根瘤菌-豆科植物共生体系在重金属污染环境修复中的应用

魏羽含

(江西财经大学 艺术学院，江西 南昌 330032)



根瘤菌-豆科植物共生体系在重金属污染环境修复中的应用

魏羽含

(江西财经大学 艺术学院，江西 南昌 330032)

摘要：指出了生物修复以其操作简便、成本低廉及安全性高等优点被当作修复重金属污染环境的有效途径。根瘤菌-豆科植物共生体系是一种固氮能力较强的体系，在改善土壤氮素不足中起到了关键作用。阐述了根瘤菌-豆科植物共生体系在重金属污染环境修复中应用。

关键词：根瘤菌-豆科植物；共生体系；重金属污染；修复方式

1引言

随着重金属污染问题对全球环境及人类健康造成的危害日益扩大，重金属污染的修复问题越来越为世界各国所关注。我国大部分废弃地或矿区均存在残留重金属浓度高、氮素、磷素等营养元素缺乏及土壤偏酸性等问题，微生物对土壤氮循环中起着关键的作用，而根瘤菌-豆科植物共生体系在修复重金属污染中具有划时代的意义。豆科植物具有重金属耐性，其可以与根瘤菌共生，起到固氮的作用，可有效解决上述存在的问题[1]。本文主要论述修复土壤重金属污染的方法，简要分析微生物抗重金属的相关原理，同时讲述根瘤菌-豆科植物共生体系在重金属污染环境修复中的应用，希望能为科研学者们提供参考。

2修复土壤重金属污染的重要意义

土壤是人类获取食物和其他资料的基础保障，同时土壤也是各种物质循环的基础存储库，其对环境的各类变化具有很高的敏感度。土壤中重金属的残留时间越久不仅使土壤的肥力退化，而且会通过食物链使人类间接的吸收重金属，危害到人类的健康。有权威资料显示，土壤、大气和水体三者之间的相关性和耦合性使得人类对修复大气和水体的重金属污染的关注度大于对修复土壤的重金属污染的关注度，但无论怎样，若是土壤的重金属污染环境得不到修复，则大气和水体的污染环境也无从解决。因此修复土壤的重金属污染环境可从根本上维持生态的可持续和稳定发展。

3修复土壤重金属污染的方法

当前很多领域对土壤的重金属污染修复技术都做了很多研究，笔者经过查阅资料后总结出修复土壤重金属污染的两大有效途径就是运用固化作用和活化提取去除。通过固化作用可降低各生物之间的循环利用性，同时降低重金属的迁移性和毒性。详细的方法有自然、物理、化学及生物等修复方式[2]。从综合的角度分析，自然修复主要与土壤自身的理化性质有很大关系；物理修复和化学修复在整体的修复效果来说非常好，所花费的时间较少，但修复成本较高，会造成土壤物理性质的变化，有可能会引发二次感染，无法解决实际问题；生物修复包含微生物修复、植物修复及微生物-植物共同修复这3种形式，是一种新兴的修复技术，其以操作简便、成本低廉、安全性高及对环境影响少等优点而被当作修复重金属污染环境的有效途径。微生物修复虽然可通过积累重金属或是改变重金属的化合状态来达到降低土壤中重金属毒性的作用，但纯粹的微生物修复在实际应用中并没有将Cu、Pb等重金属离子从土壤中移除，待微生物细菌死亡后这些金属又会自然的回到土壤中产生循环污染，因此采用微生物修复方式没有明显作用。而微生物-植物共同修复方式则是结合微生物与植物共生的关系，充分发挥各自的修复作用，并弥补对方的不足，从根本上提升了土壤重金属污染的修复效率，具有很高的应用价值。

4微生物-植物共同修复方式的具体阐述

4.1微生物的抗重金属性及解毒机制

若土壤中的重金属浓度过高，则会影响到微生物的代谢功能，最终改变微生物物种的分布和数量。因此为了适应这样的污染环境，微生物会形成对应的抗重金属性和解毒机制[3]。而微生物对重金属的解毒机制在理论上非常复杂，且不同种类的微生物其抗性及解毒机制也不太相同，所运用的解毒原理通常都包括沉淀、整合、外排、富集和隔离等。例如微生物对铜的抗性最显著的就是大肠杆菌，其主要是负责将过量的Cu2+移出细胞质，并通过其他组分将细胞周围的Cu2+浓度进行控制，保证植物在一定Cu2+浓度下存活；而微生物对对锌的抗性则表现为当细胞内的Zn2+浓度达到一定值时，微生物会通过自身对Zn2+的吸收性，启动外排系统将细胞内定量的Zn2+排出细胞外，从而达到降细胞内Zn2+浓度的效果。利用这样的抗性机制，微生物可以同时转化和改变土壤中重金属的离子形态，这本身就是一种解毒效果，对土壤的整体环境而言就是一种良好的修复效果(图1)。

4.2微生物-植物共同修复技术的作用

该项技术一方面主要是运用PGPR细菌(促植物生长根际细菌)能分泌的酶、有机酸和表面活性剂等物质，进而提高土壤中重金属的生物有效性，从而提升植物对重金属元素的可吸收性、累积和固化等效率；另一方面主要是依靠ACC脱氨酶等各类分泌特异性酶、维生素、各类植物激素以及具有氮固定作用的根瘤菌来促进植物的生长，从而提升植物的总量，进而增加重金属的总积累量。同时植物在整个过程中不断的分泌类似糖、氨基酸和有机酸等物质，在一定程度上为微生物提供了能源，保证了微生物的作用持续，同时还改善了土壤的理化性质，也间接促进了微生物的繁殖和生长[4]。由此可见，微生物-植物共同修复技术弥补了微生物及植物各自在修复过程中存在的不足，提高了整体的修复效率。由上文的分析中可知，氮素等营养成分不足是限制重金属污染地植被恢复的关键因子，因此氮素含量水平成为了判断重金属污染地生态修复效果的指标。根瘤菌-豆科植物共生体系是目前固氮能力及抗逆能力最强的体系，两者之间存在一种紧密互利关系，既可以提升土壤的肥力，同时还能够固定或移除土壤中的重金属。

