土壤重金属的大型真菌生物修复研究进展

2021-02-21王江力王可鑫

绿色科技 2021年24期

王江力，武静，王可鑫，薛珊，王念，贺美

(长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100)

1 引言

联合国粮食与农业组织(FAO)在2018年发布的《土壤污染：隐藏的现实》中指出了全球土壤污染严重的现状，其中重金属污染尤为严重[1]。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总超标率为16.1%，无机污染占总超标率的82.8%，以重金属污染为主，其中镉、汞、砷、铅、铜、铬、锌、镍8种重金属污染严重[2]。因此，研发经济又高效的处理方法与技术来解决土壤重金属污染的问题非常必要。

大型真菌对不同类型的重金属呈现明显的吸附与富集效果[3]，在土壤重金属修复应用中具有较大的潜力。大型真菌在土壤重金属修复领域与植物修复较为类似，具有以下特点：①大型真菌对汞、铬、镉、砷、铅等有毒有害重金属的吸附容量要优于植物；②大型真菌可以在同一菌体中吸附多种重金属元素；③大型真菌在生长周期上要更短，且子实体容易腐化。利用大型真菌对土壤重金属污染进行生态修复在解决土壤重金属污染的环境问题上具有一定的优势和可行性。本文通过综述土壤重金属污染现状、大型真菌对重金属的生物富集机理以及大型真菌在重金属生物修复中的应用与反馈，以期为土壤重金属污染修复提供参考。

2 土壤重金属污染现状

根据调查研究数据表明，目前全世界各国重金属污染程度各有不同。对于发达国家而言，其对环境的治理领先其他国家多年，同时将本国重污染企业迁移至发展中国家，使发达国家在土壤重金属污染问题上并不突出。对于一些落后的发展中国家而言，矿区开采、工业企业尤其是承接的重污染企业，使得该地区污染加重。如澳大利亚遗留矿区Hg污染严重超标[4]，印度美达克省Cr、Cu、Cd、As、Ni、Pb、等6种重金属都处于中-重度污染范围[5]，蒙古乌兰巴托市发电厂燃煤，汽车增加，加重了该地区土壤的砷铅污染[6]，伊朗伊斯法罕市穆巴拉克钢铁厂附近土壤Co、Mn、As、Pb、Cd、Ba和Mo处于中等污染水平[7]。

对我国而言，建国后相当长的一段时间里，环境污染集中在一些工业城市。由于土壤重金属污染具有易迁移、隐蔽性强、化学成分复杂等特点，使得人们对土壤重金属污染不够重视，保护法案不够完善。直到最近几年，逐渐意识到土壤重金属污染的严重性。我国土壤重金属污染现状和趋势仍在不断恶化，具有以下特点：①耕地污染严重。受重金属污染耕地面积达1000万hm2，占据总耕地面积的8%以上；②工业和矿业及周边地区污染仍在加剧；③高背景值地区重金属严重超标；④放射性重金属污染逐渐明显[8]。据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，重污染企业用地、工业废弃地、工业园区、采矿区、污水灌溉区、干线公路两侧土壤污染超标点位分别为36.3%、34.9%、29.4%、33.4%、26.4%、20.3%，其中大部分以重金属污染为主[2]。

总体而言，全球重金属污染仍在不断加剧，土壤重金属污染问题仍然没有好的解决方法。

3 大型真菌对重金属的富集机理

大型真菌对重金属的生物富集由生物吸附、生物转运、生物积累等过程共同实现。其中生物吸附是生物富集的基础，随后大型真菌将吸附的重金属转运至体内，最终富集在真菌体内的特定部位。

3.1 大型真菌的吸附机制

大型真菌对重金属的吸附分被动吸附和主动吸附两类。被动吸附分为胞外吸附、表面吸附，主动吸附主要为胞内吸附。

3.1.1 被动吸附

被动吸附依靠细胞胞外聚合物(EPS)与重金属形成聚合物使重金属固定。有研究发现大型真菌的EPS主要由75%左右的葡聚糖与少量的蛋白质以及其他物质组成[9]，不同组成成分的EPS对不同重金属的固定作用不同。

