張又丹，郝鮮俊

（山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

AM對重金屬和有機污染土壤的修復及機理

張又丹，郝鮮?。?/p>

（山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

隨著現(xiàn)代農業(yè)科技的發(fā)展，土壤中污染物的種類和數(shù)量也迅速增加，這直接導致了我國可利用耕地土壤面積的減少，造成土地減產和大量的經濟損失。如何恢復或修復遭受污染的土地成為21世紀環(huán)境生態(tài)治理的熱點。菌根（Mycorrhiza)是土壤中某些真菌與植物根系形成的一種共生體，在自然界中普遍存在，最常見的類型是叢枝菌根（Arbuscular Mycorrhiza，AM)。AM的自身代謝作用能將一些土壤污染物分解為無毒物質，其分泌的球囊霉素可以絡合土壤中的重金屬，并且AM與宿主植物建立共生關系后，不僅能改善植物的生長狀況，還可引起植物根際微域環(huán)境的變化，如pH值、酶以及微生物的數(shù)量和種類等，這些都有助于降低土壤中污染物的含量。本文主要綜述了AM在污染土壤方面的最新研究進展，重點闡述了其對重金屬和有機污染土壤的修復效應及機理，并對目前研究中存在的問題以及未來研究方向做出探討。

叢枝菌根;污染土壤;修復;機理

近年來，隨著工農業(yè)的迅速發(fā)展和人口的快速增長，土壤污染越來越嚴重［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國耕地土壤的重金屬污染面積約占耕地總面積的1／6，其中，鎘是最主要的污染元素，鎳和汞次之［2］;每年新增石油污染土壤1.0×108kg［3］;受到農藥污染的耕地至少有1 300～1 600萬hm2，因土地污染減產的經濟損失每年達200億元［4］。因此，污染土壤修復成為迫在眉睫的任務。

目前，修復污染土壤的方法有物理修復、化學修復和生物修復三種［5］。物理修復是出現(xiàn)最早的修復技術之一，主要應用熱力學、電動力學、熱解吸等方法［6］?；瘜W修復是通過改良劑的加入使土壤中的污染物轉化為難溶物，以降低其在土壤中的遷移能力，包括化學淋洗、溶液浸提等方式［7］。在傳統(tǒng)物理修復和化學修復中，雖然有些方法效率高、效果好、費用也合理，但仍存在修復后穩(wěn)定性差、易造成二次污染等問題［8］。生物修復是應用生物如植物、微生物等的生命代謝活動減少環(huán)境中的有毒有害物質，使污染了的環(huán)境恢復到原始狀態(tài)的過程［9］，相對于其他兩種方法，生物修復除了費用低、效果好的優(yōu)點外，一般不會改變土壤性質和引起二次污染，因此還具有更高的安全性。

菌根修復技術是利用真菌和植物根系結合形成相互作用的根際、菌際環(huán)境［10］，以達到有效降解土壤中各種污染物濃度或含量的一種方法。在自然環(huán)境中，大多數(shù)（大約為90%)陸生植物物種都可以形成菌根，最常見的類型是叢枝菌根（Arbuscular Mycorrhizal，AM)［11］。目前，常用的污染土壤生物修復載體主要是植物和微生物兩類［12］，而菌根作為生物修復載體的應用則是一個新方向。之前已有學者對AM在污染土壤中的修復作用進行了總結，但不是很全面，本文擬對其在污染土壤中的修復作用進行全面的系統(tǒng)綜述。

1 AM對重金屬污染土壤的修復

土壤重金屬污染主要是由人類活動引起的，如污水灌溉、礦山開采、工業(yè)廢水排放等［13］，這些活動均會導致土壤中重金屬含量的增加，使其超過土壤自凈能力，進而造成土壤質量的惡化。重金屬如銅、鋅、鉛、汞、鎘、鎳等，不能被土壤微生物所分解，只能在土壤和植物體內遷移、富集和轉化，超過一定濃度時會產生毒害［14］，如影響作物生長，抑制營養(yǎng)元素吸收等。周青等［15］研究表明，當鎘濃度為30μmol·L－1時，菜豆的生長受到嚴重抑制，植株高度、根系長度以及根、莖、葉的鮮重、干重均呈現(xiàn)不同程度的降低。許桂蓮等［16］研究發(fā)現(xiàn)，當土壤中鋅、鎘濃度持續(xù)升高時小麥幼苗對鈣、鎂的吸收呈下降趨勢。

