微生物强化植物修复铅污染土壤的机制研究进展.pdf

综述与专论2023,39(8):114-125生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN收稿日期：2023-02-15基金项目：国家自然科学基金地区基金项目（42167009），云南省高校联合基金项目（2018FH001-004），云南省教育厅科学研究基金项目（2022Y712），云南省教育厅云南高原湖泊-北美五大湖国际联合科技创新团队作者简介：江润海，男，硕士研究生，研究方向：土壤重金属修复；E-mail: 通讯作者：侯秀丽，女，博士，教授，研究方向：土壤重金属污染生物修复、湖泊生态修复；E-mail:微生物强化植物修复铅污染土壤的机制研究进展江润海 姜冉冉 朱城强 侯秀丽（昆明学院农学与生命科学学院 高原湖泊生态与环境健康云南省高校协同创新中心，昆明 650214）摘 要：重金属铅（Pb）是造成土壤污染进而对生物安全构成严重威胁的重金属之一，微生物在缓解植物受 Pb 的毒害中发挥重要作用。与植物根际相互作用过程中，土壤微生物通过多种途径改善根际微生态环境促进植物对 Pb 的修复及降低 Pb 的毒害作用。聚焦了土壤微生物与重金属 Pb 生物化学作用过程，综述了微生物对植物修复 Pb 污染的作用机制，结论如下：（1）微生物细胞壁表面存在大量的结合位点和带负电荷的官能团，对 Pb 具有较强的吸附作用。（2）微生物在与重金属作用过程中，阳离子与重金属发生离子间的相互交换作用。（3）微生物通过代谢分泌胞外分泌物，与重金属形成稳定的 Pb 络合物。（4）微生物通过氧化还原反应改变或转化土壤中重金属的形态，或将 Pb 氧化还原为难溶沉淀，降低土壤重金属的毒性。（5）微生物分泌的生长激素可以促进植物生长发育，提高植物抗性，其代谢产物可以改善根际重金属的特性，促进植物对 Pb 的吸收或将 Pb 固定在植物根际以降低 Pb 对植物的毒害作用。对微生物吸附 Pb 的主要机理进行了全面讨论，总结了微生物联合植物修复 Pb 污染土壤中微生物与植物间的作用关系，为深入了解土壤重金属修复过程中植物、微生物、重金属三者间相互作用的机制提供依据。关键词：微生物；植物修复；铅；植物促生；重金属胁迫；耐性机制DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2023-0125Research Progress in Mechanisms of Microbial-enhanced Phytoremediation for Lead-contaminated SoilJIANG Run-hai JIANG Ran-ran ZHU Cheng-qiang HOU Xiu-li（Yunnan Collaborative Innovation Center for Plateau Lake Ecology and Environmental Health,College of Agronomy and Life Sciences,Kunming University,Kunming 650214）Abstract:Lead（Pb）is one of the heavy metals that cause soil pollution and pose a serious threat to biological safety.Microorganisms play an important role in alleviating the toxicity of lead to plants.In the process of interacting with the rhizosphere,soil microorganisms improve the microecological environment of the rhizosphere and promote the repair of plants to lead and reduce the toxicity of lead by various means.This article focuses on the biochemical interaction between soil microorganisms and heavy metal lead,reviews the mechanism of microorganismsrole in repairing lead pollution in plants,and concludes as follows:1）There are a large number of binding sites and negatively charged functional groups that have strong adsorption of lead on the cell walls