張又丹，郝鮮俊

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

AM對(duì)重金屬和有機(jī)污染土壤的修復(fù)及機(jī)理

張又丹，郝鮮?。?/p>

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，土壤中污染物的種類和數(shù)量也迅速增加，這直接導(dǎo)致了我國(guó)可利用耕地土壤面積的減少，造成土地減產(chǎn)和大量的經(jīng)濟(jì)損失。如何恢復(fù)或修復(fù)遭受污染的土地成為21世紀(jì)環(huán)境生態(tài)治理的熱點(diǎn)。菌根（Mycorrhiza)是土壤中某些真菌與植物根系形成的一種共生體，在自然界中普遍存在，最常見(jiàn)的類型是叢枝菌根（Arbuscular Mycorrhiza，AM)。AM的自身代謝作用能將一些土壤污染物分解為無(wú)毒物質(zhì)，其分泌的球囊霉素可以絡(luò)合土壤中的重金屬，并且AM與宿主植物建立共生關(guān)系后，不僅能改善植物的生長(zhǎng)狀況，還可引起植物根際微域環(huán)境的變化，如pH值、酶以及微生物的數(shù)量和種類等，這些都有助于降低土壤中污染物的含量。本文主要綜述了AM在污染土壤方面的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了其對(duì)重金屬和有機(jī)污染土壤的修復(fù)效應(yīng)及機(jī)理，并對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題以及未來(lái)研究方向做出探討。

叢枝菌根;污染土壤;修復(fù);機(jī)理

近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng)，土壤污染越來(lái)越嚴(yán)重［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)耕地土壤的重金屬污染面積約占耕地總面積的1／6，其中，鎘是最主要的污染元素，鎳和汞次之［2］;每年新增石油污染土壤1.0×108kg［3］;受到農(nóng)藥污染的耕地至少有1 300～1 600萬(wàn)hm2，因土地污染減產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)200億元［4］。因此，污染土壤修復(fù)成為迫在眉睫的任務(wù)。

目前，修復(fù)污染土壤的方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)三種［5］。物理修復(fù)是出現(xiàn)最早的修復(fù)技術(shù)之一，主要應(yīng)用熱力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱解吸等方法［6］。化學(xué)修復(fù)是通過(guò)改良劑的加入使土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為難溶物，以降低其在土壤中的遷移能力，包括化學(xué)淋洗、溶液浸提等方式［7］。在傳統(tǒng)物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)中，雖然有些方法效率高、效果好、費(fèi)用也合理，但仍存在修復(fù)后穩(wěn)定性差、易造成二次污染等問(wèn)題［8］。生物修復(fù)是應(yīng)用生物如植物、微生物等的生命代謝活動(dòng)減少環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)，使污染了的環(huán)境恢復(fù)到原始狀態(tài)的過(guò)程［9］，相對(duì)于其他兩種方法，生物修復(fù)除了費(fèi)用低、效果好的優(yōu)點(diǎn)外，一般不會(huì)改變土壤性質(zhì)和引起二次污染，因此還具有更高的安全性。

菌根修復(fù)技術(shù)是利用真菌和植物根系結(jié)合形成相互作用的根際、菌際環(huán)境［10］，以達(dá)到有效降解土壤中各種污染物濃度或含量的一種方法。在自然環(huán)境中，大多數(shù)（大約為90%)陸生植物物種都可以形成菌根，最常見(jiàn)的類型是叢枝菌根（Arbuscular Mycorrhizal，AM)［11］。目前，常用的污染土壤生物修復(fù)載體主要是植物和微生物兩類［12］，而菌根作為生物修復(fù)載體的應(yīng)用則是一個(gè)新方向。之前已有學(xué)者對(duì)AM在污染土壤中的修復(fù)作用進(jìn)行了總結(jié)，但不是很全面，本文擬對(duì)其在污染土壤中的修復(fù)作用進(jìn)行全面的系統(tǒng)綜述。

