駱永明，涂 晨

(1. 中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所海岸帶環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái)，264003;2. 中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210008)

0 引 言

隨著工業(yè)化、城市化、農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展，人類肆意排放的巨量污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量造成的負(fù)面影響日益突出，土壤環(huán)境安全與生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力與日俱增，土壤污染控制與修復(fù)的社會(huì)需求迫在眉睫。近十多年來，包括生物修復(fù)、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)及其聯(lián)合修復(fù)在內(nèi)的污染土壤修復(fù)理論與技術(shù)研究成為了全球范圍的研究熱點(diǎn)。土壤-生物系統(tǒng)是陸地表層生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分，在接受各類污染物的同時(shí)，也在發(fā)揮其凈化的功能。在土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、微生物以及植物的共同作用下，進(jìn)入土壤的污染物，可通過吸附、沉淀、絡(luò)合、氧化還原以及生物降解與植物吸收代謝等作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殡y遷移或低(無)毒性物質(zhì)而減少在食物鏈中傳遞風(fēng)險(xiǎn)，從而凈化被污染土壤，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。

土壤-植物系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)中與人類生存與健康關(guān)系最為密切的亞系統(tǒng)。它一方面為人類生存發(fā)展提供食物和纖維等基本物質(zhì)，創(chuàng)造舒適的環(huán)境條件，另一方面，環(huán)境污染物也可以通過土壤-植物系統(tǒng)的傳輸直接影響人體健康［1］。土壤-植物系統(tǒng)中污染物的界面反應(yīng)過程與凈化修復(fù)作用，總體上涉及:①土壤有機(jī)組分、無機(jī)組分及其復(fù)合體對(duì)污染物的吸持、絡(luò)合、沉淀、氧化還原和共遷移;②土著微生物和土壤動(dòng)物對(duì)污染物的吸收、代謝、轉(zhuǎn)化、降解或固定;③植物對(duì)污染物的吸收、積累、分配、轉(zhuǎn)化、揮發(fā)和降解等。目前，國內(nèi)外有關(guān)重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中界面過程與修復(fù)研究較多［2］，而有關(guān)持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants，POPs)在農(nóng)田土壤-植物系統(tǒng)中界面過程與修復(fù)研究報(bào)道較少。多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)是一類世界關(guān)注的土壤環(huán)境中持久性有機(jī)污染物。鑒此，結(jié)合所在的科研團(tuán)隊(duì)近年來在土壤有機(jī)污染與生物修復(fù)領(lǐng)域的研究工作，以多氯聯(lián)苯為例，綜述了土壤-植物系統(tǒng)中POPs 的主要界面過程與生物修復(fù)研究進(jìn)展，提出了基于土壤-微生物-植物系統(tǒng)功能的POPs 污染土壤自修復(fù)新思路。

1 土壤組分界面過程

土壤界面主要指土壤固相、土壤溶液以及土壤孔隙氣相三相交界處形成的界面。組成土壤固相的各種黏土礦物、黏粒氧化物、腐殖質(zhì)和微生物等，大多是具有較大比表面積的帶電微米或納米膠體顆粒。土壤膠體微界面是土壤中最活躍的點(diǎn)位，對(duì)土壤中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化、降解及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)起決定性作用［3］。有機(jī)污染物在土壤環(huán)境中遷移及其生物有效性通常取決于它們與土壤不同組分的相互作用。土壤有機(jī)質(zhì)和黏土礦物通常被認(rèn)為是影響有機(jī)污染物在土壤環(huán)境中行為的兩個(gè)最重要因素。土壤有機(jī)質(zhì)通常以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)存在，游離態(tài)包括不分解或部分分解的動(dòng)植物殘?bào)w和微生物生物量，而結(jié)合態(tài)則以有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體形式存在，有機(jī)質(zhì)主要吸附在礦物表面或鎖定在土壤微團(tuán)聚體內(nèi)部［4］。倪進(jìn)治等［5］研究表明，土壤中游離態(tài)有機(jī)質(zhì)的含量雖然只有0.4 %～2.3 %，但它所結(jié)合的多環(huán)芳烴(PAHs)類有機(jī)污染物含量占土壤中PAHs 總量的31.5 %～69.5 %。游離態(tài)有機(jī)質(zhì)中有機(jī)污染物的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)中的含量，這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是有機(jī)污染物的主要吸附劑，而游離態(tài)主要是由不同分解程度的植物殘?bào)w和一些微生物結(jié)構(gòu)體組成的有機(jī)質(zhì)組分，其有機(jī)質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于結(jié)合態(tài)。畢新慧等［6］考察了PCBs 在5 種不同性質(zhì)土壤中的吸附行為，結(jié)果表明PCBs 在土壤中的吸附分為線性吸附和Langmuir 非線性吸附兩個(gè)過程;PCBs 在5 種土壤上的吸附等溫線無法用線性、Freundlich 或Langmuir 中的任何一個(gè)方程來單獨(dú)描述，而用線性和Langmuir 組合方程則可以很好地反映PCBs 在各種土壤中的吸附行為。此外，隨著土壤中有機(jī)碳含量的增加，非線性吸附過程更加明顯。