of microorganisms.2）Cations exchange ions with heavy metals in the process of interaction with heavy metals.3）Microorganisms secret extracellular substances in metabolism,which form stable lead complexes with heavy metals.4）The forms of heavy metals in soil are changed or transformed by oxidation-reduction reactions,or the lead are oxidized and reduced to insoluble precipitation,thus reducing the toxicity of heavy metals in soil.5）The growth hormone secreted by microorganisms can promote the growth and development of plants,improve the resistance of plants,and its metabolic products can change the characteristics of heavy metals in the rhizosphere,which promotes the absorption of lead by plants or fix lead in the rhizosphere of plants to reduce the toxicity of lead to plants.A comprehensive discussion of the main mechanisms of lead adsorption by microorganisms was conducted,and the relationship between 2023,39(8)115江润海等：微生物强化植物修复铅污染土壤的机制研究进展土壤与人类的生存和发展息息相关，当前全球大量土壤受重金属污染严重。由于重金属的不可降解性、毒性、持久性和在食物链中的生物累积性，一旦通过食物链进入机体的重金属含量超出人体可接受的最大容纳量时，会引发各种疾病，对肝、肾、神经组织等造成损伤，潜在危害极大。据估计，欧盟有 350 万个地点可能受到污染，其中 50 万个地点受到高度污染1。在美国，约有 60 万 hm2的土地（尤其是棕地）受到了重金属污染2。2014 年 4 月 17 公布的全国土壤污染状况调查公报3表明，全国土壤重金属总体超标率为 16.1%，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 和 Li 的超标分别达 7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和 4.8%，其中 Pb 是五大重点监控重金属之一，其毒性极强4-5。土壤中过量的重金属元素，对粮食生产和人类健康带来了潜在威胁，土壤重金属污染问题亟待解决6-7。植物修复是一种绿色环保的重金属修复技术，在利用植物修复土壤中重金属污染的同时，对生态环境具有无害和安全的优点。但是在使用植物修复的过程中，污染物容易在植物中储存和积累，植物受到多种污染物的胁迫使修复效果不明显8-11。因此，研究者提出改变植物根际微生态环境以提高植物修复效率，根际微生物分泌的有机酸可以降低土壤的 pH，活化并促进植物对重金属吸收，微生物分泌物还能与微量元素 Cu、Zn、Mn、Co 等络合，提高根际环境中这些元素的生物有效性，同时微生物特殊的细胞结构可以通过吸附、沉淀、络合等将重金属固定，降低重金属对植物的毒害作用。微生物协同植物修复重金属污染可以作为一种有效的生物替代方法来修复土壤中的重金属12。但微生物对重金属的吸附机制和微生物与植物之间对重金属的修复机理并不明确，本文以 Pb 为例综述了微生物吸附重金属的主要吸附机制和植物根系与微生物系统修复重金属 Pb 的机理，旨在为我国修复土壤重金属污染提供参考。1 不同微生物对 Pb 的吸附作用微生物特殊的细胞结构对重金属具有吸附作用，微生物吸附重金属的过程最初发生在与细胞壁表面的结合位点，随后金属离子被膜运输至细胞质13-15。具有吸附重金属能力的微生物主要包括细菌、真菌和藻类等，不同类型的微生物对各种重金属都表现出良好的生物吸附能力16-19（表 1）。例如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）能够在低温下去除 Pb，而且在弱酸性或近中性污染的土壤中辅助植物修复 Pb。