1 AM對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)

土壤重金屬污染主要是由人類活動(dòng)引起的，如污水灌溉、礦山開(kāi)采、工業(yè)廢水排放等［13］，這些活動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致土壤中重金屬含量的增加，使其超過(guò)土壤自凈能力，進(jìn)而造成土壤質(zhì)量的惡化。重金屬如銅、鋅、鉛、汞、鎘、鎳等，不能被土壤微生物所分解，只能在土壤和植物體內(nèi)遷移、富集和轉(zhuǎn)化，超過(guò)一定濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生毒害［14］，如影響作物生長(zhǎng)，抑制營(yíng)養(yǎng)元素吸收等。周青等［15］研究表明，當(dāng)鎘濃度為30μmol·L－1時(shí)，菜豆的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，植株高度、根系長(zhǎng)度以及根、莖、葉的鮮重、干重均呈現(xiàn)不同程度的降低。許桂蓮等［16］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中鋅、鎘濃度持續(xù)升高時(shí)小麥幼苗對(duì)鈣、鎂的吸收呈下降趨勢(shì)。

1.1 AM對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效應(yīng)

在重金屬含量高的土壤中，申鴻等［17］研究發(fā)現(xiàn)，接種菌根玉米與非菌根玉米相比，其根系干重、根長(zhǎng)以及植物體內(nèi)銅、鎘、鋅含量等均顯著提高，且所吸收的重金屬大多被積累于根部，這說(shuō)明接種菌根可以提高玉米植株對(duì)土壤中重金屬的吸收，使重金屬得到轉(zhuǎn)移。能與植物根系形成AM的真菌有很多種，每種AM對(duì)土壤中重金屬的吸收能力也不盡相同。胡振琪等［18］以玉米為材料的盆栽實(shí)驗(yàn)表明，在鎘污染土壤中添加Glomusdiaphanum和Glomusmosseae對(duì)玉米地上部和根部的鎘含量都有影響，兩種菌根侵染均可顯著降低玉米地上部對(duì)鎘的吸收，但對(duì)根部的影響情況有所差異：玉米接種Glomusmosseae菌根沒(méi)有顯著降低根部對(duì)鎘的吸收，接種Glomusdiaphanum反而顯著增加了根部對(duì)鎘的吸收。另外，盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)的結(jié)果表明，接種AM極大地提高了鬼針草和龍珠果對(duì)污染土壤中銅、鉛和鋅的吸收積累［19］。

1.2 AM對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)機(jī)理

AM對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)主要是通過(guò)直接作用和間接作用兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的［20］。

1.2.1 直接作用

AM對(duì)重金屬的直接作用主要為AM菌絲的“過(guò)濾機(jī)制”［21］。陳保冬等［22］研究發(fā)現(xiàn)，AM 陽(yáng)離子交換量顯著高于根系陽(yáng)離子交換量，且菌絲體可分別吸附相當(dāng)于自身干物重1.6%的錳、2.8%的鋅和13.3%的鎘。馮海艷等［23］研究了AM真菌對(duì)黑麥草吸收鎘的影響，結(jié)果表明，當(dāng)土壤中鎘濃度為15mg·kg－1時(shí)，Glomusmosseae和Glomus intraradices的菌絲貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了68%和70%。這說(shuō)明AM菌絲上有可能提供重金屬結(jié)合的位點(diǎn)，這些位點(diǎn)可將重金屬富集于真菌體內(nèi)［20，24］。Turnau等［25］認(rèn)為菌 絲內(nèi)存在能夠與重金屬結(jié)合的聚磷酸鹽，它可降低重金屬向植物體內(nèi)的運(yùn)輸量，這種作用就是“過(guò)濾機(jī)制”。另外，AM真菌能夠分泌一種含有金屬離子的專性糖蛋白——球囊霉素，它可以有效絡(luò)合土壤中的重金屬，降低根際土壤的重金屬含量［26］。