4.3根瘤菌-豆科植物共生体系修复重金属污染的效果

4.3.1根瘤菌的选择和促植物生长的相关特性

具有重金属抗性的根瘤菌在重金属长期污染环境下，可有效的与宿主(豆科植物)进行结瘤和固氮。与众多的微生物相同，根瘤菌也可以通过某一种重金属抗性系统维持某一种金属离子的稳定状态，其作用机制与上文提到的相同。因此，国内外很多学者对豆科植物和根瘤菌的共生体系做了很多研究，并提出了根瘤菌的选择的重要性。有学者从受Ni污染的土壤中分离出40余种微生物后进行分类，对其中的9种重金属做耐性评定之后发现某一株菌对Zn2+具有很好的耐性；也有学者在某一矿区中筛选出某一种株菌并对其进行液体培养基时发现存在具有很好耐受性的Zn和Cd离子。由此可见根瘤菌作为一种内生菌，其通过长期的进化后能与植物形成一种稳定的互惠互利关系，其能够为植物提供营养，发挥促进植物生长的作用；同时其位于植物的内部，植物本身也对其具有保护和提供能源的作用，从而发挥稳定的促生作用。当然，根瘤菌也与其他促生菌相同，除了促进植物生长，同时还有重金属累积作用，在重金属污染地的修复中发挥着强大的作用。

4.3.2根瘤菌的抗重金属性及解毒机制

根瘤菌通过长期的进化后能有效适应环境的改变和有害物质的存在，这就表现出了根瘤菌的抗重金属性。有学者对某一株菌对Cd的抗性书评进行研究，经镉处理前后观察GSH变化后发现，Cd抗性对根瘤菌处理前后其GSH变化明显，且GSH对Cd有一定的解毒效果。现阶段关于根瘤菌的抗重金属性及解毒机制的研究成果还比较少，需要更进一步研究。

4.3.3根瘤菌-豆科植物共生体系生态修复效果

通常根瘤菌在土壤中生长速度较慢，但如果侵染豆科植物后其生长速度明显加快。侵染后其能在豆科植物的根部形成根瘤，随后持续繁殖，此时它可为植物提供氮素，同时还能通过自身的分泌物促进植物的生长和累积重金属[5]。有学者对两者共生体系的特性进行研究时候发现，没有经过接种的某一株菌其生物量非常小，并表现出营养不足的症状，但经过抗金属性接种后其生长速度明显加快；也有研究学者研究As对根瘤菌-大豆共生体系所产生的影响后发现As营养液中生长的某一株菌其茎和根的重量虽没有上升，但相对于没有接种的植物来说，其重量上升了40%左右，而植物本身的氮素含量却没有升高，由此可以得出这一株菌能分泌植物激素，有促生作用。以上学者的研究结果表示可通过根瘤菌-豆科植物共生体系之间的相互作用，以固氮作用加快重金属污染地中氮元素的累积，促进土壤中的氮素循环和其他营养成分的累积，同时还可富集众多的重金属元素，保护生态环境。

5结语

近年来，我国各大矿区和废弃地接连发生土壤贫瘠、氮素等营养元素不足及重金属污染的不可降解性等问题，而这些均是限制重金属污染土壤生态修复的主要因素。根瘤菌作为一种重要的农业资源，其在环境修复过程中起着关键的作用。能在重金属环境中存活的豆科植物，主要是依靠根瘤菌侵染自身后与之进行共生和固氮，将两者的共生体系应用在重金属污染土壤的修复中，对土壤的氮素循环和积累营养元素有了显著的促进作用。文中，笔者介绍了目前全球最先进的土壤重金属污染修复技术，指出了根瘤菌-豆科植物共生体系共同修复能够维持污染环境的氮素平衡，实现了人类与环境的和谐共生。

参考文献：

[1]罗巧玉，王晓娟，林双双，等.AM真菌对重金属污染土壤生物修复的应用与机理[J].生态学报，2013，13(22):3898～3906.

[2]赵叶舟，王浩铭，汪自强.豆科植物和根瘤菌在生态环境中的地位和作用[J].农业环境与发展，2013，4(9):7～12.

[3]冀玉良，李堆淑，赵龙飞，韦革宏.陕西商洛部分地区刺槐根瘤菌的遗传多样性和系统发育[J].农业生物技术学报，2013，11(19):1373～1383.

[4]何永美，杨志新，秦丽，等.土壤灭菌和杀真菌剂对紫花苜蓿生长和重金属累积的影响[J].农业环境科学学报，2015，4(18):646～652.

[5]梁彦涛，徐太海，金连丰，等.豆科植物在生态恢复方面的应用研究进展[J].安徽农业科学，2014，20(23):6637～6638.

文章编号：1674-9944(2016)02-0076-03

中图分类号：X53

文献标识码：A

作者简介：魏羽含(1992—)，女，河北唐山人，江西财经大学艺术学院硕士研究生。

收稿日期：2015-11-06