牛态环境2006,1 5(5):1086—1090 Ecology and Environment http://wwwjeesci corn E—mail:editor@jeesci corn 丛枝菌根一植物修复重金属污染土壤研究中的热点 王发园 ,林先贵 河南科技大学农学院,河南洛阳471 003;2中国科学院南京土壤研究所生物与生化研究室,江苏南京210008 摘要:随着葡根研究和植物修复技术的发展,利川丛枝蔺根强化重金属污染土壤的植物修复逐渐受到人们的重视。本文系统 综述r 前的几个研究热点:(1)菌根植物吸收和转运重金属的分子机制;(2)AM真菌对超富集植物重金属吸收的影响 及其机制;(3)AM真菌对转基因植物重金属吸收的影响及其机制;(4)AM真菌 其他土壤牛物在植物修复中的复合作 jH;(5)丛枝荫根卜j化学螫合剂在植物修复中的复合作 }}{; (6)重金属复合污染土壤的丛枝菌根一植物修复;(7)放射 性污染土壤的枝芮根一植物修复;(8)丛枝菌根.植物修复的 问试验研究。在未来的丛枝菌根一植物修复研究中,要筛选优 良的宿丰植物和卜j之高效共牛的AM真菌,加强相关卿论和应川基础研究,并构建高效基囚l:程菌。 关键词:丛枝菌根;植物提取;植物稳定;重金属污染;土壤 中图分类号:X172;X53 文献标识码:A 文章编号:1672.2175(2006)05—1086—05 植物修复是近些年发展起来的一种环境友好 的低成本的土壤修复技术,对于重金属污染土壤的 修复来说,主要包括依赖于超富集植物和高生物量 作物的植物提取技术,利用植物的吸收和沉淀作用 来同定重金属的植物稳定技术,以及针对于可挥发 性元素(如Hg、Se等)的植物挥发技术。其中,植 物挥发应用范同较窄,而F{.污染物挥发可能造成大 气污染。尽管植物提取和植物稳定显示了良好的应 展;(4)丛枝菌根技术和其他修复技术在植物修 复中的复合应用;(5)从理论研究向理论与应用 相结合发展。本文将分别讨论目前丛枝菌根一植物修 复重金属污染研究中的几个热点,并对未来研究方 向做简要展望。 1 菌根植物吸收和转运重金属的分子机制 在菌根植物对重金属的吸收或运输、迁移或积 累等过程中,AM真菌很可能参与调控这些基因的 表达。在重金属胁迫条件下,重金属胁迫下AM真 菌侵染的豌豆(Pisum sativum)、西红柿 (Lycopersicon esculentum)与对照植物在某些抗性 基因的表达上表现出差异 南J。Repetto等 J通过二维 凝胶电泳一液相色谱技术证实菌根调节合成了Cd诱 导蛋白,认为这是菌根共生体对Cd的解毒机制之 在紫花苜蓿(Medicago truncatula)质膜上1竽在 Zn转运子,不仅受到土壤中ZnJ]E的增量调节,也受 到菌根的减量调节 J。已经从G intraradices根外菌 一用前景,但仍然存在许多局限性:例如重金属超富 集植物一般生物量较小、生长缓慢,而高生物作物 对重金属耐性较差。一些有益土壤微生物尤其是根 际微生物在植物修复中作用受到越来越多的重视。 丛枝菌根(Arbuscularmycorrhiza.AM)是自然 界中分布最广的一类菌根,AM真菌能与陆地上绝 大多数的高等植物共生,常见于包括重金属污染土 壤在内的各种生境中。自) ̄Bradl,ey等【3 l981年在 Nature上报道石楠菌根降低植物对过量重金属Cu和 Zn的吸收以后,人们对AM与重金属的研究也产生 了浓厚的兴趣,之后的研究涉及重金属污染下的菌 根生理、生态、应用等多个方面 J。在重金属污染 条件下,AM真菌可以改善植物生长状况,减轻重 金属对植物的毒害,影响植物对重金属的吸收和转 。丝中分离出了Zn转运子GintZnT1.此基因对Zn的分 室化和保护G intraradices抵抗Zn胁迫有关 J。 2 AM真菌对超富集植物重金属吸收的影响 及其机制 以前大多数研究者认为AM真菌只是涉及非积 累植物,重金属超富集植物一般不形成菌根【I 儿】, 尤其是十字花科的植物【I ,超富集植物与根际微生 物(包括AM真菌)之间的相互作用也没有引起人 们的重视 J。近来有报道发现某些重金属超富集植 物也可以形成丛枝菌根【I 。 ,包括十字花科的超富 集植物L2 J,并在盆栽条件下研究了AM真菌对超 富集植物的影响¨ 。