被动吸附过程中表面吸附、胞外吸附需要不同的EPS，表面吸附利用的是一类与细胞紧密结合的EPS(TB-EPS)[10]。这类TB-EPS是分布在细胞表面糖类和蛋白质，其中包含羟基、羧基、巯基等官能团，这些官能团通过静电吸附、氧化还原、离子交换等形式对重金属作用，将其固定在细胞表面。李三署[11]在对姬松茸的研究中发现，Cd在姬松茸中的富集主要集中在细胞壁上，其占比高达83.2%，仅有少部分进入大型真菌内部。胞外吸附需要依靠脱离细胞外的EPS，称之为可溶性细胞外聚合物(SMP)[12]，主要由蛋白质、脂肪、糖类、黑色素等物质组成，可以为细胞提供一个缓冲空间，增加细胞对环境的适应能力[13]。

SMP还可作为金属活化物，改变重金属离子的生物可利用性，影响大型真菌对重金属的吸附效果。SMP对的重金属活化在植物的根际领域[14]和单细胞微生物领域[15]都有发现，但对大型真菌方面研究较少。部分学者发现野生菌丝分泌物中的含碳物质可以活化土壤中的Cr[16]。茶丽娟等[17]在对野生菌生长土壤重金属形态的研究中发现野生菌生长分泌物对土壤Pb有很好的活化作用。

3.1.2 主动吸附

主动吸附是能够表现大型真菌对重金属耐受程度的一种行为方式，这种吸附方式不仅需要大型真菌消耗一定能量，而且还需要真菌提供相应的金属离子通道。当细胞吸收重金属后，可通过“区域化作用”分散于细胞内的不同区间，而在细胞体内会有金属硫蛋白(MT)的合成，MT可通过半胱氨酸(Cys)残基上的基团固定重金属[18]。

大型真菌要发生主动吸附必须满足一定的条件，只有当SMP的某种金属结合位点被消耗殆尽时，重金属才有可能大面积的接触到真菌细胞。在真菌表面存在着大量的糖类和蛋白质，这些糖类和蛋白质会选择性的吸附某些重金属离子，最后这些重金属离子才会通过金属离子通道进入细胞体内[19]。Didier Michelot通过对大型真菌吸附重金属的机制进行分析，结果表明重金属主要与大型真菌的特定性金属蛋白结合后才被运送至细胞体内[20]。这种吸附方式与植物细胞吸收物质的行为类似，但与植物的吸附机制相比，大型真菌对重金属的吸附性能要优于植物的根系吸收[21]。其主要原因可能是运输通道的问题，大部分植物主要通过导管运输吸附的重金属物质，而大型真菌则可以在每一条菌丝上转移。

3.2 大型真菌对重金属的生物转运

大型真菌属于一类特殊的微生物群体，既有微生物的特性又有较大的子实体，使其对重金属有很好的富集效果。大型真菌同植物一样都有自己的一套运输体系，将重金属物质从体外转运至体内。刘瑞霞等[19]对重金属的生物吸附机理及吸附平衡模式研究，发现重金属进入生物体内主要分为两步进行：①重金属在细胞表面与细胞外侧官能团有机结合；②细胞通过主动吸附，利用某些酶与重金属结合从而运送至细胞内。大型真菌主要通过菌根来完成对重金属的吸附作用，并通过生物的运输功能送至各个部位。

