根際微生物群落多樣性在重金屬土壤修復中的研究

知識 02-20

北極星節能環保網訊:2014 年《全國土壤污染狀況調查公報》指出,我國土壤環境狀況總體不容樂觀,耕地點位超標率為 19. 4% 。污染類型以無機型為主,佔全部超標點位的 82. 8% ,主要無機污染物包括 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 等重金屬。在全國 24 個省份( 城市) 調查的所有污染農作物種植地中,重金屬污染土壤佔總面積 80% ,全國遭受不同程度重金屬污染的耕地面積已接近2000 萬 hm2 ,約佔耕地總面積 1 /5。嚴重的土壤重金屬污染對生態環境和人體健康構成巨大威脅,已經成為制約區域土地可持續開發利用和影響生態安全的關鍵因素。因此,對土壤重金屬污染的修復治理勢在必行。

較之傳統物理化學方法,植物修復因治理過程原位、治理成本低、管理與操作簡易以及環境美學兼容等不可替代的優勢而受到重視。

植物修復包括植物提取和植物穩定過程。

植物提取主要是通過植物根系吸收可溶性重金屬並將其轉移、貯存到植物莖葉,然後收割莖葉以達到去除土壤重金屬目的( 圖 1A) 。

植物穩定主要是通過植物根系的吸收、螯合、沉澱及還原作用將高毒性形態轉化為低毒形態,將重金屬固定在根系和根際土中。同時植物根際分泌物能通過改變根際環境的 pH 或 Eh,使有毒重金屬的形態發生改變,如在根際菌的作用下可將Cr6+還原為Cr3+,從而降低Cr的毒性(圖1B)。

然而在實際應用中,植物修復技術具有修復周期長、對重金屬深層污染修復困難、植株成活率低的缺點,修復過程中常利用化學修復與微生物修復技術以輔助植物修復,其中微生物修復技術中的根際微生物在植物修復中發揮重要作用。

根際微生物是指在植物根系直接影響的土壤範圍內生長繁殖的微生物 ,能通過定殖、競爭、共生和調節土壤的營養動態等活動影響植物的生長。

根際微生物對於重金屬污染土壤植物修復效率的提高具有重要的輔助作用,主要通過合成、分泌植物促生物質增加植物生物量,同時通過功能酶、鐵載體、有機酸及生物表面活性劑等物質活化土壤重金屬(圖1C),從而增強植物提取效果。

此外,根際微生物還能通過生物吸附和富集作用、溶解和沉澱作用、氧化還原作用改變重金屬離子在土壤中的貯存形式,以緩解重金屬對植物的毒害。

根際微生物群落多樣性在重金屬土壤修復中的研究

根際微生物在植物修復過程中的群落多樣性表徵

大多數根際微生物對重金屬產生敏感性反應,即根際微生物接觸重金屬後會產生應激作用,通過分泌有機酸類物質與重金屬結合,抑制重金屬對植物的毒害。利用微生物群落的敏感性反應輔助植物修復重金屬污染土壤,不僅克服單一功能微生物修復過程中微生物難存活與難收集的缺點,還可改善植物修復效果,具有廣闊的應用前景。

有研究證實,不同類型微生物在植物根際的功能不同,主要體現在根際細菌是通過化學反應改變重金屬的價態及存在形態( 絡合態、脫烷基) ,從而降低重金屬毒性,根際真菌主要是輔助宿主植物獲取更多的礦質營養,促進寄主植物在重金屬污染土壤中的生長,增加其生物量,根際古菌雖存在於重金屬污染土壤但其主要功能並不明晰。

1.根際細菌

根際細菌數量繁多,在根際分布較廣,且在根際的不同部位,細菌數量和類型分布也有差異。有研究表明 ,相比於非根際區 ,根際更適宜細菌的生長。

VIK 等通過統計植物根際和根內的操作分類單位( Operational Taxonomic Units,簡稱 OTUs) ,發現根際細菌多樣性以及根際細菌的數量和種類都顯著高於根內細菌。BULGARELLI 等發現擬南芥根際中數量最多是變形菌門細菌,且以鏈黴菌科和叢毛單胞菌科細菌為主導; LUNDBERG 等研究顯示,擬南芥根際菌以放線菌門和變形菌門為主,其中變形菌門丰度最高,主要以 α、β、γ 3 種綱的細菌為主。

