根系分泌物及其在修复多环芳烃污染土壤中的应用

荆诚然，闫文德，王姣龙

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004)

根系分泌物及其在修复多环芳烃污染土壤中的应用

荆诚然1,2，闫文德1,2，王姣龙1,2

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004)

污染土壤；多环芳烃；根系分泌物；植物修复

修复被多环芳烃污染的土壤是目前环境和生态领域的一个前沿课题，植物修复是一种经济廉价、可操作性强、美化景观的绿色技术，而根系分泌物在植物修复污染土壤过程中有着重要的意义。总结了近年来国内外植物根系分泌物研究的主要成果，系统介绍了根系分泌物的定义、组成、影响因素及其收集和分离纯化方法，综述了近年来根系分泌物在植物修复技术中的应用情况，以期为进一步开展多环芳烃污染土壤植物修复研究提供实践参考和理论依据。

随着工业化的迅速发展和城市化水平的不断提高，我国土地污染状况变得极为严重，已受到社会各界的广泛关注，成为环境科学界与政府决策部门着重讨论和亟待解决的热点问题之一[1-2]。其中，以多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)为代表的一类广泛存在于环境中的有机污染物，因其具有致癌、致畸、致突变的作用，以及低流动性和难降解性的特点，成为重点研究对象[3]。修复被PAHs污染的土壤是目前环境和生态领域的一个前沿课题[4]。

PAHs污染土壤的修复主要有化学修复、生物修复和物理修复等方法。植物修复是利用植物群落本身及植物-微生物复合系统来清除环境中污染物质的一种生物修复方法，是一种经济廉价、可操作性强、美化景观的绿色技术[5]。根系分泌物在植物修复污染土壤过程中有着重要的意义。根系分泌物不仅在改变土壤根际区微生物种群组成、数量及其活力等方面发挥着独特的作用[6]，而且通过直接或间接的途径能够有效地螯合、活化、转化、降解直至去除土壤中的有害污染物，使土壤质量得以提升或改善，这种功能特征被认为是污染土壤植物修复的主要理论基础之一[7]。

根系分泌物作为根际微生态系统活力的保持者和物质循环的重要组分，对植物根际的物理、化学和生物学特性有着重要影响[8]。

1 根系分泌物

1.1 根系分泌物的概念

植物在生长过程中，由根系不同部位分泌或溢泌的无机离子或者小分子有机物统称为根系分泌物[9]。广义上的根系分泌物可分为以下4种类型：①分泌物，代谢过程中细胞主动释放的化合物；②渗出物，通过根细胞被动扩散到介质中的一类低分子化合物；③黏胶质，包括未形成次生壁、根冠细胞的表皮细胞和根毛分泌的黏胶状物质；④分解和脱落物，成熟根段表皮细胞新陈代谢产生的脱落细胞和碎片[10-11]。一般情况下，根系向环境释放的有机碳量占植物固定总碳量的1%～40%，其中有4%～7%通过分泌作用进入土壤[12]。

1.2 根系分泌物的影响因素

1.2.1 植物种类

根系分泌物含量与种类在不同种属植物之间存在显著差异，譬如：在农作物中，豆科植物根系分泌物之中脂肪酸的含量远高于一般植物[13]；荞麦(Fagopyrumesculentum)和油菜(Brassicanapus)根系分泌物中所含的2-十四醇、5-乙基-2-壬醇和另外2种未知的醇，在小麦(Triticumaestivum)的根系分泌物中均不存在[14]；肥田萝卜(Raphanussativus)和油菜的根系分泌物中主要有机酸的种类也不相同，肥田萝卜主要为酒石酸、苹果酸和丁二酸，而油菜主要为苹果酸和柠檬酸[8]。解文科等[15]研究发现玉米(Zeamays)和烟草属(Nicotiana)植物根系分泌物中的氨基酸、糖、碳氧比率及有机酸含量差异较大，玉米的根系分泌物不能促进铬的溶解，而烟草属植物根系分泌物就可以。在其他植物中少见的脂肪酸，在豆科植物中就比较多见。

