植物-微生物联合修复化学农药污染土壤的研究进展

王 新， 侯佳文， 宋 磊， 柳文睿， 张亚楠， 葛 玲

1沈阳工业大学环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110870; 2中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016

我国是农药生产和使用的大国。化学农药应用是防治病虫害和杂草，保证农产品产量的最有效手段之一。化学农药不仅给人类带来了好处，大量化学农药的使用也带来了很多副作用，如害虫杂草的抗药性、农产品中化学农药的残留、环境污染和生态平衡破坏等问题(Panetal.,2019)。化学农药进入环境后，除少部分作用在目标害虫和目标植物之上外，80%～90%在环境中迁移或挥发(Erinleetal.,2016)。残留在环境中的化学农药不仅会对农产品、农田土壤和地下水造成污染，还会对土壤微生物、动植物和人类造成严重危害(Feldetal.,2015； Lozowickaetal.,2016)。因此，采用适当的技术修复自然环境中的化学农药污染刻不容缓。由于植物与微生物的协同作用，联合修复技术相比单一技术更具优势(Verganietal.,2016)，植物-微生物联合修复体系对化学农药污染的修复效果也因此引起了广泛关注。本文综述了影响化学农药在植物体内吸收和转运的因素和植物-微生物修复技术的原理，并讨论了植物与微生物在化学农药污染土壤修复中的协同效应，以期为环境化学农药污染的治理提供依据。

1 环境中的化学农药

化学农药根据其影响的生物群体、毒性水平、化学结构和物理结构进行分类。按化学结构可分为有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯农药、三嗪类和拟除虫菊酯类等。有机氯农药已在许多国家禁用，它们的稳定性、抗降解性和亲脂性极易导致其在环境中大量积累，由于它们的半挥发性，其可能在土壤中残留15～16年(Koyiitetal.,2020)。最常见的有机氯农药有艾氏剂、氯丹、双对氯苯基三氯乙烷及其衍生物等。双对氯苯基三氯乙烷是一种常见的持久性有机污染物，其代谢产物二氯乙烯和1,1-二氯-2,2-二(对氯苯基)乙烷毒性不亚于双对氯苯基三氯乙烷(刘利军等，2019)。为确保化学农药的生产和使用符合法规，并确保食品安全，世卫组织和欧盟也制定了相应的监测规划(Gürsoyetal.,2017)。

一般被施于土壤的化学农药，可以通过物理、化学、生物转化等方式进行降解(吴雷明等，2019)，并与生物形成生态循环。残留化学农药与其代谢物沉积在土壤、水体等生态环境中，动物通过呼吸、食物摄入、皮肤接触等途径吸收化学农药，并在动物体内沉积富集。化学农药在动物体内进行循环代谢，对生理机能或器官的正常活动产生不良影响，使人或动物中毒以致死亡。因此，了解化学农药的迁移转化规律以及土壤对有毒化学农药的净化作用，对预测其变化趋势及控制土壤的化学农药污染都有重大意义。图1为化学农药在环境中的可能形式及其毒性动力学模型(Daretal.,2019)。

图1 化学农药在环境中的可能形式及毒性动力学模型(修改自Dar et al.,2019)Fig.1 Possible forms and toxicity kinetic models of chemical pesticides in the environment (Modified from Dar et al.,2019)

2 植物去除化学农药

植物可从环境中吸收化学农药，并在其不同的组织中进行转运(Ahmadetal.,2012)。植物对化学农药的吸收取决于辛醇-水分配系数(logKow)、酸度常数、水溶性、辛醇溶解度和污染物浓度等特性。其中，logKow是最重要的影响因子，它直接参与决定化合物的疏水性或亲油性(Admireetal.,2014)，logKow值越低，化合物越容易被植物吸收。此外，植物对化学农药的吸收和转运还取决于植物种类、化学农药自身特性及环境条件(李晶等，2020)。如艾氏剂、狄氏剂、七氯、氯丹、林丹、双对氯苯基三氯乙烷等化学农药会被不同的植物以不同的速率吸收(Agyekumetal.,2015)。

化学农药主要通过植物根和叶的吸收和转运进入植物。化学农药是人工合成的化学物质，植物体内缺乏运输化学农药的特定转运蛋白，因此，它们被根系吸收是通过简单的扩散从细胞壁进入木质部流(Camposetal.,2008)。在吸收和转运后，植物通常通过蒸发蒸腾和植物降解2种机制，避免吸收化学农药的毒性。对于大多数化学农药来说，蒸发蒸腾是植物通过叶片向大气中释放污染物的主要机制。在进化过程中，植物没有受到选择压力，故没有有机污染物的矿化途径(Gerhardtetal.,2009)。

