李春, 劉晶靜, 張迎賓

稀土礦區(qū)植物修復(fù)研究進(jìn)展

李春, 劉晶靜*, 張迎賓

江西理工大學(xué), 江西 南昌 330013

稀土資源過度開采嚴(yán)重地破壞了生態(tài)環(huán)境, 礦區(qū)生態(tài)修復(fù)亟待解決。綜述了我國稀土礦區(qū)的污染現(xiàn)狀, 歸納了礦區(qū)先鋒植物和超積累植物對(duì)稀土元素的富集和耐受機(jī)制; 探究了土壤改良劑在礦區(qū)植物修復(fù)過程中的作用, 以及根際微生物與植物聯(lián)合修復(fù)的機(jī)制; 分析了Proteobacteria(變形桿菌門)、Firmicutes(厚壁菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)等菌群成為植物修復(fù)中優(yōu)勢類群的影響因素。最后對(duì)根際微生物與植物聯(lián)用在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的研究與應(yīng)用做出了展望。

稀土礦區(qū); 植物修復(fù); 土壤改良劑; 叢枝菌根真菌

0 前言

我國以36.9%的稀土資源承擔(dān)著全球80%的市場供應(yīng)，稀土資源銷量、出口量、儲(chǔ)存量都居全球首位。隨著稀土在高科技領(lǐng)域地位不斷提升，稀土資源需求量逐年加大。2019年，我國稀土產(chǎn)量達(dá)13.2萬噸，稀土及其制品出口金額高達(dá)22.79億美元，不僅為全球稀土供應(yīng)做出了重要貢獻(xiàn)，也滿足了國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要。但是與此同時(shí)，無證開采、盜采、亂采、過度開采等造成礦區(qū)環(huán)境破壞的行為絡(luò)繹不絕，也引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，成為社會(huì)各界高度關(guān)注的對(duì)象。本文綜述了我國稀土礦區(qū)污染現(xiàn)狀；探討了超積累植物以及先鋒植物修復(fù)稀土礦區(qū)的機(jī)制，以及植物和根際微生物聯(lián)用有效降低土壤稀土元素(Rare earth elements, REEs)含量的原因；總結(jié)了植物修復(fù)稀土礦區(qū)過程中菌群結(jié)構(gòu)變化的影響因素；最后探討了今后的研究方向，為稀土礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供了理論依據(jù)和新的思路。

1 我國稀土礦區(qū)污染現(xiàn)狀

礦產(chǎn)資源的開發(fā)改變了稀土礦山原有地形地貌，遺留了許多廢棄礦坑及尾礦區(qū)，引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，嚴(yán)重?fù)p害礦區(qū)生態(tài)。早期稀土資源開發(fā)采用堆浸與池浸工藝，需要?jiǎng)冸x表土、開挖礦體，以氯化鈉或硫酸銨為浸礦劑，草酸或碳酸氫銨為沉淀劑提取稀土[1]。這一過程導(dǎo)致礦區(qū)大面積人工裸地形成、水土流失加劇、土壤營養(yǎng)元素缺乏；因浸礦劑和沉淀劑對(duì)外排放，更導(dǎo)致了礦區(qū)及周邊土壤鹽堿化、植物難以生長，環(huán)境損傷不可估量[2]。江西贛州市廢棄稀土礦山面積達(dá)94.46平方公里，花費(fèi)2.86億元環(huán)境整治專項(xiàng)資金，僅治理了9.61平方公里。截止到2013年，我國因稀土開采而造成的生態(tài)破壞面積高達(dá)17萬公頃。南方七省離子型稀土礦、內(nèi)蒙古包頭礦、四川涼山和山東微山氟碳鈰礦產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境損失成本高達(dá)81.1億元，致使我國稀土產(chǎn)業(yè)凈利潤為負(fù)數(shù)，當(dāng)?shù)匾惨蛳⊥灵_采付出了巨大的環(huán)境和資源代價(jià)[3]。