接种AM真菌提高Ni超富 运,加快土壤中重金属元素的植物提取或植物稳 定,因而在重金属污染土壤的植物修复中受到越来 越多的关沣【3 J。当前菌根一植物修复研究正向以下 几个方面转变:(1)从现象研究向机制尤其是分 子机制研究发展;(2)从普通植物的研究向超富 集植物和转基因植物的研究发展; (3)从单一重 金属污染的修复向重金属复合污染的修复研究发 基金项目:国家863项目(2001AA640501);河南科技大学人才引进专项基金项目(09001106);河南科技大学科学研究基金项目(2006ZY035) 作者简介:王发园(1 975一),男,博士、主要从事环境微生物和生物修复等领域的研究。E-mail:wry1 975@1 63 com 收稿Et期:2006.04.25 维普资讯 http://www.cqvip.com
发 等:丛枝菌根一植物修复重金属污染土壤研究中的热点 l087 集植物B.coddii地上部生物量和Ni浓度,并与不 同AM真菌的耐性和植物.真菌共生特性有关【 J。 接种AM真菌提高了蜈蚣草地上部生物量,降低了 地上部As浓度,但蜈蚣草(Pteris vittata)地上部 对As的吸收量增加了【1引,认为AM真菌使宿主P 营养改善,根际pH升高,影响了蜈蚣草对As的吸 收和运输【1引。在另外的一些研究中,在As污染条 件 F,AM真菌同时提高蜈蚣草地上部的生物量和 As浓度,从而显著增加了As的提取量【J 7.1 8J。AM 真菌可以促进As从蜈蚣草从根部向地上部转运【J 。 在u和As污染的土壤中,菌根侵染抑制蜈蚣草的 生长,尤其是在生长早期,对植物体内As浓度没 有影响,但增加根中u的浓度和吸收量【J ,这对于 植物稳定u尾矿和废水排放土壤中的u有一定作 用。野外调查发现AM真菌对十字花科超富集植 物TMaspi spp.的侵染较弱,在温室内也不容易侵 染[20,21]。AM真菌没有促进超富集植物Thlaspi praecox Wulfen的生长,但能改善其营养状况,降 低Cd和Zn的吸收【2引。这说明AM真菌可以改变 积累植物对重金属的忍耐机制。 3 AM真菌对转基因植物重金属吸收的影响 及其机制 转基因(金属硫蛋白)植物往往对重金属有更 强的抗性,在植物修复中可能更具有优势,AM真 菌与转基因植物应用于重金属污染修复也是未来 的研究方向之一。Janouskova等 研究了G.intra一 c 对于转基因(金属硫蛋白)炯草和非转基因 炯草生长和Cd吸收的影响,发现在所有情况 FAM 真菌都改善了P营养,在沙培条件下增加了生物量; 在土培条件下,生物量降低或没改变,转基因烟草 地上部Cd吸收量比非转基因炯草的低。Janouskova 等【2 J研究还发现AM真菌显著促进转基因炯草和非 转基因炯草的生长,但降低转基因烟草对cd的植物 提取效率,增加非转基因烟草的提取效率,并认为 与菌种、植物耐性和土壤中Cd水平等多种因素有 关。AM真菌对转基因植物的作用尚需进一步研究。 4 AM真菌与其他土壤生物在植物修复中的 复合作用 AM真菌与其他微生物复合应用于重金属污染 植物修复的研究已经有不少报道。在Pb胁迫下,短 芽孢杆菌属的细菌( M,ibacillus A)促进 叶草生 长和结瘤及菌根侵染,改善N、P营养,降低了植物 根中Pb的含量,并与AM真菌具有协同作用;当土 壤中施Pb水平高时,双接种提高地上部Pb浓度L2引。 这对于Pb的植物提取有一定意义。分离自Zn污染土 壤中的细菌可促进植物生长和AM真菌的效率【2刮。 Vivas等[27.28]证实复合接种共生菌和腐生菌可以提 高 叶草(Trifolium repens)结瘤数和菌根侵染率, 对植物的N、P营养发挥重要作用,并提高植物对 Cd的耐性,而日一分离自污染土壤的G mosseae效果 比对照G mosseae菌株更显著 。在Cd胁迫条件下, 给桉树(Eucalyptus globulus)接种G deserticola显著 促进地上部的生物量,康氏木霉(TrichodetTna koningii)增加了G deserticola ̄桉树生长的促进作 用;AM真菌和康氏木霉双接种提高了桉树地上部 对Cd的吸收量 U.引J。经黑曲霉(AspergiHus niger) 处理过的甜菜根废渣与AM真菌复合施用,可以改 善Cd污染土壤中==叶草的营养,促进植物生长 。 因此,有人建}义在植物修复重金属污染土壤过程中 应该引进土壤微生物 。 