1.2.2 間接作用

AM對(duì)重金屬的間接作用主要是通過(guò)影響宿主植物來(lái)實(shí)現(xiàn)的，目前發(fā)現(xiàn)的機(jī)制包括：（1)AM真菌侵染改變宿主植物的根系形態(tài)。申鴻等［27］研究發(fā)現(xiàn)，在銅污染土壤中接種GlomusCaledonium后，接種玉米的根系生物量和根系長(zhǎng)度，較未接種玉米均有明顯提高;當(dāng)施銅量達(dá)到150mg·kg－1時(shí)，與未接種玉米相比，接種玉米的地上部和根系吸銅量分別提高了28.2%和60.0%，這說(shuō)明在銅污染條件下，菌根菌絲的侵染使植物將土壤中過(guò)量的銅積累在根部，并且抑制其向地上部的轉(zhuǎn)移。（2)AM改善宿主植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收狀況［28］。張旭紅等［29］研究表明，重金屬?gòu)?fù)合污染較高條件下，AM的存在提高了蠶豆地上部的磷含量。菌根促進(jìn)宿主植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，使植物生長(zhǎng)加快、抗逆性增強(qiáng)，間接地影響植物對(duì)重金屬的修復(fù)作用。（3)AM改變宿主植物根際環(huán)境的理化狀況。AM對(duì)根際環(huán)境的影響主要有增加根部分泌物、改變微生物的種類、數(shù)量、影響根際pH值等［30］。微生物能富集多種重金屬，對(duì)重金屬有較強(qiáng)的親和作用［31］。畢銀麗等［32］研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌可促進(jìn)根際土壤中細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量不同程度的增加，這有利于微生物對(duì)土壤中重金屬的積累。陳秀華等［33］研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌后，土壤中pH值降低，而交換態(tài)銅的濃度有所增加，說(shuō)明菌根的存在有助于提高銅的生物有效性，增加銅從土壤向植物根部的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而降低土壤中銅的濃度。

2 AM對(duì)有機(jī)污染土壤的修復(fù)

隨著農(nóng)藥化肥施用、石油開(kāi)采等活動(dòng)的大范圍進(jìn)行，我國(guó)土壤有機(jī)污染狀況日益嚴(yán)重。汪珊等［34］通過(guò)對(duì)珠江三角州地區(qū)資料的研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)蔬菜基地土壤中部分有機(jī)污染物含量已超過(guò)美國(guó)土壤的控制標(biāo)準(zhǔn)。葛成軍等［35］研究發(fā)現(xiàn)南京某地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PHAs)含量過(guò)高。有機(jī)污染物具有難分解、高毒性、生物蓄積性等特點(diǎn)，若長(zhǎng)期滯于環(huán)境中，易對(duì)生物體的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生毒害［36，37］。劉繼朝等［38］實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著土壤中石油污染水平的增加，向日葵、棉花、黑麥草、三葉草、紫花苜蓿等植物的種子發(fā)芽率、植株高度及鮮重均出現(xiàn)不同程度降低。

2.1 AM對(duì)有機(jī)烴類污染土壤的修復(fù)效應(yīng)

楊婷等［39］通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論紫花苜蓿還是黑麥草接種蘇格蘭球囊霉36號(hào)菌劑，其AM侵染率均有明顯提高，并且土壤中PAHs的降解率也與AM侵染率呈正相關(guān)關(guān)系。另外，有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示［40，41］，土壤中菲起始濃度相同情況下，通過(guò)測(cè)定植物不同生長(zhǎng)階段的土壤，發(fā)現(xiàn)接種Glomus mosseae的土壤中菲殘留濃度均低于有植物無(wú)AM對(duì)照和無(wú)植物無(wú)AM對(duì)照。以上結(jié)果表明，AM有助于土壤中有機(jī)烴類的降解。

2.2 AM對(duì)酞酸酯類污染土壤的修復(fù)效應(yīng)

目前，利用 AM 修復(fù)酞酸酯類（PAEs phthalates)污染土壤的研究較少。其中王曙光等［42］以豇豆為供試植物，研究AM對(duì)三個(gè)土層：菌根際、菌絲際和常規(guī)土層中鄰苯二甲酸二脂（Diethylhexyl Phthalate，DEHP)在三個(gè)不同濃度（4 mg·kg－1、20mg·kg－1、100mg·kg－1)的降解試驗(yàn)，結(jié)果顯示，接種AM真菌后三個(gè)土層中DEHP的殘留濃度均低于對(duì)照，其中菌絲際濃度最低，這說(shuō)明AM在DEHP降解過(guò)程中起了重要作用，但具體原理還有待進(jìn)一步研究。