1.1 AM對重金屬污染土壤的修復效應

在重金屬含量高的土壤中，申鴻等［17］研究發(fā)現(xiàn)，接種菌根玉米與非菌根玉米相比，其根系干重、根長以及植物體內銅、鎘、鋅含量等均顯著提高，且所吸收的重金屬大多被積累于根部，這說明接種菌根可以提高玉米植株對土壤中重金屬的吸收，使重金屬得到轉移。能與植物根系形成AM的真菌有很多種，每種AM對土壤中重金屬的吸收能力也不盡相同。胡振琪等［18］以玉米為材料的盆栽實驗表明，在鎘污染土壤中添加Glomusdiaphanum和Glomusmosseae對玉米地上部和根部的鎘含量都有影響，兩種菌根侵染均可顯著降低玉米地上部對鎘的吸收，但對根部的影響情況有所差異：玉米接種Glomusmosseae菌根沒有顯著降低根部對鎘的吸收，接種Glomusdiaphanum反而顯著增加了根部對鎘的吸收。另外，盆栽試驗和田間試驗的結果表明，接種AM極大地提高了鬼針草和龍珠果對污染土壤中銅、鉛和鋅的吸收積累［19］。

1.2 AM對重金屬污染土壤的修復機理

AM對重金屬污染土壤的修復主要是通過直接作用和間接作用兩種機制實現(xiàn)的［20］。

1.2.1 直接作用

AM對重金屬的直接作用主要為AM菌絲的“過濾機制”［21］。陳保冬等［22］研究發(fā)現(xiàn)，AM 陽離子交換量顯著高于根系陽離子交換量，且菌絲體可分別吸附相當于自身干物重1.6%的錳、2.8%的鋅和13.3%的鎘。馮海艷等［23］研究了AM真菌對黑麥草吸收鎘的影響，結果表明，當土壤中鎘濃度為15mg·kg－1時，Glomusmosseae和Glomus intraradices的菌絲貢獻率分別達到了68%和70%。這說明AM菌絲上有可能提供重金屬結合的位點，這些位點可將重金屬富集于真菌體內［20，24］。Turnau等［25］認為菌 絲內存在能夠與重金屬結合的聚磷酸鹽，它可降低重金屬向植物體內的運輸量，這種作用就是“過濾機制”。另外，AM真菌能夠分泌一種含有金屬離子的專性糖蛋白——球囊霉素，它可以有效絡合土壤中的重金屬，降低根際土壤的重金屬含量［26］。

1.2.2 間接作用

AM對重金屬的間接作用主要是通過影響宿主植物來實現(xiàn)的，目前發(fā)現(xiàn)的機制包括：（1)AM真菌侵染改變宿主植物的根系形態(tài)。申鴻等［27］研究發(fā)現(xiàn)，在銅污染土壤中接種GlomusCaledonium后，接種玉米的根系生物量和根系長度，較未接種玉米均有明顯提高;當施銅量達到150mg·kg－1時，與未接種玉米相比，接種玉米的地上部和根系吸銅量分別提高了28.2%和60.0%，這說明在銅污染條件下，菌根菌絲的侵染使植物將土壤中過量的銅積累在根部，并且抑制其向地上部的轉移。（2)AM改善宿主植物對礦質營養(yǎng)元素的吸收狀況［28］。張旭紅等［29］研究表明，重金屬復合污染較高條件下，AM的存在提高了蠶豆地上部的磷含量。菌根促進宿主植物對營養(yǎng)元素的吸收，使植物生長加快、抗逆性增強，間接地影響植物對重金屬的修復作用。（3)AM改變宿主植物根際環(huán)境的理化狀況。AM對根際環(huán)境的影響主要有增加根部分泌物、改變微生物的種類、數(shù)量、影響根際pH值等［30］。微生物能富集多種重金屬，對重金屬有較強的親和作用［31］。畢銀麗等［32］研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌可促進根際土壤中細菌、放線菌和真菌數(shù)量不同程度的增加，這有利于微生物對土壤中重金屬的積累。陳秀華等［33］研究發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌后，土壤中pH值降低，而交換態(tài)銅的濃度有所增加，說明菌根的存在有助于提高銅的生物有效性，增加銅從土壤向植物根部的轉移，進而降低土壤中銅的濃度。