在受污染土壤中,根際細菌的數量和種類最多,且以放線菌門、厚壁菌門和變形菌門為主( 表 1) 。這 3種菌門的根際細菌耐重金屬性強,在重金屬污染土壤中大量存在。重金屬脅迫條件對根際細菌的結構與功能具有重要的影響。

根際微生物群落多樣性在重金屬土壤修復中的研究

EISONBATY等研究發現當細菌暴露於有毒物質或環境時,外界氧化脅迫的壓力是使細胞死亡的一種常見機制。雖然該機制會減少土壤中根際細菌的數量、種類,影響根際細菌群落結構,但具有特定耐性功能的根際細菌群落仍能在重金屬脅迫環境條件下存活。MARGESIN 等在 Pb /Zn 污染土壤中發現有較多的可培養的、需氧的 Pb /Zn 耐性根際細菌。SOLIS-DOMINGUEZ 等研究發現叢枝菌根真菌 ( Arbuscular Mycorrhizal Fungi,簡稱 AMF) 影響根際細菌群落在重金屬污染土壤中的修復作用,二者在植物根系進行相互選擇性作用,表明根際細菌群落會受到其它類型微生物的影響。

在重金屬污染土壤中,根際細菌對重金屬的抗性及解毒能力是影響植物修復的關鍵性因素。根際細菌與重金屬接觸後可發生離子交換、配位、螯合、沉澱等作用,使重金屬離子在細胞表面結合。同時,根際細菌還能通過其自身的細胞代謝活動來調節變價重金屬元素的氧化還原反應,使重金屬的價態及存在形態( 絡合態、脫烷基) 發生改變,從而降低重金屬毒性。

BAI 等發現枯草芽孢桿菌 Ba-cillus Subtilis DBM 能通過生物吸附、積累方式降低Pb 的生物有效性,通過使 Pb 沉澱的作用方式緩解Pb 的毒性作用。RAJKUMAR 等發現根際細菌Pseudomonas sp. PsA4 和 Bacillus sp. Ba32 能通過催化反應將高毒性的 Cr6 + 還原成低毒性的 Cr3 + ,從而減緩 Cr 對芥菜的重金屬毒性。

此外,土壤中還存在一些氧化硫桿菌、氧化亞鐵杆菌等能直接或間接地通過氧化、還原、絡合、吸附或溶解作用去除重金屬,緩解植物根際的重金屬毒性效應。

可見,根際細菌在降低重金屬對植物的毒害,增強植物對重金屬的轉化和吸收等方面起著重要作用。

根際細菌是植物修復重金屬污染土壤的重要根際微生物,它能緩解重金屬對植物根際的毒害效應。根際細菌群落的多樣性能有效地表徵植物修復重金屬污染效果。

因此研究根際細菌分類情況、群落結構特徵及群落的功能,有利於篩選和利用在植物修復重金屬污染過程中起重要作用的根際細菌,強化植物修復重金屬污染土壤技術。

2根際真菌

根際真菌是指分布在根際周圍的真菌,分為腐生真菌和菌根真菌。在重金屬污染土壤修復實踐中應用較多的是菌根真菌,主要包括內生菌根真菌、外生菌根真菌以及內外生菌根真菌。

內生菌根真菌

內生菌根真菌在促進植物生長和降低農作物對重金屬吸收方面起到重要的輔助作用。LIU 等篩選出 3 種來自玉米根際能吸收和富集 Cd 的內生菌根真菌,它們分泌的植物激素可將土壤中的多磷酸鹽沉澱吸附於細胞壁上,並且這些沉澱物能將 Cd 螯合固定在真菌細胞內,有利於緩解 Cd對植物生長的毒害作用。另有研究表明,具有重金屬耐性的內生菌根真菌可通過影響宿主羊茅屬植物對 Cd、Zn、Cu 等重金屬的吸收和轉運機制,緩解重金屬對羊茅屬植物的毒害作用,與未接種內生菌根真菌的植株相比,接種處理的植株具有較高的生物量和生長指數。