1.2.2 养分胁迫

营养物质的供给直接影响根系分泌物的质和量，植物通过自身的调节机制来适应养分胁迫，根系释放与正常状况下不同种类或含量的有机酸等。国内外大量学者都对植物缺磷状态下根系分泌物的种类和数量进行了较为深入的研究。在缺磷胁迫下，磷高效植物能够通过增加有机酸的分泌，促进植物对难溶性磷的吸收与活化。缺磷条件下，苜蓿(Medicagosativa)根系分泌物中的有机酸有苹果酸、柠檬酸和丁二酸，其中柠檬酸的分泌量是正常时的2倍[16]。在缺磷时，油菜根系分泌物中含有大量的柠檬酸和苹果酸[17]。白羽扇豆在缺磷胁迫下可形成特殊的排根，并在排根处分泌大量的柠檬酸，柠檬酸活化的磷可满足白羽扇豆自身生长对磷的需要[18]。

1.2.3 根际微生物

根际微生物的代谢活动与群落变化可以对植物根系的分泌作用产生抑制或促进效应。多黏类芽孢杆菌产生的多糖素能够增加根细胞膜的通透性，从而导致氨基酸的分泌量增多。在灭菌条件下，小麦根系分泌物是自然条件下的一半。

1.2.4 其他环境因素

根际是植物生长的微环境，它的湿度、透气性和土壤颗粒性质等都会对根系分泌物产生影响，如白菜(Brassicarapa)在水分胁迫下会分泌更多有机酸[19]。除此之外，光照、土壤有机质、土壤空气、机械阻力和植物损伤因子等因素也会影响植物根系分泌物的分泌[20]。

1.3 根系分泌物的研究方法

1.3.1 根系分泌物的收集

植物根系部位释放的低分子量有机化合物(氨基酸、有机酸、糖等)对根际化学、物理和微生物环境的改变起着重要作用。严谨准确的收集方法能够使我们更加清楚地理解根际相关动态的整个过程[21]。如今比较常用的3种收集方式为基质(玻璃珠、石英砂和琼脂等)培收集、溶液培收集和土培收集，研究者可以根据不同的实验目的去选择相对合适的收集方式。

通过观察对比可以发现，3种方法收集出的根系分泌物种类通常不尽相同，土培法相对更接近植物实际生长环境，所以根系分泌物种类相对较多，也更符合实际情况，但所得的分泌物成分复杂，容易被微生物分解。

除此之外，学者们一直在探寻一种可操作性强、能够相对真实地反映植物根系分泌情况的研究方法。OBURGER et al.[22]设计了一种新型的根系分泌物的收集方法，这种方法能够确保根系分泌物的原位检测。VRANOVA et al.[23]在研究根系分泌物的收集方法与植物代谢和收集目的之间的关系时，采用连续渗透的固体培养基并且调节营养液强度的方法来收集植物体的根系分泌物，这种方法尽可能模仿了根际条件，更加准确地定性了根系分泌物的组成。除此之外，该方法还有助于评估根系分泌物对土壤微生物种群的影响和降解污染物的能力。

1.3.2 根系分泌物的分离纯化

因为收集的根系分泌物成分相对复杂，所以不能直接用于分析，必须经过预处理后方可进行定量和定性的分析。根系分泌物的分离和纯化是一个非常关键的环节，这个阶段的提取效果直接影响着之后的检测结果，所以如何保证分泌物各组成部分的最大提取率，找到各个组分适宜的提取方法，是目前学者们所要突破的难点和重点。通常，分离和纯化这个过程要根据各组分的生物学特性和理化性质，选择适当的分离方法。目前为止，有文献记载的分离纯化方法主要有以下几种：衍生化法、离子交换法、萃取法、吸附树脂法、层析法和分子膜与超速离心法。其中，萃取法被广泛采用。因为相较其他方法而言，这种方法所需器械简单，分离效果相对较好。

