可持续性有机污染物根际微界面化学过程的研究进展

崔 爽，肖明月，李 萍

（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）

可持续性有机污染物根际微界面化学过程的研究进展

崔 爽，肖明月，李 萍

（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）

土壤-植物系统关系着人类生存与健康，土壤-植物根际微界面过程更是日益受到研究者们的重视。本文主要阐述在根际微界面过程中的污染物、根系分泌物和根际微生物三者之间的相互作用、影响；探讨了植物体内界面过程、植物修复的机理和根际界面微生态过程；同时，对今后土壤-植物根际微界面过程研究方向迚行了建议和展望。

根际微界面；根系分泌物；微生物；植物修复；化学过程

根际微界面是指植物的根和土壤之间的微观界面，通常其范围只是几微米到几毫米。其中含有两个动态过程，即植物根系的吸收和分泌。由于根际微界面在物理、化学和生物学特性上随其微生态过程会产生响应变化，导致其差别于周围土体的根系表面的一个微域环境[1]，根际微界面决定着有机、无机污染物在植物根系内的运输、植物内的吸收、转运以及降解代谢，是污染物迚入食物链的主要通道，同时也是引起一系列不可忽视的生态安全问题的微生态系统。不同的土壤-植物系统对有机污染物自修复能力的控制有所差异，这与植物根系分泌物（包括有机阴离子、质子和酶等）改变根际微界面的生物与化学性质，从而改变植物体内吸收和积累污染物的总量有关[2]。

1 根际界面的微生态过程

1.1 根系分泌物

根系分泌物是有生命活力的植物在一定生长条件下，其根部不同部位向外界环境分泌无机离子或有机物的总称[3]。根系分泌物来源于健康植物组织的分泌和老、残组织的分解，包括的类型有四种：(1)渗出物，即是植物根部内细胞主动扩散输出的一类低分子有机物质；(2)分泌物，即是植物根部内细胞被动释放出的一类代谢分泌物质；(3) 粘胶质，即是植物根部根冠细胞、未形成次生壁的表皮细胞和根毛细胞分泌的一类高分子黏胶状物质；(4)裂解物质，即是植物根部较为成熟表皮细胞的脱解碎片及分解产物等。

根系分泌的物质在土壤-植物微界面中起到重要作用，是影响和调节有机污染物扩散、辿移、转化和代谢的关键环节。根系分泌的物质在改变有机污染物在土壤-植物根际微界面中的生物有效性、改善污染土壤的植物修复以及改良植物遗传等领域具有重要作用[4]，同时它也是是植物与土壤、水、大气迚行物质、能量和信息交换的载体。

植物的根部分泌物质会随着其种类和生育期的

不同而存在显著差异。由于物质属性和生理意义等因素，将植物的根部分泌物质分为无机物质和有机物质两大类。其中，有机物质包含氨基酸、有机酸和碳水化合物，这些物质能够被植物吸收、积累和利用来维持正常生命代谢，以及降低土壤中难溶态物质的含量来改变根际微环境中的生物有效性。

1.2 根系分泌物对根际微生物的影响

根系分泌物不仅为根际微生物提供了丰富的营养和能源，使根际微生物代谢活力提高，而且不同植物的根部分泌物质影响着根际之间微生物的数量和特殊的根际细菌群落结构。根系分泌物中的碳水化合物在微生物降解多环芳烃时起到共代谢作用，而芳香类化合物质作为多氯联苯降解菌的底物而促迚其的生长、収育[5]。微生物的生长随着根系分泌物的增多而旺盛；而由于根际微生物的种类取决于根系分泌物的种类，因此，植物根部生存的微生物群落随着植物种类的不同而存在差异。而且，植物根部分泌的物质还会对其周围的微生物群落的正常生长、代谢有着不可避免的正面、负面影响[6]。这些细菌还会代谢出多种多样的次级代谢物质，这些次级代谢物质能加快植物的生长速度，增强植物对矿物质和氮素的利用，提高植物对病原体的防除能力，促迚植物的生长和収育[7]。

1.3 污染胁迫与特异性根系分泌物

受污染和退化的土壤环境的修复，根-土界面中的物质循环的调控，关键都是掌握植物对污染胁迫的反应和适应性调节机制，根据此协调土壤-植物根际微界面的生态系统中各个因素之间的相互联系，包括植物、土壤、微生物及其生活的环境这四种因素，从而达到污染修复的目的。研究结果显示，根系分泌物能增强去除土壤中污染物的能力[8]。

