植物根系分泌物在水体污染修复中的作用研究进展

王亚菲，唐 鑫

（安徽农业大学 安徽，合肥 230000）

1 前言

我国湖泊普遍受到由N、P等营养物质富集造成的水体富营养化，近年来，人们环保意识不断增强，水处理的许多新兴技术也应运而生[1-2]。水生植物修复是新型的污水处理技术，主要是利用绿色植物本身和其根际微生物的作用达到去除污染物的作用，具有成本低、无二次污染、操作简单的优点，而目前对植物根系分泌物在污水修复中的作用和机理少有研究。

2 根系分泌物组成及其作用

2.1 根系分泌物组成和数量

根系分泌物是植物在生长过程中向生长介质中释放的各种物质，包括低相对分子量的有机物质、根细胞脱落物及分解产物、高相对分子量的粘胶物质、气体、质子和一些养分离子等[3-4]。通常可将根系分泌物（Roviraeta1．1979）[5]分为四类：①渗出物，是由细胞扩散出来的一类低分子有机化合物，如糖类、氨基酸、有机酸等；②分泌物，是细胞在代谢过程中主动释放出来的代谢产物，如酚类化合物、多糖、质子等；③粘胶质，是根冠细胞、未形成次生壁的表皮细胞和根毛细胞分泌的粘胶状物质；④分解物和脱落物，该部分主要是成熟脱落的根系细胞组织及其分解产物。从其组成成分可将其分为糖类、有机酸、氨基酸、化感物质及其它物质[5-7]。在根系分泌物总量中，可溶性物质仅占1%～10%，而这含量极少的可溶性物质对其生长介质却有着至关重要的作用[8]。

2.2 根系分泌物作用

水生植物大多根系发达，能产生更多的分泌物释放到水体中与水体环境充分融合，大量的根系分泌物对水中污染物的影响不容小觑[9]。

2.3 影响植物释放根系分泌物的因子

植物根系分泌物的数量和种类受到植物本身和环境因子的影响。

不同基因型的植物根系分泌物种类差异较大，植物的根系分泌物种类和数量的差异主要集中在有机酸类化合物的差异上[10]。

外界环境对根系分泌物的分泌也起着决定性作用，如果根据其影响根系释放分泌物的因素掌握其控制和协调根系的环境条件，将会放大根系释放分泌物的效果，从而对根系分泌物的实际应用迈出巨大的一步。

3 根系分泌物在污水修复中的作用

3.1 絮凝吸附作用——固体悬浮物（SS）的去除

SS是由于自然过程如暴雨将地表各种污染物、泥沙、腐殖质等和人为污水排放带入水体中，通常由有机和无机两部分组成，无机部分主要包括粘土矿物、碎屑矿物等，有机部分主要是动植物残体和微生物。SS除本身是一种污染物影响水体透明度外，更是许多污染物的载体，与各种污染相互作用，影响污染物的迁移和转化[11]。植物在生长发育过程中，根冠细胞及其脱落物不断向外界分泌粘液，当外界颗粒物与根系表面的粘液接触时，通常通过粘附、渗透、穿透三种作用使颗粒物与根系表面紧密接触[8]，当水体流经水生植物发达的根系表面时，大量的SS便被吸附在根系表面从而达到对SS的去除。另外植物在生长过程中会分泌大量的可溶性有机物和分解脱落物，并在微生物的作用下形成腐殖酸，而腐殖酸是是一种大离子、带负电的亲水胶体，具有胶体的性质，这些物质含有大量的功能基团，对含各种基团的各种化合物有较强的亲和力。

3.2 絮凝吸附作用——根外吸附重金属

水生植物对水体重金属有较强的富集作用，植物对重金属的富集吸收是一方面因为根系分泌的特殊有机物能从周围环境交换吸附重金属从而使重金属进入根细胞在根细胞内富集。

3.3 克藻效应

水体富营养化造成水中藻类疯涨，造成“赤潮”和“水华”现象。藻类大量繁殖消耗水中溶解氧，造成水中鱼类等生物大量死亡，同时散发恶臭并释放藻毒素恶化水质，影响人类生活。许多学者发现水生植物种植区藻类都明显低于不种植植物的区域，因此利用水生植物治理藻类的研究逐渐兴起。多种水生植物都能明显提高水的透明度，减少藻类生长，产生“克藻效应”。短期内水生植物对藻类的克制效应并非由于营养竞争和对光照的遮挡，而是由于水生植物分泌的“抑藻物质”对藻类生长的抑制作用，其对藻类生长有着明显的毒害作用。这为我们人工合成根系分泌物藻类抑制剂和在应用水生植物根系分泌物处理污水藻类有着指导意义。