2012年，工業(yè)和信息化部明令禁止采用堆浸、池浸等落后選礦工藝進(jìn)行稀土資源開發(fā)，原地浸出技術(shù)迅速發(fā)展，成為了礦山開采的主要手段。原地浸出工藝破壞地表地貌面積較少，不產(chǎn)生尾砂區(qū)，礦區(qū)沙化程度較小，稀土資源回收率高，被認(rèn)為是“離子型稀土開采的綠色工藝”[4]。該工藝僅需向注液井(礦區(qū)土壤)中注入浸提液(氨鹽、硫酸鹽或草酸鹽)，再通過布設(shè)巷道回收浸提液，減輕了山體植被的損害程度[1]。但是在整個(gè)采選過程中，由于防滲層滲漏以及收集系統(tǒng)不完善等原因，含有污染物的殘留液、氮素(NH4+)和利用價(jià)值較低的稀土母液進(jìn)入礦區(qū)土壤和附近水源，造成土壤嚴(yán)重酸化，周邊地下水和河流氨氮嚴(yán)重超標(biāo)[2]。稀土資源的開采也常有釷和鈾等放射性重金屬元素伴生，威脅農(nóng)林生態(tài)和自然生態(tài)安全。如牦牛坪稀土礦尾礦庫放射性污染嚴(yán)重、影響范圍廣，釷和鈾比活度最高達(dá)1700 Bq·kg–1，長期輻射照射對(duì)礦區(qū)及周邊居民健康產(chǎn)生了不良影響[5]。由于浸提液的大量使用，礦區(qū)中殘留的大量氨氮不僅影響土壤中重金屬離子化學(xué)形態(tài)和遷移能力，引發(fā)銅、鋅、鎘等重金屬的二次污染，而且殘留氨氮易被雨水沖刷、排入附近水體，引起水體富營養(yǎng)化[1, 2]。贛州龍南縣廢棄離子型稀土礦表層土壤的總氮含量最高達(dá)648mg·kg–1，下游水體氨氮濃度達(dá)100mg·L–1，呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，嚴(yán)重影響周邊居民的生產(chǎn)生活以及水生植物和農(nóng)田作物生長[6]。大量研究表明，稀土礦區(qū)及周邊土壤中REEs濃度明顯高于我國土壤REEs平均濃度(187.6 mg·kg–1)；礦區(qū)酸性土壤環(huán)境活化了錸、鋁、鐵等金屬離子，使其在土壤中濃度升高；土壤對(duì)REEs的強(qiáng)烈吸附性使其在礦區(qū)及周邊土壤環(huán)境中不斷積累、難以除去，最終導(dǎo)致動(dòng)植物體中REEs含量超過限值[2]。與此同時(shí)，礦區(qū)周邊居民日均REEs攝入量也偏高，甚至遠(yuǎn)超稀土對(duì)人體亞臨床損害劑量的臨界值6.0—6.7mg·(kg·d)–1，嚴(yán)重威脅居民的身體健康。包鋼尾礦區(qū)土壤中鈰含量高達(dá)7,826.9mg·kg–1，生長于該區(qū)域堿蓬的根、莖、葉中REEs含量隨著土壤REEs濃度增加而升高[7]。山東輕稀土礦區(qū)水果中REEs平均含量為142.5μg·kg–1，為非礦區(qū)(16.1μg·kg–1)的9倍，礦區(qū)居民通過水果攝入REEs日均量為0.58 μg·kg–1[8]。廣東省平遠(yuǎn)縣廢棄稀土礦土壤中REEs含量最高達(dá)1064 mg·kg–1，礦區(qū)種植的水稻和黃豆根中REEs含量分別為581.25mg·kg–1和960.45 mg·kg–1[9]。江西龍南稀土礦區(qū)土壤中REEs平均濃度為976.94mg·kg–1，是我國土壤REEs平均濃度的5倍；河水中REEs濃度達(dá)55.72mg·L–1；農(nóng)田種植的白菜和蘿卜中REEs濃度高達(dá)78.57 mg·kg–1和36.58mg·kg–1，遠(yuǎn)超我國蔬菜衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中REEs的濃度限值0.70mg·kg–1，礦區(qū)居民通過農(nóng)作物和飲水?dāng)z入的REEs日均量為295.33 μg·kg–1[10]。REEs隨著植物根系吸收土壤養(yǎng)分的過程進(jìn)入植物細(xì)胞，不僅影響細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、葉綠體光合作用，誘使植物細(xì)胞染色體畸變，而且過量的REEs會(huì)在植物體內(nèi)積蓄，通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物甚至人體，在肺部和淋巴結(jié)中積累，造成不可逆性傷害[11]。由此可見，稀土礦區(qū)污染治理和生態(tài)修復(fù)是區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)所面臨并亟待解決的關(guān)鍵問題。