此外，土壤膠體顆粒大小對(duì)持久性有機(jī)污染物的吸附也有重要影響。土壤有機(jī)質(zhì)通?？梢苑殖删哂胁煌瘜W(xué)組成和周轉(zhuǎn)速率的有機(jī)質(zhì)庫，土壤粒徑大小不同的顆粒組分中有機(jī)質(zhì)庫的周轉(zhuǎn)速率不同，持久性有機(jī)污染物在這些有機(jī)質(zhì)庫中的分配特征可能是影響它們在土壤中的生物有效性和反應(yīng)活性大小的關(guān)鍵因素［7］。倪進(jìn)治等［8］以菲和苯并［a］芘作為代表物質(zhì)，研究了持久性有機(jī)污染物在農(nóng)業(yè)表層土壤(0～20 cm)不同粒徑組分(黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒、細(xì)砂粒和粗砂粒)中的分配特征，結(jié)果表明菲和苯并［a］芘在不同粒徑組分中的含量與粒徑組分中有機(jī)質(zhì)的含量均呈顯著性正相關(guān)，粗粉粒有機(jī)質(zhì)對(duì)菲和苯并［a］芘富集能力最強(qiáng)，黏粒有機(jī)質(zhì)對(duì)菲和苯并［a］芘的富集能力最弱。Haque 等［9］以Aroclor1254 水溶液研究了PCBs 在各種不同類型土壤顆粒上的吸附，結(jié)果表明，德爾蒙脫砂和硅膠不吸附任何PCBs，PCBs 的吸附量按草木灰土、伊利石、蒙脫石、Kadinit 土依次減少。

2 土壤-植物根際界面過程

根際是指植物根系與土壤之間的微界面，其范圍通常只有幾μm 到幾mm。根際是在物理、化學(xué)和生物學(xué)特性上不同于周圍土體的根表面的一個(gè)微域環(huán)境［10］。根際界面是污染物進(jìn)入植物體內(nèi)的主要通道，決定著污染物向植物根系的運(yùn)輸、植物吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)以及降解代謝。土壤-植物系統(tǒng)對(duì)持久性有機(jī)污染物的自修復(fù)受到根際界面的微生態(tài)過程所控制，包括植物根系生長釋放的根系分泌物(包括有機(jī)陰離子、質(zhì)子和酶等)、根際微生物的豐度和多樣性、根瘤菌和菌根真菌的界面過程與效應(yīng)［11］。

2.1 植物根系分泌物

根系分泌物是植物與土壤、水、大氣進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的載體，在改變污染物在根際微界面中的生物有效性、促進(jìn)污染土壤的植物修復(fù)等領(lǐng)域具有重要作用。根系分泌物對(duì)PCBs 類有機(jī)污染物在根際微界面環(huán)境行為產(chǎn)生影響作用的微生態(tài)過程可分為3 類:①酶系統(tǒng)的直接微生態(tài)過程;②通過增加微生物的數(shù)量、提高其活性的間接微生態(tài)過程;③根系分泌物誘導(dǎo)的共代謝或協(xié)同代謝微生態(tài)過程［11］。研究發(fā)現(xiàn)，植物根系可向土壤中分泌漆酶、脫鹵酶、硝基還原酶、腈水解酶和過氧化物酶等胞外酶，直接參與對(duì)土壤中PCBs 的降解代謝。Tu 等［12］通過PCBs 污染土壤的田間原位修復(fù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在種植修復(fù)植物紫花苜蓿的根際土壤中，表征土壤氧化還原反應(yīng)強(qiáng)度的脫氫酶和表征土壤微生物數(shù)量和總體活性的熒光素二乙酸酯酶活性均顯著高于未種植的對(duì)照處理。Leigh 等［13］的研究表明，某些樹根所分泌的芳香類化合物可作為PCBs 降解菌的代謝底物，促進(jìn)它們的生長并提高對(duì)土壤PCBs 的降解代謝能力。