從枝菌根真菌( AMF) 在重金屬污染修復,尤其是與植物聯合修復方面的潛力已有較多的研究。AMF 在重金屬污染土壤植物修復中的作用主要是輔助寄主植物獲得更多的礦質營養和提高寄主植物對重金屬的抗性。在重金屬污染土壤中,植物因缺少必需的礦質養分影響生長,而AMF 的存在能幫助宿主植物獲取更多的礦質營養。肖雪毅等發現 AMF 能顯著增加金雞菊地上部和根系的 P 濃度,從而促進金雞菊的生長並提高其生物量。AMF另可通過提高宿主植物 P 營養水平,使宿主植物根部中的重金屬與磷酸根形成難溶物質,抑制重金屬向地上部轉運,減少植物地上部重金屬含量。

此外,AMF 能夠減輕重金屬對寄主植物的毒性,提高寄主植物的重金屬耐性。CHEN 等和 DONG等通過室內盆栽實驗發現 AMF 不僅能改善植物營養元素 P 的濃度,還能降低植物地上部 Cd、Cu 和As 的濃度,減輕重金屬對寄主植物的毒性。在 Cr 污染土壤中 AMF 對車前草促生效應顯著,減少車前草地上部分 Cr 的濃度,表明 AMF 對 Cr 的耐性能改變植物對重金屬的積累與吸收效應。此外,AMF通過改變根際土壤微生物群落結構及其物理化學性質間接地影響重金屬形態變化。在 Mn 污染土壤中,AMF 能改變根際土壤中 Mn 氧化和 Mn 還原細菌群落的組成,因而降低 Mn 的生物有效性,減緩植物受Mn 的脅迫,促進植物生長。

外生菌根真菌

外生菌根是高等植物營養根系和外生菌根真菌( Ectomycorrhizal Fungi,簡稱ECMF) 形成的共生體,在重金屬脅迫條件下可將重金屬固定於真菌細胞壁內,調節寄主植物細胞的生理、化學過程 ,阻止過多的重金屬進入植物根部 ,以促進寄主植物的生長,增強寄主植物對重金屬的耐受性。FINLAY 等發現根際 ECMF 優勢種為擔子菌門或子囊菌門。

ECMF 緩解植物重金屬毒害作用的機理主要是能對重金屬進行吸收、轉運和分布。Zn、Cu、Mn是植物和外生真菌所需的微量營養元素,通過吸收和氧化還原反應調整它們在植物根際的分布情況,促進植物對這些元素的吸收、轉運,使植物生物量增加。過多的微量重金屬進入植物根際時會對植物產生毒害。

LANGER 等發現在 ECMF 的植物根際, 隨著 Zn 濃度的增加,植物根際中 Zn 的轉運係數下降。

研究表明,較之無菌根植株,接種了美味牛肝菌( Boletusedulis) 菌根和混合菌根的植株體內 Cd以及根部 Cu 濃度均顯著降低。可能的原因是土壤中的重金屬破壞了無菌根植物根部的原生質膜,損傷了原生質膜的功能,導致重金屬離子大量流入根部並向枝葉轉移,而接種菌根可以減少對有害重金屬的過量吸收,有效緩解土壤中重金屬對植物的毒害,促進植物在重金屬污染土壤中的生長,使植物生物量增加。

3.根際古菌

古菌作為生命的第三種形式,主要存在和生活於極端環境中 ,如熱泉、鹽湖等 ,因而被歸為極端微生物。研究表明,重金屬污染土壤中也存在一定丰度和種類的古菌,如 SANDAA 等研究發現,相比於無污染土壤,重金屬污染土壤中古菌的數量減少1.3%±0.3%.一般認為古菌不會在植物根際存在,但隨著研究的進展 ,科學家們在受重金屬污染土壤的植物根際也發現了古菌。