2 稀土礦區(qū)植物修復(fù)

2011年，我國環(huán)保部頒布了《關(guān)于加強(qiáng)稀土礦山生態(tài)保護(hù)與治理恢復(fù)的意見》，把保護(hù)礦山的生態(tài)環(huán)境放在了首位。黨的十八大明確推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，多次強(qiáng)調(diào)“綠水青山就是金山銀山”的重要理念。各省不斷加大礦山生態(tài)修復(fù)力度，廢棄稀土礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與重建已成為大勢所趨。礦區(qū)修復(fù)主要包括改善土壤理化性質(zhì)，清除土壤中REEs和重金屬元素，恢復(fù)植被等工作。在目前應(yīng)用廣泛的土壤污染修復(fù)技術(shù)中，物理及化學(xué)修復(fù)技術(shù)處理效果顯著、適應(yīng)性廣，但因投資費(fèi)用高、容易形成二次污染等問題，在稀土礦區(qū)修復(fù)方面有一定的局限性。植物修復(fù)技術(shù)成本低、無二次污染，是大面積污染土壤修復(fù)過程中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)手段[8]。利用植物修復(fù)技術(shù)，大量廢棄的稀土礦區(qū)已經(jīng)完成了植被演替，土壤狀況也得到了改善，取得了較好的生態(tài)效應(yīng)。

2.1 稀土礦區(qū)適用的先鋒植物

廢棄稀土礦區(qū)不僅土壤酸化嚴(yán)重、REEs含量高，還會(huì)伴隨大量重金屬元素的溶出，導(dǎo)致植物難以生存。因此，礦區(qū)的植物修復(fù)不僅需要采用超積累植物對(duì)土壤中REEs進(jìn)行專性吸收，還需搭配一些本地植物作為先鋒物種，改善土壤理化性質(zhì)，加速礦區(qū)植被演替進(jìn)程[12]。先鋒植物不僅生長快速、根系發(fā)達(dá)、比表面積大，而且能夠深入土層松動(dòng)板結(jié)土壤，與微生物及污染物充分接觸，是改善稀土礦區(qū)初期條件的最優(yōu)途徑(表1)[13]。

表 1 修復(fù)廢棄稀土礦區(qū)的先鋒植物

草本植物生長繁殖快、成本低，可有效改善礦區(qū)土壤條件。馬唐草及兩耳草覆蓋率高，能有效提高土壤中有機(jī)氮、有機(jī)磷等營養(yǎng)成分的含量，改變礦區(qū)地表外貌；還可通過增加脯氨酸、丙二醛及超氧化物岐化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶的含量，抵御礦區(qū)干旱環(huán)境[12,14]。紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)，深入土層改善土壤結(jié)構(gòu)；還可將重金屬以難溶化合物的形式儲(chǔ)存在代謝活性較低的細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙以及液泡中，減少重金屬元素對(duì)植物體的毒害，保持植物體正常代謝功能的同時(shí)，使重金屬元素在植物體中不斷積累[15]。