化学农药通过氧化、水解和形成环氧化物的方式被降解(Chaudhryetal.,2002)。其中，氧化最为普遍，通过不同植物微粒体酶的作用发生氧化，如过氧化物酶和细胞色素P450，2种均属于氧化胁迫相关基因，具有防止植物细胞氧化损伤、抵御逆境胁迫的功能(王瑞莉等，2020)。植物的微粒体酶能够降解大量的化学农药。例如，细胞色素P450可以通过释放原子硫作用于有机磷(P=S→P=O)杀虫剂。在玉米和高粱中，细胞色素P450通过这种脱硫机制催化降解甲硫磷、马拉硫磷和二嗪磷(Arslanetal.,2017)。为提高植物修复的整体潜力，最近有研究人员提出了植物-微生物联合修复的方法，可显著增强包括化学农药在内的有机污染物的降解。

3 植物-微生物联合去除化学农药

图2为植物-微生物联合修复化学农药的示意图。植物-微生物联合修复技术是指利用植物-微生物组成的复合体系富集、固定、降解土壤中污染物的技术(傅婉秋等，2017)。植物根际为根际微生物提供了栖息地和能源，维持旺盛的根际微生物代谢活动(余涵霞等，2018)，微生物能分泌有利于植物生长的物质，可提高植物的抗逆性，联合修复通过发挥植物和微生物两者的优势来提高化学农药的降解率(张娜娜等，2018)。有研究发现，植物根系微生物可以促进植物对磷酸盐等营养物质的吸收，提高过氧化氢酶的活性，进而提高植物的抗逆性(Tanetal.,2013)。

图2 植物-微生物联合修复示意图(修改自Eevers et al.,2017)Fig.2 Schematic diagram of plant-microbe remediation (Modified from Eevers et al.,2017)

在土壤环境中，许多微生物分泌有机酸、表面活性剂和酶等物质改变环境中化学农药在土壤中的存在状态，将化学农药在细胞外降解或是吸收进入微生物体内进行降解(Hussainetal.,2009)。目前，植物-微生物联合修复已被应用于化学农药降解(表1)。按添加的微生物种类的区别，植物-微生物联合修复可分为内生菌-植物、根际微生物-植物和外源专性降解菌-植物3种联合修复体系。

表1 不同植物-微生物联合修复体系对化学农药的降解能力Table 1 Degradability of chemical pesticides by different plant-microbe remediation systems

3.1 根际微生物-植物联合修复技术

根际微生物是植物的根表面以及受根系直接影响的土壤区域中的微生物群落(赵佳等，2012)。近年来，根际微生物因可以提高化学农药的降解效率受到了广泛关注。目前，已经筛选出多种可降解包括化学农药分子在内的污染物的根际微生物(Khanetal.,2013)。然而，单一的根际微生物在污染环境中难以生存和繁殖。人们发现，将根际微生物与植物联合用于污染土壤修复可以更加有效地矿化和降解化学农药(Pandeyetal.,2009)。在联合修复中，根际微生物以包括化学农药分子在内的多种污染物为碳源来维持它的细胞功能和新陈代谢，植物通过根际分泌物、根际氧化、共代谢产物诱导、分泌H+ /OH-离子和有机酸及生物表面活性剂等途径来调整根际环境，从而促进根际微生物的生存和繁殖(Afzaletal.,2013)。

根际微生物和植物联合修复的优势主要有3点：一是可提高根际土壤中化学农药分解代谢基因的丰度和表达程度，从而促进化学农药分子的矿化、降解和稳定(Jhaetal.,2015)；二是根际微生物有保障植物的健康、提高植物的生物量的作用，从而为根际微生物的生长提供了更加适宜定殖的根表面，提高了化学农药的降解效率(陆涛等，2019)；三是根际分泌的植物萜烯、黄酮类化合物和水杨酸等物质，可促进化学农药的共代谢作用，进而使化学农药达到降解的目的(Singeretal.,2003)。

