王江力，武 靜，王可鑫，薛 珊，王 念，賀 美

(長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100)

1 引言

聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)在2018年發(fā)布的《土壤污染：隱藏的現(xiàn)實(shí)》中指出了全球土壤污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，其中重金屬污染尤為嚴(yán)重[1]。據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤總超標(biāo)率為16.1%，無機(jī)污染占總超標(biāo)率的82.8%，以重金屬污染為主，其中鎘、汞、砷、鉛、銅、鉻、鋅、鎳8種重金屬污染嚴(yán)重[2]。因此，研發(fā)經(jīng)濟(jì)又高效的處理方法與技術(shù)來解決土壤重金屬污染的問題非常必要。

大型真菌對不同類型的重金屬呈現(xiàn)明顯的吸附與富集效果[3]，在土壤重金屬修復(fù)應(yīng)用中具有較大的潛力。大型真菌在土壤重金屬修復(fù)領(lǐng)域與植物修復(fù)較為類似，具有以下特點(diǎn)：①大型真菌對汞、鉻、鎘、砷、鉛等有毒有害重金屬的吸附容量要優(yōu)于植物；②大型真菌可以在同一菌體中吸附多種重金屬元素；③大型真菌在生長周期上要更短，且子實(shí)體容易腐化。利用大型真菌對土壤重金屬污染進(jìn)行生態(tài)修復(fù)在解決土壤重金屬污染的環(huán)境問題上具有一定的優(yōu)勢和可行性。本文通過綜述土壤重金屬污染現(xiàn)狀、大型真菌對重金屬的生物富集機(jī)理以及大型真菌在重金屬生物修復(fù)中的應(yīng)用與反饋，以期為土壤重金屬污染修復(fù)提供參考。

2 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查研究數(shù)據(jù)表明，目前全世界各國重金屬污染程度各有不同。對于發(fā)達(dá)國家而言，其對環(huán)境的治理領(lǐng)先其他國家多年，同時將本國重污染企業(yè)遷移至發(fā)展中國家，使發(fā)達(dá)國家在土壤重金屬污染問題上并不突出。對于一些落后的發(fā)展中國家而言，礦區(qū)開采、工業(yè)企業(yè)尤其是承接的重污染企業(yè)，使得該地區(qū)污染加重。如澳大利亞遺留礦區(qū)Hg污染嚴(yán)重超標(biāo)[4]，印度美達(dá)克省Cr、Cu、Cd、As、Ni、Pb、等6種重金屬都處于中-重度污染范圍[5]，蒙古烏蘭巴托市發(fā)電廠燃煤，汽車增加，加重了該地區(qū)土壤的砷鉛污染[6]，伊朗伊斯法罕市穆巴拉克鋼鐵廠附近土壤Co、Mn、As、Pb、Cd、Ba和Mo處于中等污染水平[7]。

對我國而言，建國后相當(dāng)長的一段時間里，環(huán)境污染集中在一些工業(yè)城市。由于土壤重金屬污染具有易遷移、隱蔽性強(qiáng)、化學(xué)成分復(fù)雜等特點(diǎn)，使得人們對土壤重金屬污染不夠重視，保護(hù)法案不夠完善。直到最近幾年，逐漸意識到土壤重金屬污染的嚴(yán)重性。我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀和趨勢仍在不斷惡化，具有以下特點(diǎn)：①耕地污染嚴(yán)重。受重金屬污染耕地面積達(dá)1000萬hm2，占據(jù)總耕地面積的8%以上；②工業(yè)和礦業(yè)及周邊地區(qū)污染仍在加??；③高背景值地區(qū)重金屬嚴(yán)重超標(biāo)；④放射性重金屬污染逐漸明顯[8]。據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，重污染企業(yè)用地、工業(yè)廢棄地、工業(yè)園區(qū)、采礦區(qū)、污水灌溉區(qū)、干線公路兩側(cè)土壤污染超標(biāo)點(diǎn)位分別為36.3%、34.9%、29.4%、33.4%、26.4%、20.3%，其中大部分以重金屬污染為主[2]。