部分喬木科植物對(duì)REEs也有一定的吸收和積累作用，還能提高礦區(qū)各層次群落的多樣性。桉樹和馬尾松細(xì)胞壁中含有大量果膠和多糖，可固定金屬離子；液泡中富含硫的肽和有機(jī)酸可螯合金屬離子，將大量REEs固定在植物體中，再通過增加過氧化氫酶等酶類、谷胱甘肽及抗壞血酸的含量以減輕REEs對(duì)根系的損害[16]。因此，桉樹根部REEs含量可達(dá)986 mg·kg–1，馬尾松根部REEs含量可達(dá)207 mg·kg–1[17]。桉樹還可調(diào)節(jié)表土層pH，增加土壤有效磷、有效氮和有機(jī)質(zhì)含量，有助于增加草本植物多樣性，促進(jìn)灌叢形成；馬尾松則可顯著提高土壤微生物的豐度和多樣性[18]。臍橙等具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的喬木科植物不僅能吸收土壤中REEs，改善礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)水源涵養(yǎng)，還能給礦區(qū)居民創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。在臍橙的葉片中，鑭、鈰及釹等輕稀土元素(Light rare earth element, LREEs)可代替鎂離子等微量元素與葉綠素a、葉綠素b作用，增強(qiáng)葉片光合作用[19]。與其他部位相比，臍橙果實(shí)中 LREEs含量最小，并且與土壤LREEs濃度呈正相關(guān)[19,20]。有研究表明，臍橙果實(shí)中REEs含量(≤ 0.11 mg·kg–1)遠(yuǎn)小于食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)的限量值(≤ 0.70 mg·kg–1)，符合綠色食品標(biāo)準(zhǔn)[20]。

草本植物和喬木科植物對(duì)稀土礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)效果不同，而采用多種類植物混種的方式能有效增加植被和微生物多樣性。如芒草、馬尾松及毛竹混合種植能有效提高礦區(qū)土壤氮磷含量，增加地表植被豐度，形成多層次混交林從而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[21]。構(gòu)樹、胡枝子及香根草混合種植使得土壤中氮磷鉀分別提高32.90%、56.38%、37.48%[22]。廢棄稀土礦區(qū)土壤成分復(fù)雜，影響因素眾多，在實(shí)地修復(fù)過程中，通常采用多種植物混合種植的方式，充分利用不同植物的特性快速修復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境。

2.2 稀土礦區(qū)超積累植物修復(fù)機(jī)制

稀土礦區(qū)的植物修復(fù)實(shí)際是植物對(duì)REEs富集和穩(wěn)定化的過程，利用超積累植物對(duì)REEs的專性吸收，能夠有效降低礦區(qū)土壤REEs含量。已報(bào)道的REEs超積累植物有芒萁、山核桃、美洲商陸、烏毛蕨等20余種，其中16種為蕨類植物，而且蕨類植物葉片中REEs含量高于其他部位[17]。REEs在鐵芒萁各部分的分布規(guī)律是葉>根>莖，根部REEs含量為851.52 mg·kg–1，葉片REEs含量將近為根部的兩倍，高達(dá)1,494 mg·kg–1；烏毛蕨葉片REEs含量為865 mg·kg–1，根部REEs含量為192 mg·kg–1；扇葉鐵線蕨葉片REEs含量為313 mg·kg–1，根部REEs含量為106 mg·kg–1[21,26]。蕨類葉片REEs含量高，是由于其葉片細(xì)胞壁中的脂多糖和二磷酸核酮糖羧化酶能夠儲(chǔ)存大量REEs，葉綠體中的葉綠素和葉黃素也具有儲(chǔ)存REEs的能力，可形成葉綠素a-鈰、葉綠素a-鐠等葉綠素-REEs絡(luò)合物；葉肉細(xì)胞壁中含有大量果膠、半纖維素和纖維素等負(fù)離子基團(tuán)，可與稀土離子結(jié)合并將其固定在細(xì)胞壁中[21]。山核桃葉片也是REEs的富集中心，因?yàn)樵S多酶的催化中心含有大量金屬元素，REEs可取代重金屬元素形成新的酶亞型，從而將REEs固定在山核桃體內(nèi)[23,27]。REEs在美洲商陸體內(nèi)的分布規(guī)律則是根>莖>葉，因?yàn)槊乐奚剃懣煞置诙喾N小分子有機(jī)酸，如乳酸、蘋果酸、草酸和檸檬酸等，有效促進(jìn)植物根系對(duì)土壤REEs的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，致使根部REEs含量較高[28]。在美洲商陸木質(zhì)部中，檸檬酸可與鉺、鐿、镥等重稀土元素(Heavy rare earth element, HREEs)絡(luò)合，草酸與銩絡(luò)合形成穩(wěn)定復(fù)合物，有機(jī)配體可與REEs生成螯合物存于植物體內(nèi)，而小分子酸可促進(jìn)REEs在木質(zhì)部導(dǎo)管中的向上運(yùn)輸和積累[24]。由上述可知，REEs可存儲(chǔ)于植物體的某些組織中，參與植物的生長發(fā)育，使得REEs在不同種類植物中產(chǎn)生不同的分布規(guī)律；有機(jī)酸、離子基團(tuán)、酶、植物螯合肽等超積累植物分泌物對(duì)植物吸收富集REEs具有重要的作用，不同種類超積累植物分泌物會(huì)產(chǎn)生不同的吸收、促進(jìn)機(jī)制。因此，植物分泌物的研究有助于進(jìn)一步揭示植物超積累REEs的機(jī)制。