常用的有机溶剂主要有乙醚和正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷等。不同有机溶剂萃取后的根系分泌物种类不尽相同。张爱华等[24]在研究人参(Panaxginseng)根系分泌物的提取及鉴定时，依次用石油醚、乙酸乙酯对其根系分泌物进行了萃取，鉴定出的20种化合物包括6种有机酸酯类物质、11种烷烃类物质、1种吡喃、1种烷烃衍生物和1种酚酸类物质。相比石油醚层，乙酸乙酯层中主要成分为有机酸酯类和烷烃，其结构复杂，物质分子量较大。杨先国等[25]在提取丹参(Salviamiltiorrhiza)根系分泌物时，采用正己烷和乙酸乙酯这2种不同极性的有机溶剂浸提根际土壤，结果表明两者中共有的化学成分有13种，提取物中总的化合物的量是正己烷中的1.2倍，而分泌物主要成分均为醛类、醇类、烃类、酸类和酯类等物质。

2 根系分泌物在PAHs污染土壤修复中的应用

PAHs具有显著的憎水性，通常会与土壤颗粒紧密结合，很难被植物体吸收，所以植物修复技术的关键就在于提高PAHs在土壤中的有效性。现在的研究主要通过增加PAHs生物可利用性和增加土壤微生物数量及其活力这两种途径来修复PAHs污染土壤。根系分泌物可通过影响土壤理化性质或影响土壤微生物的数量增加土壤中的PAHs活性，进而提高植物对PAHs的吸收或降解能力。研究表明，根际周围微生物的种类和数量高于非根际很多，这可能是植物根际通过一些复杂的作用，削弱了PAHs胁迫对根际土壤微生物的影响，促进了PAHs的降解和微生物生长。BANKS et al.[26]将酥油草(FestucaovinaL.)种植在被苯并芘(14C标记)污染的土壤中，50%以上的苯并芘在6个月后得到了降解，这表明植物根际对PAHs的降解产生了有利的影响。研究发现，直接以PAHs作为碳源的微生物，可以显著提高环境中PAHs的降解率[27-28]。

添加表面活性剂也是一种较为多见的土壤修复技术。表面活性剂是指加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质，该物质可减少土壤中难溶有机物的吸附、降低土-水界面张力，提高PAHs的生物可利用度，修复被污染的土壤[29]。表面活性剂的分类方法很多：根据疏水基结构进行分类，可分为直链、支链、芳香链、长链等；根据亲水基进行分类，分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO衍生物、内酯等；有些研究者根据其分子构成的离子性将其分成离子型、非离子型等；还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等分类的各种方法。但是众多分类方法都有其局限性，很难将表面活性剂合适定位，并在概念内涵上不发生重叠。多数表面活性剂大量使用也会污染土壤[30]，这是因为在一段时间内大量使用表面活性剂会导致土壤中大量PAHs的活化，但植物和微生物在较短的时间内很难吸收或降解这些PAHs，最终导致土壤被污染。陈静等[31]运用Tritonx-100、Tween-80、SDS、LAS这4种表面活性剂洗脱土壤中的PAHs，发现具有较低HLB值的表面活性剂PAHs增溶能力较好，其增溶能力排序为SDS

3 展 望

根系分泌物是植物正常生理代谢的一部分，是联系植物和土壤的重要纽带，是植物营养和土壤科学重要的研究课题。由于根系分泌物处于地下，因此很难直接观察和测定。首先，根系分泌物的收集、分离和鉴定方法存在不少局限性，实验模拟条件与植物实际生长状况之间存在较大差别，分离提纯得到的成分往往只是根系分泌物总量中的一部分，且受鉴定方法的特定性限制，目前检测和确定的根系分泌物类型也不完全覆盖所有成分，因此对根系分泌物研究方法的完善和改进是未来研究的重要内容之一。其次，对多环芳烃污染胁迫条件下根系分泌调控机制的研究有限，针对菲、苯并芘等多环芳烃代表物污染胁迫下植物地上部分的研究报道较多，而有关地下部分根系分泌物的研究相对较少，因此加强对多环芳烃污染下植物地下部分的研究，对了解植物整体对多环芳烃的响应具有重要意义，同时也可为植物修复技术在有机污染土壤治理中的应用提供更广阔的前景。

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(责任编辑 徐素霞)

S157.433；X53

A

1000-0941(2017)05-0055-04

荆诚然(1992—)，男，河南郑州市人，硕士研究生，主要从事污染土壤修复方面的研究。

2017-03-09