大型真菌从环境中吸收转运重金属受外界环境、大型真菌种类和重金属种类的影响。黄建成等通过姬松茸对Pb、As、Hg、Cd四种重金属的富集规律及控制技术研究，结果表明姬松茸在菌丝的作用下将培养环境中的4种金属富集到子实体中，并且培养环境与子实体菌丝中重金属具有很强的相关度[22]。王小平[23]对姬松茸(口蘑科)吸附重金属的实验研究，结果表明5种重金属在姬松茸中呈现从下到上、从中间向外侧逐渐增加的趋势。由于大型真菌主要由许多细小菌丝交错盘绕而形成，其物质运输自下而上，加之蘑菇表面与环境接触面积较大，会吸收来自大气和水环境中的一些重金属，使得中重金属的总体转运趋势呈现这种规律。

3.3 大型真菌对重金属的生物积累

大型真菌对于不同重金属的生物累积因污染条件、重金属结合位点等因素变化而存在差异。如绒柄牛肝菌菌盖对Mg、Zn、Cd的吸附量较大，菌柄则对Co、Ni有较强的累积行为[24]。冬荪菌盖中的Hg、As含量要高于菌柄，Cr、Cu、Pb、Zn的含量要低于菌柄，Zn的含量甚至要低于菌托[25]，这有可能与真菌体内的重金属结合位点密切相关。在无污染的情况下，双胞蘑菇中的Pb、Cd的含量是菌柄小于菌盖。在污染条件下，Pb则正好相反，而Cd含量仍然是菌柄小于菌盖[26]。其原因可能有2种：一方面可能是由于重金属形态发生变化，从而导致在真菌中的结合位点发生变化；另一方面的原因可能是当某种重金属含量过高时会诱导真菌细胞分泌某种物质，从而使得重金属无法向其它部位转移。

4 大型真菌对土壤重金属的生物修复及反馈机制

早期解决土壤重金属污染主要依靠物理方法：客土、换土技术，化学法：淋洗技术、钝化技术，生物法：植物修复技术。近些年植物修复土壤重金属的研究已经取得了一定的进展，但是植物修复技术仍然具有明显的不足[27,28]。而大型真菌作为一种多细胞的真菌，较大的子实体便于采摘，较短的生长周期便于充分富集，较高的环境耐受性便于生长繁殖，使得大型真菌在解决土壤重金属污染问题上具有很重要的价值。

4.1 不同真菌对重金属的生物修复

大型真菌在富集重金属时存在特异性，根据重金属的富集效果可分为不易富集重金属类型、特定重金属富集类型、多种重金属富集类型三大类。

不易富集重金属的大型真菌的胞内吸附和表面吸附能力较差，与其他大型真菌相比其体内产生的某些特殊酶可能较少。对于大部分树生菇而言，这类大型真菌属于不易富集重金属类型，在自然环境下树生菇对重金属的富集系数要小。平菇作为生活中最为常见的一种大型食用树生菇，与其他食用菌相比对重金属吸附量明显较小[29]。可能是因为其主要的营养来源为木质类的植物残体和纤维质的植物残体，从而限制重金属来源。

在自然环境中普遍存在的是对特定金属有特异性吸附的大型真菌类，通过泌金属蛋白酶促进重金属转移到特定的结合位点，从而达到对重金属元素超富集的目的。Ertugrul Sesli 等[30]对土耳其黑海附近80多株大型真菌重金属含量进行分析，结果表明不同真菌对特定金属存在特异性吸附现象。例如80多株大型真菌中伞形赤酶属对对Mn和Zn的富集能力较强，而鹅膏菌科鹅膏菌属对Co和As的富集能力较强。

多种重金属富集类型真菌对环境中的多种重金属有很强的富集能力，通常含有许多能与重金属结合的物质。例如，姬松茸含有大量的核酸、外源凝集素、甾醇和脂肪酸和多糖，这些物质对重金属有较强的吸附效果，使得姬松茸对许多重金属有较好的吸附性能。在人工栽培的环境中姬松茸对Hg、Cd的富集系数分别为2.4～4倍和27.8～32.4倍[22]。同姬松茸一样，部分食用菌也具有对多种重金属吸附的能力，在对凤尾菇、香菇、金针菇、木耳子实体对重金属的富集效果研究中发现，四种大型真菌对 As、Cd、Hg都表现出明显富集作用[31]。

