，综述了重金属对生态环境的危害、重金属污染土壤的修复类型，以及从植物重金属转运蛋白、植物新型砷酸盐还原酶的克隆与功能和植物新型镉螯合肽及转运蛋白 3个方面详细阐述了植物吸收积累重金属以及解毒的相关分子机制研究进展，探讨了植物修复的发展现状以及趋势。龚继明团队通过构建酵母表达 cDNA文库筛选得到富集和耐受Cd的关键基因SpMT2，进一步通过酵母异源表达系统，并结合其在植物中的亚细胞定位和表达模式，解析了其介导Cd耐受性的机制。推测SpMT2可能在超积累植物伴矿景天Sedum plumbizincicola细胞质中螯合Cd，在降低Cd毒害的同时可能还保持Cd在细胞质中的流动性从而在Cd长途转运过程中也发挥重要作用。

在植物修复技术应用中，一个受到关注的问题是富集重金属的植物材料的后续处置和利用问题，这些植物材料如果处置不当可导致二次污染。植物采矿主要利用超积累植物高量吸收土壤中的重金属，并从中提取、冶炼金属产品，在修复污染土壤的同时实现金属的资源化。其中具有代表性的是 Ni的回收利用，在自然界广泛分布着自然风化的富Ni土壤。中山大学仇荣亮团队综述了近30年来，国内外Ni污染土壤植物采矿技术的发展过程和研究进展，指出植物采矿技术关键过程主要包括超积累植物镍高选择性根际环境响应、植物镍高效吸收转运以及生物质中镍高附加值资源化等过程，提出了系统开展超累积植物品种筛选、化学与微生物强化技术的研发、农艺管理调控技术的优化，以及生物质镍的有效分离提取等研究的建议和展望，为接下来植物采矿的科学研究和技术在全世界推广提供理论基础和技术指导。

微生物修复技术是利用土壤中微生物多种多样的代谢功能，通过创造适宜的环境条件，促进微生物的代谢功能，从而降解土壤中污染物的生物修复技术。微生物包括土著微生物和人工培养的功能微生物群。湖北师范大学汪劲松团队综述了产嗜铁素抗砷微生物在砷污染环境中的作用及其在砷污染修复中的应用潜力。为开发砷污染修复的微生物修复技术和农业用地土壤改良剂或重金属隔离剂提供一些思路。

许多研究表明植物、微生物和动物在土壤修复中存在着相互促进的作用。在植物-微生物组合修复过程中，微生物一方面活化重金属，降解有机物，提高植物对污染物质的吸收和转运，另一方面，通过代谢分泌植物激素等物质促进植物生长；而植物可以通过根系分泌糖类、氨基酸等有机物质促进微生物的生长代谢。动物对植物和微生物修复则是起到“催化剂”作用。生物修复技术间的组合修复在污染土壤修复中已经取得了许多有价值的成果，被证明是非常有效的方法。在本专刊中，中国科学院城市环境研究所朱永官研究组综述了我国土壤污染现状及生物修复技术研究进展，在此基础上，详细阐明了土壤中微生物-植物-动物之间的相互作用，及其对土壤重金属迁移转化和生物修复效果的影响，深入剖析了微生物和 (或) 动物强化的植物修复方法的巨大研究价值。指出未来可在已有关于重金属污染土壤生物多样性及其功能研究基础上，在食物网水平上深入研究土壤生物间的相互作用机制及其对重金属迁移转化的影响机制，提出土壤食物网的定向调控原理与技术，建立多元生物联合强化的污染土壤修复新技术，形成基于食物网的土壤污染生态风险评估体系。天津师范大学张海燕团队针对铜污染问题，对生物修复的主要技术如植物修复、微生物修复、植物-微生物联合修复、动物修复等在治理Cu污染土壤方面的研究进展进行了综述。蚯蚓作为潜在强化修复生物，对植物生长的促进作用已有较多研究，中国科学院南京土壤研究所吴龙华和贵州大学贵州大学刘鸿雁团队通过在不同性质污染土壤上种植伴矿景天Sedum plumbizincicola、引入赤子爱胜蚓Eisenia foetida，研究了蚯蚓对超积累植物伴矿景天生长和重金属(Cd/Zn) 吸取效率的影响，结果表明添加蚯蚓可强化酸性的常湿淋溶土重金属污染的超积累植物修复，外加秸秆可作为中性水耕人为重金属污染的蚯蚓强化伴矿景天修复的配套技术。

除草剂残留造成的土壤污染亦是土壤污染的一个重要问题。微生物修复不仅可以用于治理重金属等无机物污染的土壤，也可以治理农药、除草剂、石油、多环芳烃等有机污染物。黑龙江大学付海燕团队通过富集培养、逐级驯化等方法，从氯嘧磺隆污染土壤中分离到 1株高效氯嘧磺隆降解菌T9DB-01，分析其形态特征、生理生化及16S rDNA序列，进一步探索了该菌株降解氯嘧磺隆的影响因素，旨在解决氯嘧磺隆残留对土壤、水体污染，及后茬敏感作物药害问题，为污染土壤微生物修复提供降解菌种资源。结果表明，该降解菌株对氯嘧磺隆污染土壤原位生物修复具有一定的应用潜力。

生物修复技术是一门新兴学科，包含着多方面的内容，在我国正处于发展阶段。谨希望本专刊的出版能够为土壤污染生物修复技术的发展提供新的思路，吸引更多力量来共同推动生物修复技术领域的发展，进而稳定有效地改善土壤环境。此外，本专刊内容上如有不足之处，希望各位同行和广大读者进一步批评指正。