细菌协同植物治理重金属污染作用机制的研究进展

周 琳，梁 溢，赵长菘，余 蓉，弓婷斌，苏春丽

（成都医学院公共卫生学院，成都 610500）

当前，随着科技的发展，重金属污染日益严重，全球均面临着严峻挑战，重金属污染修复问题受到了学者们的广泛关注［1-2］。物理法、化学法和生物法都是环境中重金属污染修复的主要方法，其中物理法和化学法治理重金属污染问题虽然操作简便、效果好，但是花费太高，有二次污染的风险，对于质量浓度范围为10～100 mg/L的重金属污染治理效果甚微［3］。所以，成本低、效益高、对环境友好的生物法就进入了人们的视野。生物法包括微生物修复法、植物修复法、动物修复法，其中植物修复法是一种绿色环保、可持续的原位土壤治理技术。植物可通过提取、转化、固定、挥发等机制修复被重金属污染的土壤［4］。同时，细菌在重金属胁迫下会发展一种抗性系统，使其能够承受高水平的重金属，重金属一旦不存在，这种抗性系统会直接丧失［5］。近年来，很多学者对微生物协同植物修复重金属污染展开了广泛的研究，充分证明了微生物在治理重金属污染这一领域的重要性。基于此，本文总结了国内外研究中有关细菌与植物协同治理重金属污染的作用机制。

1 细菌促进植物对养分的吸收，增强植物对重金属的抗性

1.1 溶磷作用

磷是植物生长发育所必须的营养素之一，参与了植物生长的各个过程。目前有学者发现，具有溶磷作用的细菌，如泛菌（Pantoeasp.）LRCP-17、沙雷氏菌（Serratiasp.）LRCP-29，可以溶解难溶性磷酸盐以释放出可溶性的磷供植物吸收、利用，以此方式来促进油菜（Brassica napus）的生长发育，提高其产量［6］。溶磷菌在促进植物生长的同时，也能溶解土壤中的重金属，提高重金属的生物利用率，从而提高植物对重金属的累积量。Jeong等［7］将溶磷细菌巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）DSM3228接种到种植芥菜（Brassica juncea）的土壤中，结果显示：该菌株有助于芥菜对磷等土壤矿物质的吸收，促进了芥菜的生长发育；在镉（Cd）污染土壤中，接种植株的生物量显著高于未接种植株，而且巨大芽孢杆菌DSM3228分泌的有机酸导致土壤酸化，使非生物有效的和不溶性的Cd逐渐被溶解，提高了Cd的生物利用率，使接种植株的Cd积累量较未接种对照显著提高了2倍。Llimós等［8］从铅锌矿土壤中分离到一株具有溶磷作用的荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）MT218317，该菌株能通过分泌有机酸提高锌的生物利用率；将其接种到白芥（Sinapis alba）后发现，荧光假单胞菌MT218317能够显著增加白芥植株的生物量，而且接种后白芥植株中的Cd、铅（Pb）、铜（Cu）及锌（Zn）累积量均高于未接种植株。

1.2 固氮作用

植物对土壤中氮元素的吸收、利用、运输和转移能力可以直接影响植株的地上组织生产力，对植株的存活和生长至关重要［9］。某些细菌可通过固氮酶将分子氮还原为氨的形式（N2+6e-+6H++nATP→2NH3+nADP+nPi），氨溶于水后被植物吸收，促进植物生长。有研究表明，在墨西哥格雷罗的矿山尾矿分离的151株菌中，有51%的菌株有固氮作用，可以促进植物生长、提高生物量。其中从根际分离的金黄杆菌（Chryseobacterium）、芽孢杆菌（Bacillus）和葡萄球菌（Staphylococcus）的固氮效率最高［10］。Islam等［11］研究发现，与未接种的对照组相比，接种固氮细菌显著提高了红辣椒（Capsicum annuumL. cv Barodda）幼苗的叶绿素含量，促进了其对宏、微量营养物质的吸收。Dhali等［12］也从金属污染场地分离到两株耐铬（Cr）内生根瘤菌，即阿氏芽孢杆菌（Bacillus aryabhattai）AS03和普沙根瘤菌（Rhizobium pusense）AS05，将两株菌联合接种到硬皮豆（Macrotyloma uniflorumvar. Madhu）上，结果表明，接种后植株的光合作用得到明显改善，接近于无Cr（VI）胁迫时的光合作用，茎和根长度、根瘤数和豆红蛋白含量均有所增加。这说明联合使用两株菌能够促进硬皮豆植株在Cr（VI）污染土壤中的生长，增强硬皮豆植株对重金属Cr（VI）的耐受能力。