例如,唐黎等通過提取重金屬污染場地中棉花不同生長時期根際土中微生物的 DNA,採用 T - RFLP 分析微生物群落結構,發現了在棉花根際土中有古菌存在,且古菌的群落結構受季節變化影響。OLLIVIER 等在 Pb 和 As 污染土壤中的植物根際發現了氨氧化細菌和氨氧化古菌,且細菌和古菌的數量不相同,有機質較低的土壤中細菌數量多於古菌,有機質較豐富的土壤中古菌的數量顯著高於細菌。

氨氧化過程是硝化作用的第一步,氨氧化細菌和古菌通過控制單加氧酶( amoA) 的活性來控制氨氧化成亞硝酸鹽的速率。研究發現根際土中泉古菌門的古細菌含有 amoA 基因,證實氨氧化古菌能調控植物根際的氨氧化過程。

關於根際古菌在植物修復重金屬污染土壤過程中的作用仍不清晰 ,根際古菌群落結構、群落功能、環境影響因子和植物的關係等關鍵問題仍是未知的。在今後的研究中應多關注根際古菌在植物修復重金屬污染過程中對根際植株生長的影響、根際古菌自身群落結構的變化以及根際古菌群落與根際其它微生物群落的關係,進一步探索根際古菌在重金屬污染土壤植物修復過程中的作用。

4.根際微生物之間相互作用

根際微生物在重金屬污染土壤中相互作用的關係主要包括消極作用、積極作用( 互利共生、偏利共生) 、中立作用( 既無利又無害)。在實際的重金屬污染修復中多利用根際微生物的積極作用探討在植物根際起修復作用的微生物群落輔助植物修復重金屬污染的過程。

當前,根際菌群的研究多於內生菌群的研究,因為根際微生物產生的根系分泌物對植物修復重金屬污染土壤有重要作用。

根際分泌的有機酸、鐵載體、ACC 脫氨酶、生長素等與重金屬結合減少重金屬對植物的毒害,增加植物的抗氧化防禦系統,促進植物的生長。關於根際微生物種類的研究中,單獨研究根際細菌的較多,研究根際細菌與真菌結合的較少,但根際真菌在植物修復重金屬污染過程中能調節重金屬在根際的分布情況,促進寄主植物對重金屬元素的吸收、轉運 ,減少重金屬對植物的毒害 ,促進植物在重金屬污染土壤中的生長,使植物生物量增加等作用。

今後研究應多關注根際細菌與真菌結合的研究,綜合利用細菌與真菌互利共生的關係,增加植物根際的重金屬耐性,促進根際植物的生長,輔助根際植物修復重金屬污染土壤,加強對根際古菌與其它根際微生物群落關係的研究。

不同污染場地中根際微生物群落多樣性差異

及其對重金屬修復效果的影響

根際微生物的活性受土壤溫度、營養狀況、水的可利用性及其它一些能引發群落耐性的環境污染因素的影響。此外,根際微生物也會受到土壤污染類型( 單一或複合污染) 、是否添加改良劑和改良劑種類以及根際植物種類等的影響。如污染土壤的理化性質會影響根際微生物的分離和純化,土壤污染程度及土壤特性會影響根際微生物群落結構的分布,植物的種類會影響根際微生物在根際的定殖等。

THION 等研究發現子囊菌亞門、擔子菌亞門和接合菌亞門 3 種 AMF,它們在不同的植物種類、土壤 pH、含 N 量和含水量條件下物種組成和功能都各不相同,且根際土中 AMF 的多樣性顯著高於非根際土。這表明在植物修復重金屬污染過程中根際微生物的結構與功能受多種因素的影響。