Tunali 等22利用从土壤中分离出的芽孢杆菌（Ba-cillus sp.），在 pH 值为 3.0、吸附温度为 25.0时对 Pb2+具有最大吸附量。Kang 等20从金属矿山土壤分离出阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae），并利用阴沟肠杆菌的尿素酶活性的生物矿化去除 Pb，结果表明，在 30下培养 48.0 h 后，Pb 的去除率 约 68.1%。真菌对重金属也具有较强的吸附作用。Akar等23研 究 发 现 Pb2+积 累 在 灰 霉 病 菌（Botrytis cinerea）表面，当 pH 值为 4.5、接触时间为 1.5 h、接触温度为 25时，Pb2+的含量从 350.0 mg/dm3降低到 107.1 mg/dm3。Iqbal 等24用黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）测试了一种新的生物吸附系统，研究海绵固定化真菌（fungal biomass immobilized within a loofa sponge,FBILS）对 重 金 属的吸附性能，结果表明，当 pH 为 6.0、吸附时间为60.0 min 时，FBILS 对 Pb 的吸收达到最大为 135.3 mg/g。Dursun 等25分析比较了 Cu2+、Pb2+和 Cr2+的生物富集性，黑曲霉（Aspergillus niger）对 3 种金属离子的积累量大小为：Pb2+Cu2+Cr6+，表明黑曲霉是一种有效的 Pb2+生物吸附剂。藻类微生物对重金属的结合能力主要取决于细胞壁的性质28，其细胞壁几乎由磺化多糖的纤维素组成，存在大量的氨基、羧基、羟基和羰基等官能团，这些官能团作为金属离子的结合部位，对金属离子具有一定的吸附作用15。不同类型的海藻生物microorganisms and plants in the repair of lead pollution in soil was summarized,providing a basis for further understanding the interaction mechanism among plants,microorganisms and heavy metals in the process of soil heavy metal remediation.Key words:microorganism;phytoremediation;lead;plant growth promotion;heavy metal stress;tolerance mechanisms生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.8116量对 Pb2+的吸附量表现的吸附功能存在较大差别：褐 藻（Phaeophyta）绿 藻（Chlorophyta）红 藻（Rhodophyta）29，褐藻含有丰富的基质、多糖和胞外聚合物（extracellular polymeric substances,EPS）因此对于 Pb2+具有较强的吸附能力28。2 微生物吸附重金属 Pb 的机制微生物对土壤中重金属的修复和解毒具有重要作用，微生物修复重金属 Pb 的机理和过程主要通过生物吸附进行30-32。生物吸附过程指细胞壁与金属离子相互作用的总和，包括静电相互作用、离子交表 1 不同微生物吸附剂对金属 Pb 的生物吸附Table 1 Biosorption of metal lead by different microbial adsorbents微生物群 Microbial group微生物 MicrobialpH温度 Temperature/时间 Time/h初始金属离子浓度 Initial metal ion concentration/（mgL-1）吸附容量 Sorption capacity/（mgg-1）参考文献 Reference细菌 Bacteria阴沟肠杆菌 Enterobacter cloacae_30.048.07.202.320黄色微球菌 Micrococcus luteus7.027.012.0272.31 965.021芽孢杆菌 Bacillus sp.3.025.00.25250.092.2722真菌 Fungi灰霉病菌 Botrytis camera4.025.01.50350.0107.123黄孢原毛平革菌 Phanerochaete chrysosporium6.0_1.06 760.0135.324黑曲霉 Aspergillus nige4.530.01.0100.034.425藻类 Algae粉红藻 Asparagopsis armata4.0_2.0124.063.726蠕虫球虫Codium vermilion5.0_2.083.063.326螺旋藻Spirogyra sp.5.025.01.6200.0140.827换反应、络合反应、氧化还原反应和沉淀作用33-37。