在植物根际区域中，微生物种类多，与植物联合修复化学农药效果显著，其中丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza， AMF)可与世界上大多数陆生植物根系建立共生关系。AMF可以增强植物对化学农药等多种污染物的抗性，减轻污染物对植物的毒害作用(Dongetal.,2016)。Fanetal.(2018)选择紫花苜蓿MedicagosativaL.作为丛枝菌根真菌的寄主植物来修复阿特拉津污染土壤，发现在接种丛枝菌根真菌后，阿特拉津对紫花苜蓿的叶绿体结构和功能的毒性作用减轻，使植物在光合作用过程中能更好地利用光能。

3.2 植物内生菌-植物联合修复技术

植物内生菌是指存活于健康植物组织内部，又不引发宿主植物表现出感染症状的微生物类群，内生菌与植物是互利共生关系(姚领爱等，2010)。一方面，植物内生菌能够产生降解酶类直接代谢化学农药；另一方面，内生菌参与调控植物代谢有机污染物。当内生菌定殖于植物体时会分泌一些植物激素、铁载体、脱氨酶等物质，促进植物根系生长，提高植物生物量，增强植物抗逆境能力，从而增强植物体内化学农药的代谢能力(黄俊伟等，2017)。在修复容易被植物吸收的化学农药时，植物与内生菌联合修复比植物与根际微生物联合修复更具优势，对于具有亲脂性且在根际区域停留较短的化学农药，根际微生物能发挥的作用微弱，而植物内生菌可以通过胞内作用分泌双加氧酶来降解化学农药(Afzaletal.,2014)。内生菌生活在植物组织内部，与根际微生物受到土著微生物的竞争相比，面临较少的生存空间和营养物质的竞争(Doty,2008)。

Fengetal.(2017)将从韭菜AlliumtuberosumRottl. ex Spreng.中分离得到的降解毒死蜱的内生菌株Sphingomonassp. HJY接种于韭菜，该菌在韭菜体内成功定殖，可降解韭菜的叶和根中70%和66%的毒死蜱，可降解种植接种内生菌株韭菜土壤中75%的毒死蜱，在有效去除土壤中毒死蜱的同时保障了韭菜的食品安全。Eeversetal.(2018)从多种植物中筛选了促进植物生长的内生菌株SphingomonastaxiUH1、MethylobacteriumradiotoleransUH1和EnterobacteraerogenesUH1，将这3株菌株混合后接种于可以积累高浓度二氯乙烯的西葫芦CucurbitapepoL.上，西葫芦的根、枝芽的质量增加，西葫芦植物修复效果提高了46%。

3.3 专性降解菌-植物的联合修复技术

专性降解菌包括从化学农药污染土壤、污水厂排污口和植物根际等经筛选得到的高效降解菌株或经过改造的基因工程菌株。将专性降解菌直接投加到自然环境后，因其与土著微生物的竞争作用以及环境的影响，专性降解菌的实际降解效果与实验室结果相差较大。故人们将专性降解菌与植物的联合用于化学农药污染的土壤修复，由植物给微生物提供生存场所和营养，以促进污染物的快速降解和矿化(程国玲等，2003)。

专性降解菌与化学农药抗性植物联合用于土壤修复，可缓解化学农药对敏感作物的毒性。姚梦琴(2017)研究发现，30 d内玉米-微生物联合修复克百威较微生物单独修复降解率提高了19%，玉米-微生物联合修复毒死蜱较微生物单独修复降解率提高了18%。专性降解菌株与植物联合修复技术为已筛选出的降解化学农药的微生物资源应用提供了有效思路。

4 结论与展望

植物-微生物联合为修复化学农药污染的土壤提供了有效途径。在微生物辅助植物修复土壤中化学农药时，根际细菌和内生细菌具有适合化学农药降解、转化和矿化的基因，可以减轻对植物的毒性。虽然许多研究发现，土壤中残留的化学农药可以通过植物-微生物联合作用降解，但这一努力仍然面临很大的挑战，主要的限制因素是这些降解微生物的活性易受到复杂的环境条件影响。为了使联合修复被更广泛、更有效地应用，应该更好地了解植物和微生物对化学农药的耐受机制、微生物在化学农药环境中的存活以及不同植物-微生物组合的最大降解作用等相关特性。此外，进一步筛选新菌种以及利用基因工程提高已有菌种的活性和构建多功能高效降解菌以及了解微生物的代谢活动及其多样性，并研究其在环境中的适应机制使其更加适应土壤环境，可以进一步帮助研究人员设计可持续的联合修复的策略。