總體而言，全球重金屬污染仍在不斷加劇，土壤重金屬污染問題仍然沒有好的解決方法。

3 大型真菌對重金屬的富集機(jī)理

大型真菌對重金屬的生物富集由生物吸附、生物轉(zhuǎn)運(yùn)、生物積累等過程共同實(shí)現(xiàn)。其中生物吸附是生物富集的基礎(chǔ)，隨后大型真菌將吸附的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至體內(nèi)，最終富集在真菌體內(nèi)的特定部位。

3.1 大型真菌的吸附機(jī)制

大型真菌對重金屬的吸附分被動吸附和主動吸附兩類。被動吸附分為胞外吸附、表面吸附，主動吸附主要為胞內(nèi)吸附。

3.1.1 被動吸附

被動吸附依靠細(xì)胞胞外聚合物(EPS)與重金屬形成聚合物使重金屬固定。有研究發(fā)現(xiàn)大型真菌的EPS主要由75%左右的葡聚糖與少量的蛋白質(zhì)以及其他物質(zhì)組成[9]，不同組成成分的EPS對不同重金屬的固定作用不同。

被動吸附過程中表面吸附、胞外吸附需要不同的EPS，表面吸附利用的是一類與細(xì)胞緊密結(jié)合的EPS(TB-EPS)[10]。這類TB-EPS是分布在細(xì)胞表面糖類和蛋白質(zhì)，其中包含羥基、羧基、巰基等官能團(tuán)，這些官能團(tuán)通過靜電吸附、氧化還原、離子交換等形式對重金屬作用，將其固定在細(xì)胞表面。李三署[11]在對姬松茸的研究中發(fā)現(xiàn)，Cd在姬松茸中的富集主要集中在細(xì)胞壁上，其占比高達(dá)83.2%，僅有少部分進(jìn)入大型真菌內(nèi)部。胞外吸附需要依靠脫離細(xì)胞外的EPS，稱之為可溶性細(xì)胞外聚合物(SMP)[12]，主要由蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、黑色素等物質(zhì)組成，可以為細(xì)胞提供一個緩沖空間，增加細(xì)胞對環(huán)境的適應(yīng)能力[13]。

SMP還可作為金屬活化物，改變重金屬離子的生物可利用性，影響大型真菌對重金屬的吸附效果。SMP對的重金屬活化在植物的根際領(lǐng)域[14]和單細(xì)胞微生物領(lǐng)域[15]都有發(fā)現(xiàn)，但對大型真菌方面研究較少。部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)野生菌絲分泌物中的含碳物質(zhì)可以活化土壤中的Cr[16]。茶麗娟等[17]在對野生菌生長土壤重金屬形態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn)野生菌生長分泌物對土壤Pb有很好的活化作用。

3.1.2 主動吸附

主動吸附是能夠表現(xiàn)大型真菌對重金屬耐受程度的一種行為方式，這種吸附方式不僅需要大型真菌消耗一定能量，而且還需要真菌提供相應(yīng)的金屬離子通道。當(dāng)細(xì)胞吸收重金屬后，可通過“區(qū)域化作用”分散于細(xì)胞內(nèi)的不同區(qū)間，而在細(xì)胞體內(nèi)會有金屬硫蛋白(MT)的合成，MT可通過半胱氨酸(Cys)殘基上的基團(tuán)固定重金屬[18]。

大型真菌要發(fā)生主動吸附必須滿足一定的條件，只有當(dāng)SMP的某種金屬結(jié)合位點(diǎn)被消耗殆盡時，重金屬才有可能大面積的接觸到真菌細(xì)胞。在真菌表面存在著大量的糖類和蛋白質(zhì)，這些糖類和蛋白質(zhì)會選擇性的吸附某些重金屬離子，最后這些重金屬離子才會通過金屬離子通道進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)[19]。Didier Michelot通過對大型真菌吸附重金屬的機(jī)制進(jìn)行分析，結(jié)果表明重金屬主要與大型真菌的特定性金屬蛋白結(jié)合后才被運(yùn)送至細(xì)胞體內(nèi)[20]。這種吸附方式與植物細(xì)胞吸收物質(zhì)的行為類似，但與植物的吸附機(jī)制相比，大型真菌對重金屬的吸附性能要優(yōu)于植物的根系吸收[21]。其主要原因可能是運(yùn)輸通道的問題，大部分植物主要通過導(dǎo)管運(yùn)輸吸附的重金屬物質(zhì)，而大型真菌則可以在每一條菌絲上轉(zhuǎn)移。