2.2 根際微生物

在植物的根際活躍著大量的土著微生物，包括細(xì)菌、真菌和放線菌等，其中已有多種聯(lián)苯降解微生物被先后鑒定純化。根際微生物對(duì)PCBs 類有機(jī)污染物的降解主要包括以下兩種方式:一是以有機(jī)污染物為唯一碳源和能源，對(duì)PCBs 進(jìn)行直接礦化;二是在其他有機(jī)物的參與下共代謝降解PCBs［10］。采用PCRDGGE 等分子指紋技術(shù)，研究了PCBs 污染農(nóng)田土壤的植物修復(fù)過程中根際微生物多樣性的動(dòng)態(tài)變化［12］。結(jié)果表明，種植修復(fù)植物的根際土壤中微生物多樣性顯著高于未種植的對(duì)照。在種植紫花苜蓿修復(fù)兩年后的根際土壤中有多個(gè)新的微生物條帶產(chǎn)生，進(jìn)一步對(duì)這些新增條帶進(jìn)行測序后發(fā)現(xiàn)這些微生物大多屬于已知的聯(lián)苯降解菌，包括Actinobacteria 屬和Chloroflexi 屬［14-15］。最近，研究小組采用454 焦磷酸超高通量測序技術(shù)，對(duì)紫花苜蓿、黑麥草、高羊茅等多種修復(fù)植物的根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為紫花苜蓿根際所特有的聯(lián)苯降解菌群的豐度與多樣性是影響植物修復(fù)PCBs 效率的重要因素。徐莉等［16］采用PCR 與分子克隆的方法對(duì)經(jīng)植物-微生物聯(lián)合修復(fù)后的根際土壤中聯(lián)苯雙加氧酶bphA 基因進(jìn)行了生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)bphA 基因在PCBs 污染土壤中普遍存在，且bphA 基因的來源非常廣泛，包括假單胞屬、伯克霍爾德屬、博特氏菌屬、以及一些未知微生物物種來源，并且bphA 基因的豐度與土壤聯(lián)苯降解菌的數(shù)量存在相關(guān)性。

2.3 根瘤菌與菌根真菌

根瘤菌和菌根真菌是自然界中能與植物共生的兩種最為常見的土壤微生物，它們不僅能夠?yàn)樗拗髦参锾峁I養(yǎng)，促進(jìn)植物生長，而且能夠與宿主植物聯(lián)合協(xié)同降解土壤中持久性有機(jī)污染物，包括PCBs［17-18］。徐莉等［19］采用搖瓶實(shí)驗(yàn)證實(shí)了苜蓿根瘤菌Rhizobium meliloti 能夠轉(zhuǎn)化降解多種PCBs 同系物，特別是低氯聯(lián)苯;涂晨等［20］進(jìn)一步采用休眠細(xì)胞培養(yǎng)體系和GC-MS 鑒定了苜蓿根瘤菌對(duì)三氯聯(lián)苯PCB28的降解動(dòng)態(tài)和代謝產(chǎn)物;滕應(yīng)等［21-22］采用盆栽試驗(yàn)研究了叢枝菌根真菌(Glomus caledonium)和苜蓿根瘤菌(Rhizobium meliloti)單接種及雙接種對(duì)PCBs 復(fù)合污染土壤的聯(lián)合修復(fù)效應(yīng)。結(jié)果表明，根瘤菌對(duì)紫花苜蓿修復(fù)PCBs 污染土壤的強(qiáng)化作用大于菌根真菌，菌根真菌和根瘤菌雙接種對(duì)紫花苜蓿的強(qiáng)化修復(fù)效果明顯大于單接種的效果，并且雙接種改變了紫花苜蓿根際土壤微生物群落的碳源利用程度，改善了微生物群落功能多樣性。徐莉等［23］進(jìn)一步在田間原位條件下研究了種植紫花苜蓿和接種根瘤菌對(duì)PCBs 復(fù)合污染土壤的修復(fù)效應(yīng)。結(jié)果表明，田間種植紫花苜蓿并接種根瘤菌可強(qiáng)化對(duì)土壤PCBs 的修復(fù)效果;根瘤菌的接種顯著增加了修復(fù)植物的生物量，促進(jìn)了植物根系及地上部對(duì)PCBs 的吸收和富集;并且，根瘤菌的接種還可顯著增加植物根際細(xì)菌、真菌以及聯(lián)苯降解菌的數(shù)量，改變植物根際微生物的遺傳多樣性。此外，根瘤菌的侵染增加了紫花苜蓿根部的脂溶性成分，顯著提高了植物組織中超長鏈脂肪酸的比例，從而強(qiáng)化了植物吸收富集PCBs 的能力［24］。

3 植物體內(nèi)界面過程

近年來，對(duì)重金屬污染土壤的植物修復(fù)開展了許多研究，重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)輸與分配成為研究的熱點(diǎn)，對(duì)植物修復(fù)機(jī)理已有專門的論述［25］。相對(duì)地，有關(guān)持久性有機(jī)污染物的植物修復(fù)機(jī)理研究報(bào)道仍屬少見。研究表明［26］，植物對(duì)有機(jī)污染物的吸收主要有兩種途徑:一是植物根部吸收并通過植物蒸騰流沿木質(zhì)部向地上部分遷移轉(zhuǎn)運(yùn);二是以氣態(tài)擴(kuò)散或者大氣顆粒物沉降等方式被植物葉面吸收。對(duì)于低揮發(fā)性有機(jī)污染物，植物對(duì)其吸收積累主要是通過根部吸收的方式，而對(duì)于高揮發(fā)性有機(jī)污染物則主要是通過植物葉片的吸收富集。