2.1 静电相互作用微生物的细胞壁结构成分是生物吸附重金属的第一道防线，对重金属吸附起着重要作用。生物吸附是细胞外隔离重金属以限制其进入细胞而减少毒害的一种途径。细胞壁表面存在带负电荷的官能团，如羧基、羟基、氨基、巯基和磷酰基等36,38-40，这些带电官能团吸引金属阳离子，并通过其他驱动力进一步键合重金属。Maldonado 等41从微生物群中分离出一株细菌菌株（DE2008），研究表明该细菌产生的 EPS 中含有带负电荷的糖醛酸和硫酸基团，与重金属离子发生静电相互作用，从而有效地吸附Pb2+。官能团的结合还受到反应介质环境制约，环境 pH 值会对金属物质和微生物细胞壁官能团的电荷性质产生影响。例如在生物吸附过程中，在较低pH 值（1.0-3.0）下，由于-NH2等官能团在细胞表面被质子化，阴离子通常比阳离子更易被吸附，如Pt 和 Pd 在 pH 值为 1.6-1.8 更易被吸附，而阳离子则在较高的 pH 值（3.0-7.0）下易被吸附，如 Pb 和Cu 的最适 pH 值为 5.0，Cd、Zn 和 Ni 在 pH 值为 5.5时最佳40。2.2 离子交换反应在重金属胁迫下，微生物通过代谢活动改变代谢产物，增强对重金属 Pb 的离子交换作用。由微生物分泌代谢并由细胞裂解产生的高分子量聚合物EPS，具有很高的生物絮凝活性并对微生物细胞具2023,39(8)117江润海等：微生物强化植物修复铅污染土壤的机制研究进展有重要作用42-43。EPS 由多糖、蛋白质、核酸、腐殖质、脂类和其他低分子成分组成，通常含有 5%-25%的糖醛酸残基，酸性的 EPS 极易与金属离子结合44-47。在低 pH 条件下，由于排斥力的作用，细胞壁上的配体被质子化，金属阳离子不被 EPS 吸附，随着 pH 值的升高，使得 EPS 中暴露出更多的配体，并携带负电荷，从而吸附更多的金属离子48-50。微生物在吸附重金属的同时伴随着其他阳离子的释放，发生离子间的相互交换作用35-36,51-52。陈 志53分 别 对 两 种 芽 孢 杆 菌（B.cereus12-2 和B.thuringiensis016）细胞在有无 Pb2+条件下释放K+、Na+、Mg2+进 行 实 验，在 无 Pb2+条 件 下，B.cereus12-2 和 B.thuringiensis016 细胞只释放少量的K+（0.3 mmol/L）和 Na+（0.1 mmol/L）；在 Pb2+存在条件下，随着细胞对 Pb2+的吸附，B.cereus12-2和 B.thuringiensis016 细胞释放的 K+逐渐增加，当Pb2+浓度降为 0 mg/L 时，细胞释放的 K+浓度趋于平衡，Mg2+浓度少量增加，而 Na+浓度有所下降，表明两种芽孢杆菌吸附 Pb2+的过程中，K+、Mg2+和Na+可能参与对 Pb2+的离子交换或转运。Qiao 等54以一株耐铅细菌枯草芽孢杆菌 X3 为菌种，制备了一种用于固定化和去除 Pb 的生物吸附材料，使用EDS 图像分析细胞表面的化学成分，与对照组相比，P、Ca 和 Pb 的百分比增加，而 Na 的百分比从 3.16%下降到 1.66%，结果表明 Pb、Ca 和 Na 之间存在离子交换，不仅形成了铅-羟基磷灰石，还形成了 Ca3(PO4)2，细胞壁表面的 Na+和 Ca2+在溶液中与 Pb2+交换，证实了离子交换过程发生在矿化之前。2.3 络合反应络合反应是微生物胞外分泌物和微生物细胞壁上的官能团与金属间形成络合物的过程，是生物质表面金属-配体相互作用吸附重金属的重要现象。Pb2+通过与细胞表面的羟基、羰基、羧基、胺和磷酸基团等官能团之间的络合反应，通过配位键形成稳定的络合物55。在土壤微生物分泌的大量含羧基的化合物，例如酒石酸、草酸、柠檬酸、苹果酸等，其在中性 pH 溶液中带负电荷，通过静电相互作用吸引带正电荷的金属阳离子形成有机金属络合物51。通过 X 射线衍射谱分析发现，苏云金芽孢杆菌在吸附 Pb2+的过程中，与细胞官能团通过络合反应形成不溶物 Pb5(PO4)3、Pb10(PO4)6(OH)2和 Pb5(PO4)2Cl54。Xing 等56在研究两株菌株 H13 和 H16 对重金属的吸附实验中发现，两个菌株都能产生胞外多糖，并在金属胁迫下显著增加，将有毒的可移动重金属离子转化为不可移动的络合物，可以降低其对细菌的毒性，实现重金属的固定化，两株菌株产生的无机不稳定硫化物与二价阳离子重金属具有极好的结合效率，可与 Pb2+络合形成 PbS 沉淀。2.4 氧化还原反应变价金属离子被具有还原能力的微生物吸附后，可能发生氧化还原反应57。微生物通过氧化还原反应改变或转化土壤中重金属的价态，使其毒性降低，或将金属离子还原或转化成磷酸盐、硫化物等形式58-59。据报道，微生物分泌代谢的 EPS 可以将重金属从高价还原为低价，Pb2+到 Pb0，U6+到U4+60，Cr6+到 Cr3+61，并因其丰富的官能团而吸附在 EPS 上，重金属被还原为低价后其毒性相对降低。