土壤污染的類型主要分為單一或者複合重金屬污染以及重金屬與有機物的複合污染。研究發現重金屬種類和濃度會影響植物修復重金屬過程中根際微生物的種類、豐富度及其群落結構。重金屬種類能影響根際微生物的多樣性,在不同種類重金屬污染土壤中優勢植物的種類不同,根際微生物的多樣性及優勢種也會有差異。

表 2 顯示,單一重金屬污染條件下,植物種類不同,根際微生物的多樣性和優勢種有顯著差異。

根際微生物群落多樣性在重金屬土壤修復中的研究

不同種類重金屬污染條件下,同種植物的根際微生物的多樣性和優勢種不相同。幾種相同重金屬污染條件下,不同植物和不同重金屬濃度下的根際微生物的多樣性和優勢種也有所差異。不同濃度 Pb 污染條件,水稻根際微生物的多樣性不相同。不同濃度 As 污染下,荊( Wattle) 和發草( Deschampsia caespitosa) 的根際微生物多樣性和優勢種均有所差異。

相同重金屬元素的複合污染下,各重金屬濃度不同,植物根際微生物多樣性及優勢種類也不同。在同一重金屬污染的土壤中重金屬濃度的差異使得根際微生物的多樣性發生改變,產生的根際微生物的優勢種也不同,可見重金屬濃度對土壤中根際微生物群落結構具有重要影響。

受重金屬污染的土壤一般酸性高且貧瘠,常添加改良劑調節土壤 pH、改善土壤基本理化性質。

其中有機質改良劑( 如生物炭) 可以改善微生物營養,提升微生物活性。生物炭能為植物提供更多的營養物質促進植物生長和吸引有利的細菌以刺激真菌的生長。生物炭能改變根際環境的物理化學參數,為細菌和真菌提供一個安全有利的生長環境; 添加生物炭後能改變土壤中根際微生物呼吸作用的速率,影響土壤中的碳循環,使土壤的理化性質發生改變,增加微生物的生物量,從而影響根際微生物的種類及其在根際的定殖情況。

礦物類改良劑在植物修復重金屬污染土壤中對根際微生物具有重要影響。杜瑞英等研究多金屬污染土壤中微生物群落功能對麻瘋樹 - 化學聯合修復的響應時發現,施用改良劑粉煤灰后土壤微生物指標顯著高於對照土壤,說明粉煤灰對污染土壤環境的改善具有重要的影響。改良劑的投加能沉澱重金屬或提高土壤對重金屬的吸附,從而降低有效態金屬含量。因而施加改良劑有利於提高土壤微生物群落功能多樣性,有利於加強植物修復重金屬污染效果。

植物種類不同,根際微生物的多樣性和優勢種有顯著差異。CLAY等研究表明,重金屬土壤中根際細菌的群落結構會因為植物的種植而發生改變,同時根際細菌群落的相互作用也會影響植物的多樣性與修復效果。例如,在受重金屬污染的連續區域中,植物根際土中的細菌群落比非根際土中的豐富很多,且不同植物的根際細菌群落結構也有差異,其中優勢植物種高羊茅根際中的耐性細菌的種類與數量最多。

研究者認為,該區域耐性細菌與高羊茅具有最強的共生關係,這種共生關係減少了該區域的植物多樣性,增強了高羊茅的優勢性,使其成為該區域修復重金屬的先鋒植物,極大地增強了高羊茅修復重金屬污染效果。根際微生物群落多樣性越豐富,植物修復重金屬效果越顯著。

當前研究存在的問題

關於根際微生物群落多樣性在植物修復重金屬污染土壤中的大多數研究只考慮單一細菌或真菌的作用( 表 3) ,其它重金屬的干擾會影響修復效果。然而實際污染場地多以複合污染為主,此外,細菌和真菌都是根際微生物重要組成部分,它們對植物吸收、重金屬積累都具有重要影響,單一地研究細菌或真菌無法反映出整個根際微生物群落對植物修復體系的影響。

根際微生物群落多樣性在重金屬土壤修復中的研究