1.3 解钾作用

钾是一种重要的植物必需营养物质，在植物的生理和代谢过程中发挥着关键作用，并提供其抵抗生物和非生物胁迫的能力［13］。解钾菌（potassium solubilizing bacteria，KSB）是从土壤中分离出来的一种能分解不溶铝硅酸盐和磷灰石类矿物的细菌，能通过提高土壤中钾元素的生物利用率促进植物的生长发育［14］。另外，解钾菌也能溶解土壤中的重金属，提高重金属的生物利用率，从而提高植物对重金属的累积。Wu等［15］研究发现，将具有金属抗性的解钾胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）HKK-1接种到芥菜根际后，植株对重金属Zn、Pb、Cu的吸收明显增加。周婷［16］通过盆栽试验研究解钾根瘤菌（Rhizobiumsp.）对超富集植物龙葵（Solanum nigrumL.）修复缺磷土壤镉污染的影响，结果表明，解钾根瘤菌在解钾过程中能分泌大量有机酸，具有很好的溶镉能力，提高了钾（K）、Cd的生物利用率，不仅能促进龙葵根的生长，而且促进了龙葵对K、磷（P）、钙（Ca）和Cd的吸收，其在茎叶部分含量分别增加了46.70%、18.84%、17.66%和43.96%。

2 细菌在重金属胁迫下分泌代谢产物促进植物生长，减缓重金属胁迫作用

2.1 分泌植物生长素

植物生长素是一种可以刺激植物生长的激素，可有效调控植物的生长速度和生长方向。重金属耐受细菌可在植物受重金属胁迫的条件下分泌生长素，以此来促进植物生长发育，增加植物对重金属的吸收。Subrahmanyam等［17］从工业废水污染的土壤中分离出一株可以促进绿豆（Vigna radiataVar.GM4）生长的、具有多金属耐受性的肠杆菌（Enterobactersp.）C1D。研究结果显示，即使在Cr（Ⅵ）胁迫下，菌株C1D也能在绿豆根表面、组织内部、根尖上定植，且其吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）和1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）脱氨酶水平均升高。与未接种菌株C1D的绿豆植株相比，接种植株根和茎的生物量明显增加，未表现出明显的Cr毒性，这表明菌株C1D通过显著的促生长作用使植株对Cr（Ⅵ）的耐受性有所提高。Singh等［18］在研究缺陷短波单胞菌（Brevundimonas diminuta）新分离株NBRI012对水稻（Oryza sativa(L).Var. Sarju 52）抗砷（As）能力的影响中发现，缺陷短波单胞菌NBRI012可通过以ACC作为唯一碳源，产生IAA、铁载体等途径减少As（Ⅵ）的毒性，促进水稻生长，增强水稻抗砷能力。由此可见，在重金属胁迫下，细菌可以通过分泌植物生长素促进植物生长，增强植物对重金属的抗性，减缓重金属的胁迫。