2.3 AM對(duì)石油污染土壤的修復(fù)效應(yīng)

王麗萍等［43］模擬0.2%和2.0%兩種石油污染濃度，對(duì)玉米進(jìn)行菌劑接種處理，結(jié)果表明，石油烴的降解率與菌根侵染率、玉米根干重及植株干重均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明接種AM真菌不僅能促進(jìn)玉米地上、地下部分的生長(zhǎng)，而且根部生物量的增加有利于土壤中石油的降解。何翊等［44］研究發(fā)現(xiàn)，在石油污染土壤中種植大豆與玉米，并施加內(nèi)生菌菌劑，一個(gè)生長(zhǎng)季后，土壤中石油污染物的降解率可達(dá)53%以上。

2.4 AM對(duì)農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)效應(yīng)

宋福強(qiáng)等［45］研究發(fā)現(xiàn)，在盆栽高粱條件下，接種Glomusmosseae土壤中阿特拉津的殘留量明顯降低。馬放等［46］以農(nóng)藥三環(huán)唑?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)水稻進(jìn)行不同AM真菌接種處理，結(jié)果表明，不同AM真菌接種處理時(shí)，三環(huán)唑的消解率均不同程度地大于對(duì)照處理，且菌劑為150%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Glomusmosseae以及Glomusmosseae和Glomusintraradices的混合菌劑時(shí)效果較好，三環(huán)唑消解率分別為0.10和0.09。以上研究表明AM可促進(jìn)土壤中農(nóng)藥的降解，而降解效果依菌劑類型而異。

2.5 AM對(duì)有機(jī)污染土壤的修復(fù)機(jī)理

AM對(duì)有機(jī)污染土壤的修復(fù)與其自身代謝作用有關(guān)［47］，有機(jī)污染物主要由碳元素構(gòu)成，而AM真菌為異養(yǎng)微生物，需要從外界獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這樣有機(jī)污染物就可以為真菌提供碳源［41］。另外，通過(guò)AM真菌的自身代謝作用污染物可被分解為簡(jiǎn)單的有機(jī)物，或分解為二氧化碳和水，同時(shí)獲得自身所需能源，以達(dá)到降解有機(jī)污染物或降低其毒性的目的［48］。AM真菌與宿主植物建立共生關(guān)系后，能增加植物對(duì)土壤水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，通過(guò)植物的吸收以及在體內(nèi)的積累作用來(lái)降低土壤有機(jī)污染物含量［49］，凌婉婷等［50］研究了多種植物對(duì)土壤中PHAs的吸收作用，結(jié)果顯示，隨著土壤中菲和芘濃度的提高，根中菲和芘含量也明顯增大。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，AM形成后，不僅促進(jìn)宿主植物生長(zhǎng)，也會(huì)引起土壤中根系分泌物數(shù)量和組成的較大變化［43，51］，如，AM 可促進(jìn)氧化酶、過(guò)氧化氫酶等酶類物質(zhì)的分泌，提高根際土壤酶含量和活性，進(jìn)而促進(jìn)有機(jī)污染物的降解［52］。目前，關(guān)于AM修復(fù)有機(jī)污染土壤的機(jī)理還不是很完整，如降解污染物后具體產(chǎn)生何種物質(zhì)、降解動(dòng)力學(xué)等，這些都需要在今后的研究中進(jìn)一步探討。

3 AM對(duì)放射性污染土壤的修復(fù)

20世紀(jì)以來(lái)，隨著核技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的放射性物質(zhì)進(jìn)入土壤，造成嚴(yán)重污染。核試驗(yàn)、核工業(yè)排棄物是土壤放射性污染物的主要來(lái)源［53］，其長(zhǎng)期存在會(huì)對(duì)環(huán)境及生物健康造成威脅。目前，關(guān)于放射性污染土壤研究較多的生物修復(fù)方法依然是植物修復(fù)和微生物修復(fù)［54］，涉及菌根修復(fù)的研究相對(duì)較少。

黃仁華等［55］在137銫污染土壤中接種5種AMF（Glomusgeosporum，Glomusmosseae，Glomusversiforme，Glomusetunicatum和Glomusdiaphanum)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，接種處理的假高粱植株體內(nèi)137Cs比活度不同程度地高于對(duì)照處理，其中有三個(gè)菌種效果明顯：Glomusmosseae增加了40.11%，Glomusetunicatum增 加 了 18.45%，Glomusdiaphanum為17.73%，這說(shuō)明AM可以提高植物對(duì)放射性元素的聚集能力。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌會(huì)降低假高粱根部有機(jī)酸的組成及含量，降低幅度最明顯的也是接種Glo-musmosseae的植株。這表明植株聚集放射性元素的能力可能與其根部分泌有機(jī)酸的組成、含量有密切關(guān)系，但具體機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