3.2 大型真菌對重金屬的生物轉(zhuǎn)運(yùn)

大型真菌屬于一類特殊的微生物群體，既有微生物的特性又有較大的子實(shí)體，使其對重金屬有很好的富集效果。大型真菌同植物一樣都有自己的一套運(yùn)輸體系，將重金屬物質(zhì)從體外轉(zhuǎn)運(yùn)至體內(nèi)。劉瑞霞等[19]對重金屬的生物吸附機(jī)理及吸附平衡模式研究，發(fā)現(xiàn)重金屬進(jìn)入生物體內(nèi)主要分為兩步進(jìn)行：①重金屬在細(xì)胞表面與細(xì)胞外側(cè)官能團(tuán)有機(jī)結(jié)合；②細(xì)胞通過主動吸附，利用某些酶與重金屬結(jié)合從而運(yùn)送至細(xì)胞內(nèi)。大型真菌主要通過菌根來完成對重金屬的吸附作用，并通過生物的運(yùn)輸功能送至各個部位。

大型真菌從環(huán)境中吸收轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬受外界環(huán)境、大型真菌種類和重金屬種類的影響。黃建成等通過姬松茸對Pb、As、Hg、Cd四種重金屬的富集規(guī)律及控制技術(shù)研究，結(jié)果表明姬松茸在菌絲的作用下將培養(yǎng)環(huán)境中的4種金屬富集到子實(shí)體中，并且培養(yǎng)環(huán)境與子實(shí)體菌絲中重金屬具有很強(qiáng)的相關(guān)度[22]。王小平[23]對姬松茸(口蘑科)吸附重金屬的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明5種重金屬在姬松茸中呈現(xiàn)從下到上、從中間向外側(cè)逐漸增加的趨勢。由于大型真菌主要由許多細(xì)小菌絲交錯盤繞而形成，其物質(zhì)運(yùn)輸自下而上，加之蘑菇表面與環(huán)境接觸面積較大，會吸收來自大氣和水環(huán)境中的一些重金屬，使得中重金屬的總體轉(zhuǎn)運(yùn)趨勢呈現(xiàn)這種規(guī)律。

3.3 大型真菌對重金屬的生物積累

大型真菌對于不同重金屬的生物累積因污染條件、重金屬結(jié)合位點(diǎn)等因素變化而存在差異。如絨柄牛肝菌菌蓋對Mg、Zn、Cd的吸附量較大，菌柄則對Co、Ni有較強(qiáng)的累積行為[24]。冬蓀菌蓋中的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]，這有可能與真菌體內(nèi)的重金屬結(jié)合位點(diǎn)密切相關(guān)。在無污染的情況下，雙胞蘑菇中的Pb、Cd的含量是菌柄小于菌蓋。在污染條件下，Pb則正好相反，而Cd含量仍然是菌柄小于菌蓋[26]。其原因可能有2種：一方面可能是由于重金屬形態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在真菌中的結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生變化；另一方面的原因可能是當(dāng)某種重金屬含量過高時會誘導(dǎo)真菌細(xì)胞分泌某種物質(zhì)，從而使得重金屬無法向其它部位轉(zhuǎn)移。

4 大型真菌對土壤重金屬的生物修復(fù)及反饋機(jī)制

早期解決土壤重金屬污染主要依靠物理方法：客土、換土技術(shù)，化學(xué)法：淋洗技術(shù)、鈍化技術(shù)，生物法：植物修復(fù)技術(shù)。近些年植物修復(fù)土壤重金屬的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是植物修復(fù)技術(shù)仍然具有明顯的不足[27,28]。而大型真菌作為一種多細(xì)胞的真菌，較大的子實(shí)體便于采摘，較短的生長周期便于充分富集，較高的環(huán)境耐受性便于生長繁殖，使得大型真菌在解決土壤重金屬污染問題上具有很重要的價值。

4.1 不同真菌對重金屬的生物修復(fù)