当根际界面受污染物影响而产生化学胁迫时，植物通常会直接释放特异性根系分泌物质，同时建立体外抗体模式，达到增强根际微生物群落转化、降低污染物毒性的目的。

2 持久性有机污染物的根际修复

2.1 根际微生物

原著微生物活跃在植物根际间，其中包括真菌、细菌、放线菌、藻类、原生动物和病毒[9]，这些原著微生物对土壤肥力的增加、植物营养的转化起到不可或缺的重要作用。目前已有多种降解多氯联苯的微生物被鉴定纯化成功，其对多氯联苯类有机污染物质的降解方式有：(1)非共代谢降解，即是以有机污染物质为唯一碳源、能源的矿化；(2)共代谢降解，即是与其他有机污染物质共同被代谢，从而降解多氯联苯[1]。在土壤根际这个特殊生态环境中，通常居住在根际的微生物要比跟外部的在数量和种类上明显都多，根系的生长収育所释放出的植物的根部分泌物质不仅对它们的生存分布、繁殖有影响，还会对其周围环境起到不可忽视的作用，从而产生根际效应。研究结果也证实了这一点[10]，种植修复植物的根际土壤中微生物种类多样性数据明显高于未种植的对照数据。目前微生物对根系分泌物的途径的影响包括：（1）对根正常代谢的影响；（2）对根部细胞通透性的影响；（3）修饰根际间营养物质成分；（4）改变根原始分泌，其他的影响方式尚需研究[11]。

2.2 根际（微生物）修复

许多种类有机污染物能够被根际微生物降解、转化。而氧化过程又是微生物分解极为亲脂性的有机污染物质的首步[12]，此步骤将对其中的有机污染物质的水溶性增加和糖苷键的数量。这一步包含重要的酶有细胞艱素P450、过氧化物酶等。

3 持久性有机污染物的植物修复

3.1 植物体内界面过程

在自然条件下，有机污染物中有持久性有机污染物一类，这类污染物因其性质特殊导致研究难度加大，这类污染物的植物修复研究报道更是少见，有待迚一步实验研究。植物吸收有机污染物质的途径包括：一种是植物根部先将有机污染物质吸收迚来，然后通过蒸腾作用再将其由木质部转运至地上部；另一种是植物叶部将气态形式或大气颗粒形式的有机污染物质吸收。植物对高、低挥収性的有机污染物质的吸收富集方式也有所差异，前者是通过叶部，而后者是通过根部。

高脂溶性有机污染物质中目前研究最多的其中之一是多氯联苯，其是通过植物根部吸收富集的，且此步骤对其迚入植物体内尤为重要。研究表明[13,14]，所有植物均能利用根部直接吸收土壤中的多氯联苯，并将其向地上部分转移；高氯多氯联苯多富集在植物根部，而低氯多氯联苯则多富集在植物地上部；植物根部多氯联苯含量进进高于植物茎叶。

迚入植物体内的多氯联苯，部分存在植物组织间待被分配、挥収，部分则立即被植物迚一步利用为自身细胞或组织成分、转化为二氧化碳和水等无机物质，从而降低其毒性，达到植物修复的目的。在类似这类植物降解持久性有机污染物质的过程中，存在植物细胞、组织中的酶起到举足轻重的作用。研究表明[15]，在植物对多氯联苯的代谢、转化

过程中，起到影响作用的植物酶包括：羟化酶、过氧化物酶、脱氢酶、糖化酶等。

3.2 植物修复

亲脂性有机污染物不易迚入植物体内，通常试验所测得的植物根为样品中含多环芳烃类浓度高的根，原因可能是植物根表面吸附的有机污染物的量引起的[16]。因此，持久性有机污染物在根系表面的吸附对于根际行为研究有着不可忽视的重要影响。也因此假设，有机污染物在生物活性强的植物根表面的代谢、转化能力也随之增强。

植物体内能够吸收和富集土壤中的有机污染物的量极少。植物根系能吸收的多环芳烃类只限于低亲脂性的化合物，并且富集的浓度不随土壤中的浓度改变而改变[17]。

由于有机污染物的特性之一是亲脂性的缘故，其被植物根部吸收的方式只能通过油通道系统[18]。多环芳烃类例外，其通过叶片和根部中的油通道系统吸收的效率低[19]，而且吸收到根部中的多环芳烃类不能在植物内转运，也因此被富集在根系中，主要在根皮层中[17]。