2 AM對有機污染土壤的修復

隨著農藥化肥施用、石油開采等活動的大范圍進行，我國土壤有機污染狀況日益嚴重。汪珊等［34］通過對珠江三角州地區(qū)資料的研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)蔬菜基地土壤中部分有機污染物含量已超過美國土壤的控制標準。葛成軍等［35］研究發(fā)現(xiàn)南京某地區(qū)農業(yè)土壤中多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PHAs)含量過高。有機污染物具有難分解、高毒性、生物蓄積性等特點，若長期滯于環(huán)境中，易對生物體的生長發(fā)育產生毒害［36，37］。劉繼朝等［38］實驗數(shù)據(jù)表明，隨著土壤中石油污染水平的增加，向日葵、棉花、黑麥草、三葉草、紫花苜蓿等植物的種子發(fā)芽率、植株高度及鮮重均出現(xiàn)不同程度降低。

2.1 AM對有機烴類污染土壤的修復效應

楊婷等［39］通過實驗表明，無論紫花苜蓿還是黑麥草接種蘇格蘭球囊霉36號菌劑，其AM侵染率均有明顯提高，并且土壤中PAHs的降解率也與AM侵染率呈正相關關系。另外，有實驗結果顯示［40，41］，土壤中菲起始濃度相同情況下，通過測定植物不同生長階段的土壤，發(fā)現(xiàn)接種Glomus mosseae的土壤中菲殘留濃度均低于有植物無AM對照和無植物無AM對照。以上結果表明，AM有助于土壤中有機烴類的降解。

2.2 AM對酞酸酯類污染土壤的修復效應

目前，利用 AM 修復酞酸酯類（PAEs phthalates)污染土壤的研究較少。其中王曙光等［42］以豇豆為供試植物，研究AM對三個土層：菌根際、菌絲際和常規(guī)土層中鄰苯二甲酸二脂（Diethylhexyl Phthalate，DEHP)在三個不同濃度（4 mg·kg－1、20mg·kg－1、100mg·kg－1)的降解試驗，結果顯示，接種AM真菌后三個土層中DEHP的殘留濃度均低于對照，其中菌絲際濃度最低，這說明AM在DEHP降解過程中起了重要作用，但具體原理還有待進一步研究。

2.3 AM對石油污染土壤的修復效應

王麗萍等［43］模擬0.2%和2.0%兩種石油污染濃度，對玉米進行菌劑接種處理，結果表明，石油烴的降解率與菌根侵染率、玉米根干重及植株干重均呈現(xiàn)正相關關系。這說明接種AM真菌不僅能促進玉米地上、地下部分的生長，而且根部生物量的增加有利于土壤中石油的降解。何翊等［44］研究發(fā)現(xiàn)，在石油污染土壤中種植大豆與玉米，并施加內生菌菌劑，一個生長季后，土壤中石油污染物的降解率可達53%以上。

2.4 AM對農藥污染土壤的修復效應

宋福強等［45］研究發(fā)現(xiàn)，在盆栽高粱條件下，接種Glomusmosseae土壤中阿特拉津的殘留量明顯降低。馬放等［46］以農藥三環(huán)唑為研究對象，對水稻進行不同AM真菌接種處理，結果表明，不同AM真菌接種處理時，三環(huán)唑的消解率均不同程度地大于對照處理，且菌劑為150%質量分數(shù)的Glomusmosseae以及Glomusmosseae和Glomusintraradices的混合菌劑時效果較好，三環(huán)唑消解率分別為0.10和0.09。以上研究表明AM可促進土壤中農藥的降解，而降解效果依菌劑類型而異。

2.5 AM對有機污染土壤的修復機理

AM對有機污染土壤的修復與其自身代謝作用有關［47］，有機污染物主要由碳元素構成，而AM真菌為異養(yǎng)微生物，需要從外界獲得營養(yǎng)物質，這樣有機污染物就可以為真菌提供碳源［41］。另外，通過AM真菌的自身代謝作用污染物可被分解為簡單的有機物，或分解為二氧化碳和水，同時獲得自身所需能源，以達到降解有機污染物或降低其毒性的目的［48］。AM真菌與宿主植物建立共生關系后，能增加植物對土壤水分和營養(yǎng)元素的吸收，促進植物生長，通過植物的吸收以及在體內的積累作用來降低土壤有機污染物含量［49］，凌婉婷等［50］研究了多種植物對土壤中PHAs的吸收作用，結果顯示，隨著土壤中菲和芘濃度的提高，根中菲和芘含量也明顯增大。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，AM形成后，不僅促進宿主植物生長，也會引起土壤中根系分泌物數(shù)量和組成的較大變化［43，51］，如，AM 可促進氧化酶、過氧化氫酶等酶類物質的分泌，提高根際土壤酶含量和活性，進而促進有機污染物的降解［52］。目前，關于AM修復有機污染土壤的機理還不是很完整，如降解污染物后具體產生何種物質、降解動力學等，這些都需要在今后的研究中進一步探討。