大型真菌在富集重金屬時存在特異性，根據(jù)重金屬的富集效果可分為不易富集重金屬類型、特定重金屬富集類型、多種重金屬富集類型三大類。

不易富集重金屬的大型真菌的胞內(nèi)吸附和表面吸附能力較差，與其他大型真菌相比其體內(nèi)產(chǎn)生的某些特殊酶可能較少。對于大部分樹生菇而言，這類大型真菌屬于不易富集重金屬類型，在自然環(huán)境下樹生菇對重金屬的富集系數(shù)要小。平菇作為生活中最為常見的一種大型食用樹生菇，與其他食用菌相比對重金屬吸附量明顯較小[29]?？赡苁且?yàn)槠渲饕臓I養(yǎng)來源為木質(zhì)類的植物殘體和纖維質(zhì)的植物殘體，從而限制重金屬來源。

在自然環(huán)境中普遍存在的是對特定金屬有特異性吸附的大型真菌類，通過泌金屬蛋白酶促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)移到特定的結(jié)合位點(diǎn)，從而達(dá)到對重金屬元素超富集的目的。Ertugrul Sesli 等[30]對土耳其黑海附近80多株大型真菌重金屬含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明不同真菌對特定金屬存在特異性吸附現(xiàn)象。例如80多株大型真菌中傘形赤酶屬對對Mn和Zn的富集能力較強(qiáng)，而鵝膏菌科鵝膏菌屬對Co和As的富集能力較強(qiáng)。

多種重金屬富集類型真菌對環(huán)境中的多種重金屬有很強(qiáng)的富集能力，通常含有許多能與重金屬結(jié)合的物質(zhì)。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，這些物質(zhì)對重金屬有較強(qiáng)的吸附效果，使得姬松茸對許多重金屬有較好的吸附性能。在人工栽培的環(huán)境中姬松茸對Hg、Cd的富集系數(shù)分別為2.4～4倍和27.8～32.4倍[22]。同姬松茸一樣，部分食用菌也具有對多種重金屬吸附的能力，在對鳳尾菇、香菇、金針菇、木耳子實(shí)體對重金屬的富集效果研究中發(fā)現(xiàn)，四種大型真菌對 As、Cd、Hg都表現(xiàn)出明顯富集作用[31]。

自然狀態(tài)下大型真菌吸附重金屬的能力會受到環(huán)境的限制，如表1所示，相同地區(qū)不同類型大型真菌與不同地區(qū)相同類型真菌對重金屬的吸附量存在差異。而決定大型真菌對重金屬富集能力在于該地區(qū)重金屬的濃度[31]和重金屬形態(tài)[17]。

表1 自然狀態(tài)下不同大型真菌對7種重金屬吸附量 μg/g

4.2 大型真菌對富集重金屬的反饋機(jī)制

無論是在自然環(huán)境還是實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，已經(jīng)有大量實(shí)驗(yàn)證明，大型真菌對重金屬具有吸附和固定化作用，而重金屬也會對大型真菌產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用。一般而言，重金屬會在低濃度時促進(jìn)真菌生長，而在高濃度時對真菌產(chǎn)生抑制作用。

4.2.1 富集重金屬對生物量的影響

重金屬的價態(tài)不同其毒性可能差別較大，例如有機(jī)汞、二價汞和零價汞，Cr3+和Cr6+等相同元素不同價態(tài)造成的毒性差異較大。但是重金屬與微生物的較量已持續(xù)了幾億年，某些微生物在自然環(huán)境中已形成較好的反饋機(jī)制。例如當(dāng)土壤中出現(xiàn)較多的Cr6+時，土壤中的一些微生物會通過還原作用將毒性較強(qiáng)的Cr6還原為毒性較弱的Cr3+。