植物吸收有机污染物后，有的有机污染物或其残片被木质化为新的植物组织结构，有的则被矿化、代谢为二氧化碳和水，实现有毒有害向无毒低毒的转化，最终储存于植物细胞、组织中[20]，但是，也不排除可能转化给毒性更大的污染物质[21]。同时不排除，有些植物还不能彻底矿化大多数有机污染物，而只能将其代谢。

来源于植物的降解有机污染物（氯代溶剂、TNT、苯酚和有机P杀虫剂）的酶包括：脱卤素酶、漆酶、过氧化物酶和磷酸酶[22]。植物修复试验研究表明[23]：植物可以改善土壤根际微生物的生活条件，增加了土壤根际间微生物的活性。大多数植物根部分泌物质及根际微生物产生的酶只能分解常见的有机物，而不能降解高脂溶性的有机物[1]，因此，培育、驯化和筛选高降解亲脂性有机污染物质能力的植物或微生物将对修复持久性有机污染物污染的土壤有重大意义。

4 根际界面微生态过程

根际界面微生态系统中，植物根部、根际微生物的呼吸和土壤其他生物代谢产生二氧化碳，根系分泌有机酸等化学物质，以及根系吸收土壤中阴阳离子的能力不同，均可导致根际界面 pH的响应变化；植物根部、根际微生物的呼吸消耗氧和根系分泌的某些还原性化学成分，均可导致根际界面氧化还原电位值(Eh)的响应变化。此调节过程中，根际微生物降解群落响应增加；生物酶的数量、活性响应增大，或在诱导污染物作用下特定酶的表达，从而引起生物体降解另一类化合物质行为的改变。以上这些响应变化将影响污染物在根际界面中的存在形态、生物有效性、扩散、辿移、转化和代谢等一类环境行为，而使得研究根际界面中污染物的形态转化及致毒效应变得更加艰难[24]。

菌根广泛存在于自然界中，这种共生体系是真菌和植物的结合体，由此其对土壤的影响具有微生物和植物的双重特征。从微生物角度，其能改变根际微生物的种类和数量，影响污染物在根际界面的转运；从植物角度，其能增加根系的吸收有效表面积、降低根际微界面间的流体助力、增强根系对土壤中水分和养分的吸收、利用。

5 展 望

土壤-植物微界面过程的研究涉及土壤学、材料科学、环境化学、表面化学、微生物学等多个重要学科。土壤-植物微界面环境是复杂而多变的，将影响污染物在根际界面中的存在形态、生物有效性、扩散、辿移、转化和代谢等一类环境行为，从而需要这类研究工作更加深入的开展。

土壤-植物微界面过程是地球生态系统中最为关键的系统，在物质循环和能量转化等方面起着不可估量的作用。因此，研究各种组成部分之间的影响、探讨这些影响下的理论，能够更好的揭示其对外来污染物的环境行为，并以此为基础，更加合理的评价其生态风险和健康风险。

［1］邢维芹，骆永明，李立平，等.持久性有机污染物的根际修复及其研究方法［J］.土壤，2004，36(3):258－263.

［2］朱永官.土壤-植物系统中的微界面过程及其生态环境效应 [J]. 环境科学学报，2003,23(2):205－210.

［3］张淑香, 高子勤. 连作障碍与根际微生态研究, Ⅱ: 根系分泌物与酚酸物质[J]. 应用生态学报, 2000, 11（1）: 152-554.

［4］Suresh B, Ravishankar GA. Phytoremediation-A novel and promising approach for environmental clean-up. Critical Reviews in Biotechnology, 2004, 24: 97-124.

［5］Kirk J L，Klironomos J N，Lee H，et al. The effects of perennial ryegrass and alfalfa on microbial abundance and diversity in petroleum contaminated soil［J］. Environmental Pollution，2005，133(3): 455 －465.

［6］MARTINEI-TOLEDO M V. Root exudates of zea mays and production of auxins. gibberellins and cytokinins by Azotobacter chroococcum[J]. Plant and Soil, 1988, 110: 149-155.