2.3 土壤改良劑促進(jìn)植物修復(fù)機(jī)制

植物修復(fù)雖然是改良廢棄稀土礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的最優(yōu)途徑，但是植物生長周期較長，土壤養(yǎng)分需經(jīng)過4—5年才能與未開礦前相似[23]。因此，在植物修復(fù)過程中常通過施加土壤改良劑的方式提高植物及根系微生物的生長繁殖能力和新陳代謝活躍度，提高植物修復(fù)污染土壤的能力。pH是影響土壤中REEs溶解度、遷移性和植物對(duì)REEs選擇性吸收的重要因素。石灰、粉煤灰、木屑等生物可降解物質(zhì)的添加能有效改善土壤酸堿度，更有利于植物生長和植物對(duì)REEs的吸收[29]。植物生長繁殖及抵抗不良環(huán)境的過程中，會(huì)產(chǎn)生酶、氨基酸、糖類、有機(jī)酸等分泌物，提高植物對(duì)REEs的富集效果，降低REEs在土壤中的遷移能力，達(dá)到隔絕REEs進(jìn)入食物鏈的作用[24,30]。植物根系產(chǎn)生的酶和氨基酸有助于根際酸化和電子轉(zhuǎn)移，緩沖胞質(zhì)中稀土離子的濃度，從而促進(jìn)細(xì)胞解毒并提高REEs的植物利用度[30,31]。天冬氨酸和天冬酰胺能有效增強(qiáng)番茄幼苗根系對(duì)鑭的吸收[32]；螯合劑可強(qiáng)化根系對(duì)土壤REEs的吸收，加強(qiáng)木質(zhì)部輸送REEs到地上部的能力[33]；組氨酸與LREEs螯合，促進(jìn)細(xì)胞壁中羥基等自由基與LREEs結(jié)合，形成復(fù)合物存于細(xì)胞中[34]。植物木質(zhì)部產(chǎn)生的檸檬酸、蘋果酸等低分子有機(jī)酸，不僅參與了木質(zhì)部金屬元素和營養(yǎng)元素的運(yùn)輸過程，而且可與土壤中的REEs絡(luò)合從而改變REEs的生物可利用性，增強(qiáng)植物對(duì)REEs的富集能力[35]。蘋果酸和檸檬酸可有效增加LREEs在土壤中的解吸率，促進(jìn)植物對(duì)REEs的吸收和積累；檸檬酸可與鑭、鉺、釓、釹等REEs形成可溶性復(fù)合物，增加REEs在根際的遷移量[34]。糖類不僅為植物提供了生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，增強(qiáng)了土壤微生物的活性，還能增加REEs的運(yùn)輸量[36]。如馬尾松韌皮部高含量的可溶性糖，提高了植物細(xì)胞自身的滲透性和抗性，還提高了REEs從根系運(yùn)輸至地上部的運(yùn)輸量[37]。一些土壤改良劑的添加還能有效降低土壤中重金屬活性，如活性污泥經(jīng)改良后制成的污泥生物炭與紫花苜蓿聯(lián)用，能改善土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和酸堿度，而且污泥生物炭中含有大量官能團(tuán)可與重金屬離子絡(luò)合，降低重金屬的毒性和遷移能力[38]。新型土壤改良劑的研發(fā)不僅要遵循成本低、效果好、潛在危險(xiǎn)系數(shù)小，對(duì)REEs具有較高吸附效果的原則，而且要與植物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，在與植物分泌物聯(lián)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究，研發(fā)出高效綠色的環(huán)保型土壤改良劑。