自然状态下大型真菌吸附重金属的能力会受到环境的限制，如表1所示，相同地区不同类型大型真菌与不同地区相同类型真菌对重金属的吸附量存在差异。而决定大型真菌对重金属富集能力在于该地区重金属的浓度[31]和重金属形态[17]。

表1 自然状态下不同大型真菌对7种重金属吸附量 μg/g

4.2 大型真菌对富集重金属的反馈机制

无论是在自然环境还是实验室模拟条件下，已经有大量实验证明，大型真菌对重金属具有吸附和固定化作用，而重金属也会对大型真菌产生促进或抑制作用。一般而言，重金属会在低浓度时促进真菌生长，而在高浓度时对真菌产生抑制作用。

4.2.1 富集重金属对生物量的影响

重金属的价态不同其毒性可能差别较大，例如有机汞、二价汞和零价汞，Cr3+和Cr6+等相同元素不同价态造成的毒性差异较大。但是重金属与微生物的较量已持续了几亿年，某些微生物在自然环境中已形成较好的反馈机制。例如当土壤中出现较多的Cr6+时，土壤中的一些微生物会通过还原作用将毒性较强的Cr6还原为毒性较弱的Cr3+。

重金属浓度是影响大型真菌生长的关键，刘秋梅[36]利用As、Cd、Pb、Hg四种重金属对平菇进行胁迫实验，结果表明除了Pb在60～120 μmol/L时有一定的促进作用，其他三种重金属在不同浓度下均有一定的抑制效果，尤其在高浓度下，会存在完全抑制现象。李波[37]在对镉胁迫姬松茸的研究中发现，当Cd浓度在2 mg/kg以下时，镉对姬松茸是有促进作用，但是当Cd浓度超过2 mg/kg时姬松茸的生长逐渐受到抑制。陈亚精[38]利用灵芝、木耳和香菇对铅、砷、镉、铝毒理效应研究时，推断敏感重金属可以抑制食用菌菌丝的生长，但其影响机理尚不明确。瑞典学者曾利用Cu对土壤微生物种群数量进行研究，结果表明：当Cu<100 mg/L时，土壤中的微生物有35种，当Cu达到1000 mg/L时，土壤中的微生物只有25种，当Cu达到10000 mg/L时，土壤中的微生物只有13种[39]。

在对重金属的毒理学效应的研究中不难发现，重金属一方面会抑制真菌的生长，另一方面真菌分泌EPS会促进真菌对重金属的吸附作用。在这种机制的作用下可以使得大型真菌在土壤重金属修复领域得到很好的应用。

4.2.2 富集重金属对酶活的影响

重金属等有毒有害化合物会对大型真菌活性酶的分泌产生一定的影响。当大型真菌的生存环境中重金属浓度增加时，部分酶活性被抑制，同时会产生大量的活性氧自由基，大型真菌会分泌超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化氢酶(POD)和抗氧化的谷胱甘肽来保护真菌细胞不受损害[40]。

重金属对酶活性的影响主要表现在低浓度促进高浓度抑制，但是有些重金属对大型真菌也存在低浓度抑制的现象。研究发现As、Cd、Pb、Hg四种不同重金属对平菇的羧甲基纤维素酶、蛋白酶、漆酶的活性影响大且差异明显[36]。同时在Pb2+、Cr3+、Cd2+对糙皮侧耳的研究中发现，糙皮侧耳中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化氢酶(POD)会随着重金属浓度的增加出现先促进后抑制的作用[41]，其中Cd对漆酶有明显的抑制作用[42]。

这些现象在一定程度上反映了生物的生存机制，当污染物质与细胞接触时，细胞就会主动的分泌一些物质来抵御污染物质的入侵。而污染物的骤增，会使细胞分泌物难以抵消污染物所带来的影响，从而出现细胞活性降低或死亡的现象。