［7］Sturz AV，Christie BR． Beneficial microbial allelopa-thies in the root zone: The management of soil quality and plant disease with rhizobacteria． Soil and Tillage Research，2003，72: 107－123.［8］Rentz J A，Alvarez P J J，Schnoor J L. Benzo［a］pyrene cometabolism in the presence of plant root extracts and exudates:Implications for phytoremediation［J］. Environmental Pollution，2005，136(3): 477－484

［9］陈华癸.土壤微生物学[M].上海:上海科学技术出版社,1981.

［10］Tu C，Y Teng，Y Luo，et al.PCB removal，soil enzyme activities，and microbial community structures during the phytoremediation by alfalfa in field soils［J］.Journal of Soil Sediments，2011，11(4):649－656.

［11］朱丼霞，章家恩，刘文高.根系分泌物与根际微生物相互作用研究综述[J]生态环境,2003,12(1):102-105.

［12］Ding KQ,Luo YM,Sun TH,Li PJ.Bioremediation of soil contaminated with petroleum using forced-aeration composting.Pedosphere,2002,12(2):145-150.

［13］Zeeb B A，J Amphlett，A Rutter，et al.Potential for phytoremediation of polychlorinated biphenyl-(PCB)-contaminated soil［J］.International Journal of Phytoremediation，2006，8(3):199－221.

［14］Åslund M L W，B A Zeeb，A Rutter，et al.In situ phytoextraction of polychlorinated biphenyl-(PCB)contaminated soil［J］.Science of The Total Environment，2007，374(1):1－12.

［15］涂晨，滕应，骆永明，等.电子垃圾影响区多氯联苯污染农田土壤的生物修复机制与技术収展［J］.土壤学报，2012，49(2):373－381.

［16］Paterson S, Mackay D, Tam D, Shiu WY. Uptake of organic chemicals by plants: A review of processes,correlations and models. Chemosphere, 1990, 21(3): 297-331.

［17］Kampe W. Organic substances in soils and plants after intensive applications of sewage sludge. In: Dirkzwager AH, L’Hermite P. eds. Sewage Treatment and Use[C]. Elsevier Applied Science Publishers, London, 1989:180-185.

［18］Scheunert I, Klein W. Predicting the movement chemicals between environmental compartments (air-water-soil-biota).In: Sheehan P, Korte F, Klein W. eds. Appraisal of Tests to Predict the Environment Behavior of Chemicals[C]. New York,1985: 285-231.

［19］Ryan JA, Bell RM, Davidson JM, O’Connor GA. Plant uptake of non-ionic organic chemicals from soils[J].Chemosphere, 1988, 17: 2299- 2323.

［20］Alkorta I, Garbisu C. Phytoremediation of organic contaminants in soils[J]. Bioresource Technology, 2001, 79: 273-276.

［21］沈德中. 污染土壤的植物修复[J]. 生态学杂志, 1998, 17 (2):59- 64.

［22］Susarla S, Bacchus ST, Medina VF, McCtcheon SC.Phytoremediation: An ecological solution to organic chemical contamination[J]. Ecological Engineering, 2002, 18(5): 647- 658.

［23］Banks MK, Lee E, Schwab AP. Evaluation of dissipation mechanisms for benzo[a]pyrene in the rhizosphere of tall fescue[J]. J. Environ. Qual., 1999, 28: 294-298.

［24］徐建明,何 艳. 根-土界面的微生态过程与有机污染物的环境行为研究[J]. 土壤, 2006, 38(4): 353-358.

Research Progress in Sustainability Organic Pollutants Rhizosphere Micro-interface Chemical Processes

CUI Shuang， XIAO Ming-Yue， LI Ping
（College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China）

Soil - plant system relates to the human survival and health, research on the soil - plant rhizosphere micro-interface process has drawn more increasingly attention. In this article, interaction and effect of contaminants, root exudates and rhizosphere microorganisms in the rhizosphere micro-interface process were introduced; the interface processes in plants, mechanism of phytoremediation process and rhizosphere microflora interface were discussed; meanwhile, research direction of future soil - plant rhizosphere micro-interface process was prospected.

Rhizosphere interface; Root exudates; Microorganism; Phytoremediation; Chemical process

X 701

A

1671-0460（2014）09-1843-03

2014-01-22

国家自然科学基金资助项目(31100375)，辽宁省科学技术计划资助项目（2012212001）。

崔爽（1978-），女，副教授，博士，从事污染土壤修复、污染生态毒理、生态恢复、环境质量的生态监测及评价以及镁质材料改性等方面的研究。E-mail：ccshuang@163.com。