PCBs 屬于高脂溶性有機(jī)污染物，可以在植物根部強(qiáng)烈富集。根部吸收可能是PCBs 進(jìn)入植物體內(nèi)的一個(gè)重要途徑。Zeeb 等［26］考察了9 種不同植物對(duì)PCBs 污染土壤的吸取效率，結(jié)果表明所有植物均能夠利用根系直接從土壤中吸PCBs 并將其轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部;從植物所吸收的PCBs 同系物特征來看，高氯PCBs 占了植物根部所富集PCBs 總量的較大比例，而植物地上部中所富集的多為低氯PCBs (特別是三氯至六氯)，但高氯聯(lián)苯在植物地上部中仍可檢出。孫向輝等［27］以紫花苜蓿為材料，研究了PCBs 在植物根、根瘤、地上部中的積累、分布及存在形態(tài)。結(jié)果表明，PCBs 在紫花苜蓿根、根瘤和莖葉部均有不同程度的積累(p ＜0.01)，其含量為根瘤＞根＞莖葉，根系表現(xiàn)為主要富集部位。采用改進(jìn)的化學(xué)連續(xù)提取法可以把紫花苜蓿根系中PCBs 分為根表弱吸著態(tài)、根表強(qiáng)吸著態(tài)和根內(nèi)吸收態(tài)3 種形態(tài)，其中78 %為強(qiáng)吸著態(tài)，約有2 %為根內(nèi)吸收態(tài)。徐莉等［17］和?slund 等［28］研究結(jié)果都表明，植物根部PCBs 含量遠(yuǎn)高于莖葉，這可能與PCBs 為疏水性有機(jī)污染物，易被植物地下部組織表面吸附而難以被植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。進(jìn)一步對(duì)植物吸收富集PCBs 的能力與植物不同脂質(zhì)組分含量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)PCBs 的吸收富集能力與植物總脂含量密切相關(guān)，同時(shí)植物極性脂含量對(duì)植物吸收富集PCBs 能力的影響顯著高于植物非極性脂含量［29］。

進(jìn)入植物體內(nèi)的PCBs 在組織間分配或揮發(fā)的同時(shí)，有些植物還能將其在體內(nèi)進(jìn)一步代謝或礦化，使其轉(zhuǎn)化為無毒的中間產(chǎn)物儲(chǔ)存在植物體內(nèi)或完全礦化為CO2和H2O 等無機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。植物酶對(duì)持久性有機(jī)污染物在植物細(xì)胞和組織中的降解起到重要作用。研究表明，植物對(duì)PCBs 的代謝作用主要通過植物體內(nèi)的各種過氧化物酶、羥化酶、糖化酶、脫氫酶以及植物細(xì)胞色素酶P450 等來實(shí)現(xiàn)［30］。

4 結(jié) 語

土壤-植物系統(tǒng)界面是土壤礦物和有機(jī)質(zhì)組分、植物根系、根際微生物等微界面的集合體，是動(dòng)態(tài)變化的連續(xù)體，也是污染物與植物、微生物以及土壤組分相互作用的活躍區(qū)域［3］。發(fā)生在這一界面上的各種物理、化學(xué)以及生物學(xué)反應(yīng)與過程對(duì)持久性有機(jī)污染物的自然凈化至關(guān)重要。深入研究土壤-植物系統(tǒng)中持久性有機(jī)污染物的界面反應(yīng)和過程，揭示污染土壤的自修復(fù)機(jī)理，創(chuàng)新自然修復(fù)技術(shù)，對(duì)發(fā)展綠色修復(fù)、防治二次污染甚至節(jié)能減排都具有重要意義。當(dāng)前，對(duì)土壤-植物系統(tǒng)中不同類型持久性有機(jī)污染物的界面反應(yīng)過程與自修復(fù)機(jī)理缺乏研究，限制了自然環(huán)境條件下土壤-植物-微生物系統(tǒng)中持久性有機(jī)污染物變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)和自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。隨著土壤學(xué)、植物生理學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)代化分析測試技術(shù)和微測系統(tǒng)的創(chuàng)新，以及多學(xué)科綜合交叉研究的深入，有望在土壤-植物系統(tǒng)持久性有機(jī)污染物界面反應(yīng)、傳輸過程和代謝轉(zhuǎn)化作用及其模型化表征等方面取得突破，為發(fā)揮自然土壤環(huán)境中有機(jī)污染自修復(fù)作用提供新理論、新方法和新技術(shù)。

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