2.2 分泌铁载体

铁元素是细胞生长的必需元素，但在环境中的生物利用率很低。在自然界中，因为根际微生物对Fe3+的竞争非常激烈，故根际微生物常常会合成和分泌一种对Fe3+具有亲和力的小分子化合物——铁载体。铁载体可以和位于自然界或宿主细胞中的铁发生螯合形成铁-铁载体复合物，之后Fe3+还原为Fe2+与其解离，从而满足自身在生命活动周期中的需要［19］。有研究表明，铁载体可以增加环境中某些金属离子的流动性［20］，因此可用来修复重金属污染。也有研究发现，生长素的分泌能力会因为铁载体的产生而增强，从而促进植物生长［21］。Dourado等［22］研究了耐Cd菌株伯克霍尔德氏菌（Burkholderiasp.）SCMS54促进番茄（Solanum lycopersicumL. cultivar Calabash Rouge）生长的作用机制，结果显示，菌株SCMS54产生的铁载体可能对Cd胁迫下的番茄植株有促生长作用，且接种菌株SCMS54的番茄植株地上部分、根部和总植株的生物量均高于未接种植株。Dimkpa等［23］研究发现，在金属胁迫下，加了铁载体的试验组的株高、根部干重和总生物量显著高于缺乏铁载体的对照组，另外，试验组植株对所有金属的吸收均高于对照组。由此可见，铁载体不仅可以增加金属流动性、促进植株生长，还能增强植株对重金属的吸收与蓄积能力。

2.3 分泌ACC脱氨酶

ACC脱氨酶可以有效降解植物合成乙烯的前体物质ACC，以此作用来降低植物生长过程中乙烯的合成量，是一种有效降低植物逆境中乙烯合成量的外源促生物质［24］。Grobelak等［25］从重金属污染地区植物中筛选到具有ACC脱氨酶活性的菌株，将其中活性最高的3株内生细菌（Pseudomonassp.、Bacillus cereus、Bacillussp.）联合接种到甘蓝型油菜（Brassica napusL.）和紫羊茅（Festuca rubraL.）中，在重金属胁迫下，ACC脱氨酶活性菌株均促进了两种植物的生长发育，显著提高了植株的重量和高度。早期Belimov等［26］在印度芥菜（Brassica junceaL. Czern.）VIR-3129的根中分离得到耐Cd细菌，以ACC作为能量来源，结果表明，在重金属Cd胁迫下，ACC脱氨酶的活性与细菌对植物根伸长的影响呈正相关。在胁迫条件下ACC脱氨酶才能显著体现其对植物的有益影响，从而减轻重金属胁迫对植物带来的负面影响［27］。故在重金属污染环境中细菌分泌的ACC脱氨酶扮演了重要的角色。

3 细菌改变重金属流动性，影响植物的吸收

3.1 氧化还原

众所周知，单依靠植物本身，其从土壤中提取重金属效率较低，根系吸收重金属慢，重金属从根部向地上部的迁移速度也较慢。然而，金属离子价态不同，其水溶性和毒性也有差异。有研究显示，砷酸盐异化还原菌（dissimilatory arsenate-respiring prokaryotes，DARPs）可以将水溶性较差的As（Ⅴ）还原为溶解度更高的As（Ⅲ），从而改变As的迁移率，提高As的生物利用率［28］。Abou-Shanab等［29］研究表明，当蜈蚣草（Pteris vittata）用于修复As污染土壤时，蜈蚣草能否有效吸收As依赖于As的价态，而其根际存在大量的As转化细菌，如假单胞菌（Pseudomonas）、农杆菌（Agrobacterium）等，能够调整As的价态，促进As（Ⅴ）还原为As（Ⅲ），提高As的生物利用率，有利于蜈蚣草吸收As。这说明细菌体内存在这种氧化还原的机制，能够通过这一机制改变重金属的流动性和毒性，从而影响植物对重金属的吸收。

3.2 生物表面活性剂

生物表面活性剂是微生物在一定环境条件下分泌出的具有一定表面活性的代谢产物，如鼠李糖脂、皂角苷等，它不仅可以有效降低油水混合界面的表面张力，增加与水不相溶物质的溶解度和可用性，还因其生物降解性和生态友好的属性受到越来越多的关注［30］。已有研究表明，鼠李糖脂生物表面活性剂可以去除可浸提态的Pb和Cd，也可以在不破坏土壤结构的前提下去除结合态的Pb和Cd［31］。Sheng等［32］研究表明：对多种重金属和抗生素具有不同耐受特性的表面活性剂产生菌芽孢杆菌（Bacillussp.）J119能诱导脂肽类生物表面活性剂溶解Pb，并能增溶CdCO3，提高Cd的生物利用率；盆栽试验显示，施用芽孢杆菌J119能显著提高番茄植株（Lycopersicon esculentumvariety Shanghai-906）的生物量，并促进植株组织对Cd的吸收，使番茄植株地上部分Cd积累量增加。Chen等［33］将生物表面活性剂产生菌假单胞菌（Pseudomonassp.）Lk9接种到龙葵（Solanum nigrumL.）上，研究表明，接种假单胞菌Lk9提高了Cd污染土壤中Cd的生物利用率，显著增加了龙葵植株地上部分的干生物量，植株地上部分累积的Cd总量增加了46.6%。这些报道都充分展现了生物表面活性剂在处理重金属污染环境问题中具有一定作用，且对环境不产生或产生很小的影响［34］。目前很多生物表面活性剂已进入工业化模式，有广阔的应用前景［35］。