某些土壤动物的活动也能影响菌根.植物修复 的效果,但这方面的研究还很少。成杰民等 发现 接种AM真菌没有促进黑麦草生长,但能促进黑麦 草对Cd的吸收,而日.还能促进从植物的根部向地上 部分转移;而蚯蚓活动促进黑麦草的生长和X, ̄Cd的 吸收,但吸收的积累于黑麦草根部,所以二者对于 用黑麦草植物提取Cd有协同作用。Yu等 5J也有类似 的发现。此外,蚯蚓和AM真菌复合接种可以促进 豆科植物银合欢(Leucaena&ucocephala)接在Pb/Zn 尾矿的植被建立,有利于重金属的植物稳定【j 。 5 丛枝菌根与化学调控措施在植物修复中 的复合作用 丛枝菌根在促进植物生长和提高植物耐性方 面作用显著,而化学螯合剂在促进植物吸收重金属 影响突出,二者联合应用于重金属污染的植物修复 可能互补彼此的不足,达到较为理想的效果。Chen 等 在盆栽试验条件下研究在土壤低营养水平时 接种AM真菌和施加EDTA对玉米吸收Zn的影响,发 现玉米在Zn水平300mg kg 时生物量最大,接种G. caledonium在不施JJtlZn和Zn水平600mg kg- 时促进 植物的生长;施 ̄JtlEDTA抑制植物生长,提高玉米 体内的zn浓度.根中的zn积累量随EDTA施加量的 增加而增加。菌根侵染显著改善植物P营养,在不 施加zn时促进Zn向地上部运输,施加zn时降低了地 上部Zn浓度。他们认为EDTA增加了土壤zn的移动 性,导致Zn在根中积累和对植物的毒害,抑制植物 生长;不论EDTA还是AM真菌都没有提高植物提取 的效率。Jurkiewicz等 驯研究了AM真菌和EDTA对 15个玉米品种重金属吸收的影响,发现施加EDTA 降低了真菌碱性磷酸酶活性,但没有完全消除AM 真菌;EDTA对玉米地上部Pb吸收的影响最为显著, 其中6个品种接种AM真菌后浓度要比对照高;另一 个试验发现EDTA处理对非菌根植株Pb吸收的影响 要比菌根植株的大。我们在大田试验条件下研究了 维普资讯 http://www.cqvip.com
1088 菌剂组合(AM真菌和耐Cu青霉菌)及复合施用螯 合剂壳聚糖在菌根一植物修复中的应用,结果发现, 与单独微生物菌剂处理相比,复合施用微生物菌剂 和壳聚糖增 ̄JIJZn、Pb、Cd的吸收效率、转运效率和 地上部分配比率,提高Zn、Pb、Cd的修复效率 。 说明微生物菌剂和壳聚糖在促进海州香薷 (Elsholtzia splendens)提取Zn、Pb、Cd方面具有协 同作用,可以应用于强化菌根一植物修复。以上研 究表明,复合使用微生物和化学措施调控植物修复 与植物种类(品种)、微生物种类及生物学特性、 螯合剂、重金属污染状况等多种因素有关,在实际 应用中需要综合考虑。 6 AM真菌对放射性元素的修复作用 放射性元素对环境和人体健康有更大的风险, 对放射性污染土壤的修复一直是比较棘手的问题。 菌根一植物修复放射性污染土壤也是人们研究的热 点之一。u可以积累于AM真菌的泡囊和孢子中I 川。 AM真菌G intraradices ̄增加耶 U的可移动性,促进 ”U向胡萝卜根内的转移和积累【4¨。巴哈雀稗 (Paspalum notatum)、宿根高梁(Sorghum ha ense) 和柳枝稷(Panicum virginatum)自身能吸收土壤中 的¨ Cs和 sr,但接种G mosseae和G intraradices 后,能增加各种草的地上部生物量,提高植物组织 中¨ cs和9osr的浓度和积聚率,尤其以G mosseae接 种宿根高粱效果最为明显I 引。总之,接种后的草类 有效除去了土壤中的放射性核素,在一定程度上用 菌根一植物修复和复垦放射性核素污染的土壤是一 个可行的对策。接种AM真菌后对大麦地上部分的u 浓度影响不大,但可促进大麦根系吸收U,降低向 地上部的转运【4¨训。在U污染条件下接种G intra— radices改善地j三叶P营养,促进植物生长,降低植 物对U的积累【4 。在根器官培养条件下研究发现G. 1amellosum的根外菌丝可吸收、积累并转运放射性 金属元素 Cs到植物根中,但无法确定菌根中的 ¨ Cs是滞留在菌根结构(根内菌丝、泡囊、丛枝) 还是转移到根绌胞内【4 。Rufyikiri 7J发现AM真 菌根外菌丝可以同持耶 U。AM真菌的根内组织可以 积累cs,同时减少其向菌根内的转运【4引。