菌根修復(fù)作為一種生物修復(fù)技術(shù)而言起步時(shí)間較短，對(duì)AM修復(fù)污染土壤的研究體系還不完善。筆者認(rèn)為，今后需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深層次研究：（1)因地制宜，選擇最佳菌種與處理方式。這是因?yàn)锳M真菌種類較多，對(duì)污染土壤的修復(fù)效果也因土壤環(huán)境、宿主植物等不同而異，因此需要針對(duì)不同類型的污染土壤選擇修復(fù)效果最佳的菌種;其次，就目前土壤狀況來(lái)看，大部分土地均為幾種污染物形成的復(fù)合污染，單一污染情況相對(duì)較少，針對(duì)此現(xiàn)象需要在研究菌根修復(fù)的同時(shí)考慮多種菌劑的復(fù)合使用，以達(dá)到對(duì)復(fù)合污染土壤的修復(fù)。（2)開(kāi)展AM修復(fù)機(jī)理研究。目前，AM修復(fù)機(jī)理大部分停留在假說(shuō)階段，同時(shí)也存在許多爭(zhēng)議，很多關(guān)于土壤修復(fù)的具體過(guò)程需要進(jìn)一步探討，如有機(jī)污染物經(jīng)AM代謝后形成的產(chǎn)物具體是什么;植物通過(guò)菌根大量吸收重金屬后在體內(nèi)如何消耗等。此外，利用分子生物技術(shù)開(kāi)展微觀水平的研究應(yīng)在今后的課題中加強(qiáng)。（3)解決進(jìn)行AM推廣應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。菌根修復(fù)技術(shù)雖然安全度高、可操作性強(qiáng)，成本也相對(duì)較低，但目前研究都只是在小范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究，若今后將其投入大面積的實(shí)際應(yīng)用中，菌劑的生產(chǎn)、保存、運(yùn)輸?shù)榷际羌毙杞鉀Q的問(wèn)題。

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Arbuscular Mycorrhizal Remediation and Mechanisms on Heavy Metals and Organic Pollutants Contaminated Soils

Zhang Youdan，Hao Xianjun＊
（CollegeofResourcesandEnvironment，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801，China)

With the development of modern agricultural technology，the kinds and amounts of contaminants in soil are also increasing rapidly，which led directly to the area of arable land can be used to reduce and cause land reduction of output and amount of economic loss.Therefore，how to restore or remediate of contaminated land has become a hot of environment ecological management in the 21st century.Mycorrhiza is a kind of symbiont that fungi and plant roots formed，it is ubiquitous in nature，and the most common type is arbuscular mycorrhizal（AM).The metabolism of AM can decompose some pollutants in the soil into non-toxic substances，and the glomalinwhich AM secrete can chelate heavy metals in the soil，and after the AM establishing a symbiotic relationship with the host plant，that not only improve the growth conditions of plant，but also cause changes in the rhizosphere micro domain environment，such as pH value，enzymes，and the number and types of microorganisms and other，all of which help to reduce the amount of contaminants in the soil.This paper reviewed the recent progress about AM in contaminated soils，focusing on the effect and its remediation mechanisms of heavy metal and organic contaminated soils，and made discussion on the present research problems and future research direction.

Arbuscular mycorrhizal;Contaminated soil;Rehabilitation;Mechanism

X53

A

1671-8151（2015)05-0519-05

10.13842/j.cnki.issn1671-8151.2015.05.014

2015-02-25

2015-03-19

張又丹（1989-)，女（漢)，河北辛集人，碩士研究生，研究方向：土壤退化與生態(tài)重建

＊通訊作者：郝鮮俊，副教授，碩士生導(dǎo)師。Tel： 18404981582;E-mail：haoxianjun660＠126.com

山西省青年科技研究基金（2011021031－1)

（編輯：武英耀)