2.4 植物-根際微生物聯(lián)用

叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF)是一類分布廣泛、部分可適應(yīng)極端環(huán)境的有益微生物，具有比表面積大、吸附能力和代謝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其代謝產(chǎn)物可有效降低土壤中REEs的遷移性和活性[39]。AMF與90%以上的高等植物有著共生關(guān)系，能夠侵染植物形成根系發(fā)達(dá)、接觸面積大的叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal, AM)[40]。Zaharescu發(fā)現(xiàn)AMF可促進(jìn)植物吸收土壤中的REEs，并將其大量儲(chǔ)存于AM的泡囊結(jié)構(gòu)中，提高植物修復(fù)污染土壤的能力[41]。AMF修復(fù)REEs污染土壤的研究以實(shí)驗(yàn)室模擬為主，將被侵染的植物根段、菌絲、孢子以及根際砂土混合物作為接種菌劑，把植物種子培養(yǎng)于接種了菌劑的土壤基質(zhì)中，使AMF與植株成功建立菌根共生關(guān)系，探究其除去土壤中REEs的能力[42,43]。付瑞英通過模擬鑭和鉛的復(fù)合污染土壤，發(fā)現(xiàn)接種AMF的玉米其根部鑭、鉛含量與未接種的對(duì)照相比分別提高了76%和88%，玉米地上部REEs含量也有所增加[42]。王芳等人通過模擬鈰污染土壤，發(fā)現(xiàn)接種AMF的玉米根部鈰含量隨著土壤中鈰濃度升高而顯著增加[43]。AMF不僅能提高植物對(duì)REEs和重金屬元素的吸收能力，還能降低植物葉片中丙二醛和脯氨酸含量從而減少植株水分代謝，有利于植株在干旱環(huán)境中存活；AMF還可降低根部細(xì)胞色素氧化酶含量從而減弱根系呼吸作用，有利于植物在板結(jié)土壤中生長[44]。稀土礦區(qū)土壤貧瘠、REEs和重金屬濃度較高，在該環(huán)境脅迫下，AMF不僅能顯著提高菌絲長度、孢子密度、土壤蛋白含量及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加根際有益微生物豐度，還可調(diào)控植物體內(nèi)與重金屬元素吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)酶和特殊蛋白質(zhì)的合成，以提高植物對(duì)重金屬脅迫的耐受性[36,45]。因此，AMF與本地植物聯(lián)合修復(fù)廢棄稀土礦區(qū)，不僅能使植物適應(yīng)逆境、維持群落結(jié)構(gòu)及功能穩(wěn)定，還能避免種植外來植物帶來物種入侵的危害，是一種對(duì)土壤環(huán)境破壞程度低、更有利于植物生長的綠色土壤修復(fù)方法。

植物根際促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria, PGPR) 是定植于植物根系，可促進(jìn)植物吸收重金屬元素的有益菌群，包括芽孢桿菌、假單胞菌、鏈霉菌和甲狀桿菌等，多用于重金屬污染治理。PGPR可產(chǎn)生表面活性劑與重金屬形成復(fù)合物，增強(qiáng)重金屬在土壤中的遷移能力，有利于植物吸收、固定土壤中的重金屬元素，使得重金屬從土壤基質(zhì)中脫除[46,47]。PGPR還能產(chǎn)生抗生素及嗜鐵素等物質(zhì)，促進(jìn)植物增磷、固氮、固鐵，抵抗病原微生物的入侵，促進(jìn)植物生長[48]。廖祥儒等人發(fā)明了一種解淀粉芽孢桿菌制成的植物促生菌劑，以乳糖精制廢水或豬糞為原料培養(yǎng)PGPR，防止離子型稀土尾礦土壤板結(jié)，增強(qiáng)土壤肥力[49]。雖然PGPR具有促進(jìn)植物吸收富集REEs的潛力，但我國對(duì)于PGPR修復(fù)稀土礦區(qū)的研究處于起步階段，其作用機(jī)理尚未明確，同時(shí)還面臨著大規(guī)模應(yīng)用限制等問題。