4 在重金属胁迫下，细菌诱导植物相关基因高表达促进重金属修复

目前有研究表明，在重金属胁迫下，细菌诱导植物的某些基因得到更高的表达，从而增强其对重金属的抗性能力。比如，Wu等［36］采用荧光成像、转录组学和代谢组学相结合的方法研究接种促生菌荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）对东南景天（Sedum alfredii）植物的影响，结果发现，接种植株有146个植物激素相关基因显著上调，其中119个基因表现出复杂的相互作用，根部IAA质量浓度显著提高，脱落酸、乙烯和茉莉酸等促进植物衰老的植物激素质量浓度显著降低，促进侧根大量形成，从而增加植株根系中Cd的质量浓度和积累量，提高了植株对Cd的修复效率。Pan等［37］研究了在不同Cd含量条件下，内生细菌（Sphingomonassp.）SaMR12对东南景天金属离子积累及3个金属转运蛋白家族表达的影响。结果表明，在Cd胁迫条件下，内生细菌SaMR12通过调控金属转运蛋白基因的表达，提高了地上部分金属转运蛋白SaZIP3、SaNramp6、SaHMA2、SaHMA3和根部SaZIP3、SaNramp1、SaNramp3、SaNramp6的表达，促进了植物生长，增强了植物对Cd的耐受和吸收，提高Cd的累积量至未接种菌株对照的118%～130%。这些研究表明，在重金属胁迫下，细菌可诱导植物相关基因高表达，从而促进植物生长发育，增强植物对重金属的耐受力。

5 总结与展望

我国在“十四五”战略规划中明确提出要深入打好污染防治攻坚战，着眼新发展阶段生态文明建设新任务新要求。存在于环境中的重金属很难被生物降解，能直接对动物、植物和人类产生危害。有关专家提出，重金属产生的污染具有不可逆性，所以，解决重金属污染问题迫在眉睫。当前，微生物-植物联合治理重金属污染的方法受到人们广泛关注。其中，细菌与植物协同治理重金属污染的方法展现出良好的应用前景，其作用机制主要有图1所示的几个方面。从当前的研究趋势来看，利用植物与细菌联合修复重金属污染具有广阔的市场前景，值得推广。然而，目前针对细菌协同植物治理重金属污染机制的研究仍然不够深入，还有颇多机制尚未被发现，还有一些原理亟待解释，故应当开展进一步研究，积极发现细菌-植物-重金属之间相互作用的机制。之后的研究可以更加关注以下几个方面：

图1 细菌协同植物治理重金属污染的可能机制Fig. 1 Possible mechanism of bacterial synergism with plant treatment of heavy metal pollution

1）重金属胁迫下，细菌和植株基因表达的改变，进而通过分子生物学方法筛选、培育出对多重重金属耐受的细菌和超积累植物，提高细菌协同植物治理重金属污染的应用效果；

2）在了解细菌代谢产物的种类及其生物学功能的基础之上，筛选、提取出高效且对环境危害低的代谢产物，为多技术联合治理重金属污染提供基础；

3）将研究成果大规模用于重金属污染修复。我国矿区重金属污染土壤分布较广，可利用超富集植物联合具有重金属抗性的植物促生菌进行原位修复。低积累作物与细菌联合用于农田重金属污染土壤，可提升农田土壤质量，减少重金属在农作物中的积累，为农产品安全生产和人类健康提供保障。