硫酸盐还原菌（sulfate reducing bacteria,SRB）可通过与游离金属离子发生氧化反应生成不溶性金属硫化物沉淀如 PbS62。Govarthanan 等63研究发 现，从尾矿分离的芽孢杆菌 KK1，可通过氧化还原将可溶性 Pb 转化为硫化物和碳酸盐或者硅酸盐形式，该过程使 Pb 可交换态降低 34.0%，可以对高含量土壤中的 Pb 起到矿化作用。2.5 沉淀作用在微生物修复重金属过程中，微生物可以将有毒的金属离子转化为不溶性的沉淀物，如磷酸盐、碳酸盐和硫酸盐。研究发现，真菌类微生物细胞壁可以充当结合金属离子的配位体，并且通过主动吸收、胞外和胞内沉淀将重金属吸附到菌丝体和孢子中从而将重金属固定在细胞内14。海洋细菌哈氏弧菌（Vibrio harveyi）是一种有效的 Pb 沉淀转运抑制剂，并且能够和 Pb 结合生成 Pb9(PO4)6化合物而沉淀 Pb64。Park 等65发现土壤微生物分泌物会促进金属 Pb 与硫化物、氢氧化物和碳酸盐形成复合物而有效固定 Pb，从而降低了 Pb2+的生物有效性。耐金属 Pb 的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）对 Pb2+具有较强的吸附作用，使 Pb 在菌株中形生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.8118成生物沉淀固定 Pb66。金属雷氏菌（Ralstonia metallidurans）CH34 对 Pb2+具有吸收、外排和积累的功能，当介质 pH 值为 9.0 时，金属雷尔氏菌CH34 与氢氧化物或碳酸盐反应生成复合物沉淀固定Pb67。土壤解磷菌可将土壤中难溶的磷酸盐转化成可溶的磷酸根离子，而磷酸根离子又可与土壤中的可交换态 Pb2+反应形成稳定的 Pb3(PO4)2沉淀，有效降低土壤中可交换态 Pb 的质量分数，降低了其生物可利用性68。3 植物修复 Pb 污染过程中微生物缓解 Pb 对植物毒害的作用3.1 产生促生因子提高修复植物生物量植物根系与微生物两者之间相互协作，可以提高植物生物量和重金属耐受性，以达到吸收、固定和降低重金属在土壤中的浓度，减少其毒害作 用69-70。微生物从植物根系分泌的初级代谢产物和次级代谢产物中获取所需的营养物质，微生物在感知植物根系释放的信号后会释放相关物质并将其转化成植物所需的营养物质从而对植物的生长和抗性产生影响71-72。Akiyama 等73研究发现，银杏（Ginkgo biloba）根 系 分泌 的 倍 半 萜 内 酯 类 化 合物，可以促进丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungus,AMF）孢子萌发以及菌丝分枝的形成，同时使菌根定殖和促进植物根系对营养物质的吸收，提高植物的生长速率。微生物分泌植物生长激素（吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素等）促进植物生长，提高植物的生物量和抗性，增强植物对重金属的富集作用。同时，微生物分泌的铁载体可与土壤中的 Fe3+等金属离子螯合，促进植物对营养元素的吸收。乙烯可以加速植物的衰老与死亡，微生物分泌的 ACC 脱氨酶能够分解乙烯合成前体 ACC 为-丁酮酸和氨，从而有效缓解植物体内乙烯的积累，减轻逆境下乙烯对植物的伤害，促进植物的生长和产量的提高，并在促进植物抗盐碱、干旱及重金属胁迫等方面都有显著作用74-76。Liu 等77发现接种叶状杆菌（Phyllobac-terium myrsinacearum strai）RC6b 能 够 显 著 提 高 紫花 苜 蓿（Medicago sativa L.）和 东 南 景 天（Sedum alfredii）的生物量，接种 RC6b 后紫花苜蓿生物量中 Pb 含量增加了 13.8%-24.7%，东南景天生物量中Pb 含量增加了 18.6%-31.2%，表明接种 RC6b 显著提高 Pb 的吸收和积累。在相同重金属胁迫条件下，接种耐 Pb 根际细菌菌株不仅能够显著促进向日葵（Helianthus annuus L.）叶片光合作用，还能提高 Pb胁迫植株的生物量和对重金属的抗性，减弱 Pb 对植株的毒害作用78。Shabaan 等79在土壤 Pb 浓度分别为250、500和750 mg/kg时，豌豆（Pisum sativum L.）根际接种荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescence）后，与未接种菌株的对照处理相比，豌豆地上部鲜重增加了 51%、45%和 35%，根鲜重增加了 56%、100%和 139%，籽粒鲜重增加了 96%、104%和 142%，籽粒干重增加了 91%、59 和 73，每盆粒数也分别增加 163、200 和 329。