3 AM對放射性污染土壤的修復

20世紀以來，隨著核技術在多個領域的廣泛應用，越來越多的放射性物質進入土壤，造成嚴重污染。核試驗、核工業(yè)排棄物是土壤放射性污染物的主要來源［53］，其長期存在會對環(huán)境及生物健康造成威脅。目前，關于放射性污染土壤研究較多的生物修復方法依然是植物修復和微生物修復［54］，涉及菌根修復的研究相對較少。

黃仁華等［55］在137銫污染土壤中接種5種AMF（Glomusgeosporum，Glomusmosseae，Glomusversiforme，Glomusetunicatum和Glomusdiaphanum)，實驗結果顯示，接種處理的假高粱植株體內137Cs比活度不同程度地高于對照處理，其中有三個菌種效果明顯：Glomusmosseae增加了40.11%，Glomusetunicatum增 加 了 18.45%，Glomusdiaphanum為17.73%，這說明AM可以提高植物對放射性元素的聚集能力。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，接種AM真菌會降低假高粱根部有機酸的組成及含量，降低幅度最明顯的也是接種Glo-musmosseae的植株。這表明植株聚集放射性元素的能力可能與其根部分泌有機酸的組成、含量有密切關系，但具體機理還需要進一步的研究。

4 結語

菌根修復作為一種生物修復技術而言起步時間較短，對AM修復污染土壤的研究體系還不完善。筆者認為，今后需要在以下幾個方面進行深層次研究：（1)因地制宜，選擇最佳菌種與處理方式。這是因為AM真菌種類較多，對污染土壤的修復效果也因土壤環(huán)境、宿主植物等不同而異，因此需要針對不同類型的污染土壤選擇修復效果最佳的菌種;其次，就目前土壤狀況來看，大部分土地均為幾種污染物形成的復合污染，單一污染情況相對較少，針對此現(xiàn)象需要在研究菌根修復的同時考慮多種菌劑的復合使用，以達到對復合污染土壤的修復。（2)開展AM修復機理研究。目前，AM修復機理大部分停留在假說階段，同時也存在許多爭議，很多關于土壤修復的具體過程需要進一步探討，如有機污染物經AM代謝后形成的產物具體是什么;植物通過菌根大量吸收重金屬后在體內如何消耗等。此外，利用分子生物技術開展微觀水平的研究應在今后的課題中加強。（3)解決進行AM推廣應用中遇到的問題。菌根修復技術雖然安全度高、可操作性強，成本也相對較低，但目前研究都只是在小范圍內的實驗研究，若今后將其投入大面積的實際應用中，菌劑的生產、保存、運輸?shù)榷际羌毙杞鉀Q的問題。

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Arbuscular Mycorrhizal Remediation and Mechanisms on Heavy Metals and Organic Pollutants Contaminated Soils

Zhang Youdan，Hao Xianjun＊
（CollegeofResourcesandEnvironment，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801，China)

With the development of modern agricultural technology，the kinds and amounts of contaminants in soil are also increasing rapidly，which led directly to the area of arable land can be used to reduce and cause land reduction of output and amount of economic loss.Therefore，how to restore or remediate of contaminated land has become a hot of environment ecological management in the 21st century.Mycorrhiza is a kind of symbiont that fungi and plant roots formed，it is ubiquitous in nature，and the most common type is arbuscular mycorrhizal（AM).The metabolism of AM can decompose some pollutants in the soil into non-toxic substances，and the glomalinwhich AM secrete can chelate heavy metals in the soil，and after the AM establishing a symbiotic relationship with the host plant，that not only improve the growth conditions of plant，but also cause changes in the rhizosphere micro domain environment，such as pH value，enzymes，and the number and types of microorganisms and other，all of which help to reduce the amount of contaminants in the soil.This paper reviewed the recent progress about AM in contaminated soils，focusing on the effect and its remediation mechanisms of heavy metal and organic contaminated soils，and made discussion on the present research problems and future research direction.

Arbuscular mycorrhizal;Contaminated soil;Rehabilitation;Mechanism

X53

A

1671-8151（2015)05-0519-05

10.13842/j.cnki.issn1671-8151.2015.05.014

2015-02-25

2015-03-19

張又丹（1989-)，女（漢)，河北辛集人，碩士研究生，研究方向：土壤退化與生態(tài)重建

＊通訊作者：郝鮮俊，副教授，碩士生導師。Tel： 18404981582;E-mail：haoxianjun660＠126.com

山西省青年科技研究基金（2011021031－1)

（編輯：武英耀)