2.5 植物修復(fù)與礦區(qū)土壤微生物

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響土壤穩(wěn)定性和土壤肥力。土壤-植物-微生物形成有機(jī)的整體，相互影響，互相促進(jìn)產(chǎn)生良性機(jī)制，能夠?yàn)橹参镄迯?fù)稀土礦區(qū)創(chuàng)造良好條件。因此，了解稀土礦區(qū)微生物的作用及其影響因素有助于推進(jìn)植物-微生物聯(lián)合修復(fù)REEs污染的研究進(jìn)程。有研究者就稀土礦區(qū)植物修復(fù)過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)變形桿菌門()、厚壁菌門()、酸桿菌門()、放線菌門()和擬桿菌門()是植物根際土及非根際土中的優(yōu)勢菌群，也是稀土礦區(qū)的耐性微生物，對(duì)礦區(qū)土壤修復(fù)起著積極作用[21,50,51]。

礦區(qū)土壤理化性質(zhì)與微生物的分布及活性息息相關(guān)。部分門類細(xì)菌如在中性土壤中豐度較高，也能夠適應(yīng)貧瘠的環(huán)境，參與土壤物質(zhì)循環(huán)，增加土壤養(yǎng)分含量[52]。及不僅在酸性脅迫條件下有較好的適應(yīng)性，也能夠適應(yīng)高氮環(huán)境脅迫，在高氨氮含量的稀土礦區(qū)豐度較高[53,54]。在營養(yǎng)貧瘠的土壤環(huán)境中占優(yōu)勢，而在有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中則豐度較低[55]。礦區(qū)土壤中REEs及重金屬元素含量也是影響群落結(jié)構(gòu)和豐度的重要因素之一低濃度REEs對(duì)土壤微生物具有刺激作用，而高濃度REEs對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能具有長期、持續(xù)的抑制作用，不僅隨REEs的添加而增強(qiáng)，并且這種抑制作用在短期內(nèi)難以消除[54, 56]。鄭茜發(fā)現(xiàn)平板菌落數(shù)量隨著鑭濃度的升高逐漸增加，鑭濃度達(dá)200 mg·kg–1時(shí)，菌落數(shù)量增加了53.26%，而后呈下降趨勢，鑭濃度高達(dá)2,000 mg·kg–1時(shí)菌落數(shù)量降低為原水平的11.96%[57]。高咪發(fā)現(xiàn)，土壤中釔濃度≤ 100 mg·kg–1g時(shí)，微生物多樣性隨著釔濃度升高而升高，釔濃度≥ 1,000 mg·kg–1時(shí)，微生物多樣性水平顯著下降[54]。利用篩選出的耐性微生物與植物聯(lián)用能有效提升植物修復(fù)土壤污染的能力。中的芽孢桿菌屬()及根瘤菌屬()在重金屬污染土壤中，可促進(jìn)植物生長、固定重金屬元素[57]。郝希超發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌()、膠質(zhì)芽孢桿菌()與牧草聯(lián)用，提高了牧草對(duì)鈾的富集能力使得牧草對(duì)鈾的富集量提高了20%[58]。種植在礦區(qū)的植物可通過調(diào)節(jié)土壤中的水分、濕度、氧氣等環(huán)境因子以及根系分泌物的作用影響微生物群落結(jié)構(gòu)[59]。李兆龍等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過兩年的植物修復(fù)，稀土礦區(qū)土壤中細(xì)菌豐度和多樣性均有所提高[60]。但在REEs脅迫下，不同種類微生物在土壤中的作用及其與植物之間的相互作用機(jī)制尚未明確。探究土壤-植物-微生物三者之間的相互作用及其影響因素能夠?yàn)閺U棄稀土礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)效果長期維持及微生物菌劑的實(shí)施提供更多的理論依據(jù)。