3.4 分泌物作用于微生物对污水的间接修复作用

植物根系分泌物能明显改变根际中的微生物数量和群落结构，使微生物在根际聚集，使得根际微生物的数量和种类要远远高于非根际区间，这是由于根系分泌的各种微生物、酶、氨基酸等物质尤其是可溶性碳为微生物的生长提供了能源和良好的生存条件。另外由于不同植物根系释放不同的物质使不同植物根际发育着不同的微生物，且其数量与根系分泌物的浓度呈现正相关。在水生植物对污水净化应用中，由于根系分泌物的作用，往往使微生物对水体污染物的作用大大加强。微生物通常由于植物根系泌氧和能源物质的供给，根系周围往往还聚集大量的嗜氧真菌，具有较强的酶系统，是木质素、果胶等物质分解的主力。不同的植物和环境条件往往使根系分泌物不同而造成周围的微生物差异，从而使不同植物对不同类型的污水修复效果也有所不同。这为我们利用根系分泌物与微生物的这种自然关系来进行研发人工合成物质修复污染水体有着很大的启示。

3.5 改变根际理化性质促进对污水的修复

植物修复污染水体通可将其归纳为两个方面的作用：1）活化作用，通过络合溶解、还原活化、酸溶解等化学过程将一些不易被植物吸收利用的物质转化为可吸收利用状态，被植物吸收从而达到去除作用；2）沉淀降解作用，通过改变污环境条件如pH和Eh从而将可溶性污染物质转化为不溶性沉淀物或通过植物直接降解水体中的有机污染物。

根系分泌的低分子量有机物质尤其是有机酸往往对环境介质理化性质有着较大的影响，通常根系分泌的有机酸会降低周围环境的pH并改变周围环境的Eh，这些有机酸一方面会将根际周围植物难以利用的高价物质转化为低价形态，提高这些物质在环境中的生物有效性，促进污染物质在植物体内的积累；另一方面根系分泌的有机酸、酚酸等可与高价离子形成稳定的螯合物，这在一定程度上不仅提高了Ca-P、Al-P、Fe-P中金属元素的有效性，还促进了对难溶性P的溶解，提高了水生植物对P的去除效率。植物根系分泌的有机酸对活化和络合环境中的Fe3+、Al3+和重金属等离子有重要的作用，有机酸释放进入水体对水体中悬浮物和底泥中的一些微量元素同样也有活化和释放作用，这从间接上调节了植物的生长发育，促进了水生植物的修复效果。通常因根系分泌的有机碳和氨基酸等而在根际聚集的微生物能分泌具有络合或分解转化有机污染物的有机物，改变环境中金属离子的存在状态、污染物质的极性和移动性，从而与根系分泌物相互协同对金属离子产生螯合和沉淀等作用，在植物体外就将污染物质转化为无毒的物质[12]。

4 展望

4.1 研究中存在的问题

目前国内外已经建立起许多生态浮床、生态沟渠等利用水生植物原位修复污水的生态系统用于各种污水的治理，并取得了有效的成果，但在修复过程中，一个不容忽视的问题就是植物残体进入水体后给水体会造成二次污染。

根系分泌物对影响环境的许多机理尚不明确，但还存在一些地方需要进一步完善：1）目前许多关于植物释放分泌物的机理的研究都是在实验室无菌或者人工设置的良好的外界环境条件下进行的，这与水生植物在自然环境生长条件下分泌情况往往有所区别，故应加大对根系分泌物原位研究的力度，与实验室研究合理结合共同探索水生植物、根系分泌物和环境三者之间的关系；2）对于植物-水体-微生物这一系统还缺少一定的研究；3）目前关于根系分泌物对水体污染物质的处理作用的研究主要在根系分泌物中某个组分对水体净化效果的机理探索，而根系分泌物的各个组分往往通过协同或拮抗作用共同对外界环境起作用，对于根系分泌物这一整体系统对外界环境的作用研究甚少；4）目前关于根系分泌物的许多物质尤其是化感物质的组分尚不明确，且目前对根系分泌物的检测手段比较复杂，另外在根系分泌物的收集提纯方面也大多停留在少量收集阶段，根系分泌物的量化收集手段还不成熟，这在一定程度上阻碍了根系分泌物的实际应用；5）缺少从植物学层面对植物释放分泌物的机理进行研究。

4.2 未来发展的方向

考虑到目前许多在植物根系分泌物技术和机理上的研究还不是很成熟，根系分泌物在水体的修复上在今后可从几个方面深入发展（见图1）。

图1 根系分泌物发展方向设想

建立植物根系分泌物原位收集的产业化工厂，根据不同水体的污染情况，针对性的原位收集相关植物的根系分泌物并定期将其排入污水系统从而达到去除污染物质的作用。

利用现有的手段探索新型的检测技术，是研究根系分泌物和其对环境影响的前提，探究各组分的成分和其对污染物质化学行为的机理，并利用其机理人工合成这种特定组分的新型污水修复试剂，是在研发水体化学修复中修复试剂的一个重要研究方向。

5 小结

根系分泌物是植物修复法中重要的组成部分，对根系分泌物的深入研究将揭示植物修复污水或是植物适应逆境环境的另一种机制，而根系分泌物在环境中的活跃度和对系统中各组分包括植物本身的影响之大，或许能将其作为独立于植物之外的一个系统来研究根系分泌物在环境中的行为。