重金屬濃度是影響大型真菌生長的關(guān)鍵，劉秋梅[36]利用As、Cd、Pb、Hg四種重金屬對平菇進(jìn)行脅迫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明除了Pb在60～120 μmol/L時有一定的促進(jìn)作用，其他三種重金屬在不同濃度下均有一定的抑制效果，尤其在高濃度下，會存在完全抑制現(xiàn)象。李波[37]在對鎘脅迫姬松茸的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cd濃度在2 mg/kg以下時，鎘對姬松茸是有促進(jìn)作用，但是當(dāng)Cd濃度超過2 mg/kg時姬松茸的生長逐漸受到抑制。陳亞精[38]利用靈芝、木耳和香菇對鉛、砷、鎘、鋁毒理效應(yīng)研究時，推斷敏感重金屬可以抑制食用菌菌絲的生長，但其影響機(jī)理尚不明確。瑞典學(xué)者曾利用Cu對土壤微生物種群數(shù)量進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)Cu<100 mg/L時，土壤中的微生物有35種，當(dāng)Cu達(dá)到1000 mg/L時，土壤中的微生物只有25種，當(dāng)Cu達(dá)到10000 mg/L時，土壤中的微生物只有13種[39]。

在對重金屬的毒理學(xué)效應(yīng)的研究中不難發(fā)現(xiàn)，重金屬一方面會抑制真菌的生長，另一方面真菌分泌EPS會促進(jìn)真菌對重金屬的吸附作用。在這種機(jī)制的作用下可以使得大型真菌在土壤重金屬修復(fù)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

4.2.2 富集重金屬對酶活的影響

重金屬等有毒有害化合物會對大型真菌活性酶的分泌產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)大型真菌的生存環(huán)境中重金屬濃度增加時，部分酶活性被抑制，同時會產(chǎn)生大量的活性氧自由基，大型真菌會分泌超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化氫酶(POD)和抗氧化的谷胱甘肽來保護(hù)真菌細(xì)胞不受損害[40]。

重金屬對酶活性的影響主要表現(xiàn)在低濃度促進(jìn)高濃度抑制，但是有些重金屬對大型真菌也存在低濃度抑制的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)As、Cd、Pb、Hg四種不同重金屬對平菇的羧甲基纖維素酶、蛋白酶、漆酶的活性影響大且差異明顯[36]。同時在Pb2+、Cr3+、Cd2+對糙皮側(cè)耳的研究中發(fā)現(xiàn)，糙皮側(cè)耳中的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化氫酶(POD)會隨著重金屬濃度的增加出現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的作用[41]，其中Cd對漆酶有明顯的抑制作用[42]。

這些現(xiàn)象在一定程度上反映了生物的生存機(jī)制，當(dāng)污染物質(zhì)與細(xì)胞接觸時，細(xì)胞就會主動的分泌一些物質(zhì)來抵御污染物質(zhì)的入侵。而污染物的驟增，會使細(xì)胞分泌物難以抵消污染物所帶來的影響，從而出現(xiàn)細(xì)胞活性降低或死亡的現(xiàn)象。

5 結(jié)語與展望

近年來部分學(xué)者開始對大型真菌修復(fù)土壤重金屬污染進(jìn)行研究，但是由于生物特性使得大型真菌在修復(fù)土壤重金屬污染方面沒有太多的工業(yè)應(yīng)用。歸其原因，可能是由以下幾種特性造成：

(1)大型真菌需要在陰暗潮濕溫暖的環(huán)境下生長；

(2)有些大型真菌對土壤環(huán)境(pH值、溫度、營養(yǎng)物、重金屬濃度)的要求較高；

(3)大型真菌在土壤修復(fù)過程中與土著微生物存在競爭關(guān)系，在自然狀態(tài)下土著微生物會占據(jù)明顯優(yōu)勢。

因此要想在未來大型真菌修復(fù)重金屬領(lǐng)域取得一定的進(jìn)展，還需要在以下幾個方面加大研究力度：

(1)優(yōu)化工業(yè)手段。在原位或異位修復(fù)過程中盡量保持大型真菌的基本生存環(huán)境，并優(yōu)化大型真菌的栽培方法，使更多的野生菌能夠人工栽培；

(2)提高大型真菌的抗性。有些大型真菌會對一些環(huán)境要素非常敏感，在研究時，可以向基因工程方面深入了解；

(3)提高物種豐富度。現(xiàn)階段人類對于大型真菌種類的了解還很少，因此要不斷加強(qiáng)對真菌的篩選與馴化研究。從而更早地實(shí)現(xiàn)大型真菌修復(fù)技術(shù)的工程化實(shí)踐應(yīng)用。