3 總結(jié)與展望

稀土礦區(qū)生態(tài)修復(fù)是植物、微生物與土壤之間物質(zhì)交換、能量循環(huán)的生態(tài)過程。我國廢棄稀土礦區(qū)面積大、污染嚴(yán)重且影響廣泛，治理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上開采速度，嚴(yán)重影響我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)。因此，加強(qiáng)廢棄稀土礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)力度尤為重要。礦區(qū)植物修復(fù)采用超積累植物與本地植物相結(jié)合的方式，可有效降低土壤中REEs含量，改善礦區(qū)地表外貌。土壤改良劑的添加能夠加快植物生長繁殖速度，加強(qiáng)植物對(duì)污染土壤的修復(fù)能力。AMF與植物聯(lián)用有效加強(qiáng)了植物對(duì)REEs吸收富集能力，增強(qiáng)了植株抵抗礦區(qū)不良環(huán)境的能力，有著較好的應(yīng)用前景。PGPR能夠適應(yīng)稀土礦區(qū)的惡劣環(huán)境，有效促進(jìn)植物吸收土壤中的重金屬元素，有一定的土壤修復(fù)潛力。稀土礦區(qū)污染修復(fù)發(fā)展時(shí)間短，仍需借鑒重金屬污染治理的技術(shù)和研究成果，發(fā)展自己特有的研究方向：(1) 探究植物-REEs-微生物-土壤體系相互作用這一關(guān)鍵理論問題；(2) 加強(qiáng)新REEs超積累植物及稀土礦區(qū)經(jīng)濟(jì)作物的篩選工作；(3) 研發(fā)新型土壤改良劑加快廢棄稀土礦區(qū)生態(tài)修復(fù)進(jìn)程；(4) 探究植物修復(fù)礦區(qū)土壤中的優(yōu)勢菌群及其與植物的相互作用機(jī)制；(5)闡明AMF促進(jìn)植物吸收和積累REEs的機(jī)制，并結(jié)合超積累植物進(jìn)行礦區(qū)原位生態(tài)修復(fù)。

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Progress of phytoremediation in rare earth mining area

Li Chun, Liu Jingjing*, Zhang Yingbin

Jiangxi University of Science and Technology, Nanchang, Jiangxi 330013, China

Excessive exploitation of rare earth resources has severely damaged the ecological environment, and the mining areas need restoration urgently. Pollution status of rare earth mining areas in China was summarized. The mechanisms of phytoremediation by hyperaccumulator and the role of pioneer plants in the process of mining area remediation were analyzed. Functions and mechanisms of soil amendments in accelerating the phytoremediation were explored, and the remediation combined rhizosphere microorganisms with plants were summarized. Factors of the dominant phylaProteobacteria, Firmicutesand Acidobacteria in phytoremediation were also analyzed. Furthermore, applications of rhizosphere microorganisms combined with plants in mining restoration were put forward.

rare earth mining area; phytoremediation; soil amendments; arbuscular mycorrhizal fungi

李春, 劉晶靜, 張迎賓. 稀土礦區(qū)植物修復(fù)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(3):264–272.

Li Chun, Liu Jingjing, Zhang Yingbin. Progress of phytoremediation in rare earth mining area[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 264–272.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.031

X53

A

1008-8873(2022)05-264-09

2020-07-15;

2020-08-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31760157); 江西省教育廳項(xiàng)目(GJJ160627)

李春(1996—), 女, 廣西桂林, 碩士研究生, 主要從事稀土礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究, E-mail:524117179@qq.com

劉晶靜, 女, 博士, 副教授, 主要從事稀土礦區(qū)土壤環(huán)境微生態(tài)、土壤氮素循環(huán)和礦區(qū)污染的生態(tài)修復(fù), E-mail:339843666@qq.com