de Boulois 圳认为在放射性污染土壤的植物稳定过程中可 以应用菌根真菌。 7 AM真菌对重金属复合污染土壤的修复作用 重金属污染土壤大多数属于多种重金属复合 污染,甚至是多种重金属和有机物的复合污染,研 究复合污染土壤的菌根一植物修复更有现实意义。 AM真菌对重金属复合污染土壤的修复作用也有不 少报道。盆栽试验表明,在Cu、Zn、Pb、Cd复合 污染条件下,接种分离自Cu污染土壤的混合AM 牛态环境第15卷第5期(2006年9月) 真菌可以显著促进海州香薷的生长和对Cu、Zn、 Pb、Cd的提取,大田条件下的试验也证实了类似 的作用[5o]。Weissenhorn J研究了AM真菌对玉 米吸收Cd,Zn.Cu,Pb,Mn的影响,发现接种G. mosseae和P2没有影响玉米的生物量;G.mosseae 降低了根中Cu浓度,而P2增加了地上部Cu浓度; 2种AM真菌都增加了玉米地上部Zn浓度和根中 Pb浓度,而对Cd没有显著影响;AM真菌促进了 Cu、Zn向地上部的转运。未来还要加强重金属与 有机物复合污染土壤的菌根一植物修复研究。 8丛枝菌根一植物修复的田间试验研究 任何土壤修复技术的研究最终都是为了能够 实际应用于污染土壤的修复治理,在注重理论研究 的同时也必须注意与实践相结合。温室盆栽试验条 件和大田试验条件有很大差异,盆栽试验的结果需 要经过大田试验验证才能确认各种修复措施是否 有效[52-53】。在盆栽试验之后,田间条件下的研究证 实接种AM真菌提高了海州香薷对重金属污染土壤 中Cu、Zn、Pb、Cd的修复效 J。这为AM真菌的 田间应用提供了实践依据。土壤、气候、水分、施 肥、病害等因子都能影响植物的生长和丛枝菌根的 发育,从而影响菌根一植物修复的大田应用效果, 未来还需要进一步加强相关研究。 9研究展望 对于重金属污染的植物修复来说,不论是污染 农田的植物提取还是矿区土壤的植物稳定,AM真 菌都显示出了良好的应用前景 圳。因为菌根是植物 与菌根真菌的共生体,选择优良的宿主植物和与之 高效共生的AM真菌仍是丛枝菌根.植物修复研究 的核心内容。AM真菌资源丰富,生物学特性各异, 生态适应性强,这为筛选优良AM真菌菌种(株) 提供了可能。其次,丛枝菌根一植物修复的理论和应 用基础研究仍需加强。此外,利用分子生物学技术 构建高效基因T程菌也会是未来的研究方向之一。 总之,丛枝菌根一植物修复重金属污染土壤的研究值 得更多的关注,将取得更大的发展。 参考文献: 【1】 BRADLEY R,BURT A J,READ D J.Mycorrhizal infection and resistnace to heavy metal toxicity in Calluna vulgaris[J].Nature,1 98 1 292:335.337. 【2】LEYVAL C,TURNAU I('HASELWANDTER K.Effcet of heavy metal pollution on mycorrhizal colonization and function:physiologi- cal,ecological nad applied aspects[J].Mycorrhiaz,1 997,7:1 39-1 53. 【3】 KHAN A G KUEK C,CHAUDHRY T M,et al Role ofplnats,my- corrhiaze nad phytochelators in heavy metal contaminatde lnad reule- diation[J].Chemosphere,2000,41:1 97-207. 【4】 GAUR A,ADHOLEYA A Prospects of arbuscular mycorrhiazl ufngi in phytoremediation of heavy metal contaminatde soils[J].Current Science,2004,86:528-534 【5】 RIVERA-BECERRIL VAN TUINEN D,MARTIN・LAURENT F, 维普资讯 http://www.cqvip.com
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