同时，在相同条件下，土壤中可提取态 Pb 含量比未接种对照组降低 57%、56%和 50%，接种处理后豌豆籽粒中 Pb 的含量分别比未接种对照组降低57%、55%和 49%。结果表明，豌豆在不同浓度的土壤 Pb 中表现出了更好的生长和产量。同时，菌株还能够有效地减少土壤中可提取态的 Pb 含量，并降低植物体内和籽粒的 Pb 含量。3.2 改变土壤中Pb的化学形态降低植物毒害微生物特殊的细胞结构及其胞外聚合物等，可以将重金属吸附在细胞表面或积累在细胞中，降低重金属对植物的毒害作用。一些解磷微生物还能释放出磷酸酶，将土壤中的难溶性磷酸盐溶解，溶解后的磷酸盐与土壤中的 Pb 发生反应，形成磷酸铅化合物沉淀，从而有效降低土壤中 Pb 的有效性80。Szuba 等81在银灰杨（Populus canescens）上接种适当的耐 Pb 真菌将 Pb2+固定在真菌细胞中，并对寄主植物的生长和 Pb 的稳定性以及缓解 Pb2+植物毒性都具有显著的影响。李益斌82在研究解磷菌对 Pb 的钝化效果中，解磷菌存在条件下可以生成 Pb(PO3)4Cl 沉淀，且该沉淀结构稳定，不再溶解，固定重金属的同时不仅活化了土壤中的磷酸盐，促进植物对磷素的吸收。植物根系和微生物分泌的有机酸可以酸化根际土壤环境，与重金属形成络合物，改变土壤中重金属的存在形态，增加其有效性，从而促进植物对重金属的吸收83。施积炎等84研究了海州香薷（Elsholtzia splendens）和鸭跖草（Commelina 2023,39(8)119江润海等：微生物强化植物修复铅污染土壤的机制研究进展communis）根分泌物，以及假单胞菌（P.aeruginosa ZD4-3）对污染土壤重金属活性的影响发现，海州香薷和鸭跖草根分泌物对污染土壤中重金属有一定的活化能力，假单胞菌对污染土壤中的 Pb 有很强的活化作用，促进了植物对重金属的吸收量。姚洁等85将寡养单胞菌属（Stenotrophomonas pavanii）分别与袖珍椰子（Chamaedorea elegans Mart）和凤尾蕨（Pteris cretica L.var.nervosa）构建联合修复体系发现，接种耐 Pb 微生物后与对照组相比，袖珍椰子地上部分在Pb2+浓度为 2 000 mg/L 时 Pb 含量增加了 112.61%，凤尾蕨地下部分在 Pb2+浓度为 200 mg/L 时体内 Pb含量增加了 113.01%，植物-耐 Pb 微生物联合修复Pb 污染土壤效果显著。3.3 诱导植物抗性系统（ISR）及调控基因表达降低毒害植物根际促生菌能够通过诱导植物抗性，上调胁迫响应相关基因表达，调节植物体内过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、多酚氧化酶（PPO）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH）和抗坏血酸过氧化物酶（PPO）的活性，使重金属诱导的氧化压力下脂质过氧化丙二醛（MDA）的产生减少，降低重金属胁迫下对植物的毒害作用86-87。接种耐 Pb 微生物后，袖珍椰子的过氧化氢酶（CAT）活性在 Pb2+浓度为 200 mg/L 时达到最大值，为对照组的 1.33 倍；凤尾蕨过氧化物酶（POD）活性在Pb2+浓度为 400 mg/L 时是对照组的 2.64 倍；袖珍椰子在 Pb2+浓度为 400 mg/L 时超氧化物歧化酶（SOD）活性是对照组的 1.53 倍，植物-耐 Pb 微生物联合修复增强了植物的光合作用及对 Pb2+的富集作用，提高了植物抗氧化酶系统的活性，增强了植物对 Pb的耐受力。同时已有研究表明接种植物促生菌能够调控植物部分基因的表达。研究表明 AMF 在植物根际定植可以缓解重金属诱导的压力，并且对部分植物基因的表达有重大影响，这些基因编码的蛋白质可能参与重金属耐受和解毒，目前关于 AMF 耐重金属机制分子基础方面的信息十分有限88-90。Ouziad 等91研究了重金属胁迫下 AMF 侵染番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）的差异基因表达，无论是在重金属含量特别高的自然土壤上还是添加 Cd 污染土壤上生长时，接种 AMF 的植株比未接种 AMF 的对照，能够更好地适应环境并生长良好。该实验被用来分析推测与重金属耐受性有关的基因的转录本形成，通过 Northern 杂交分析表明，番茄基因 Lemt2（编码不同的金属硫蛋白）和 LeNramp1（编码广泛的重金属转运蛋白），在没有 AMF 侵染植物的所有根组织中都有强烈的表达，而这些基因在 AMF 侵染的植株根中的薄壁细胞中只有少数被表达，侵染部位明显降低了该基因的转录水平。AMF 在根部定植可能将植物细胞中的重金属浓度降低到不足以诱导这些基因的表达水平。在含有被认为与缓解重金属胁迫有关的基因中，一些基因在接触重金属时强烈表达，并且通过与真菌共生而下调。例如在铜诱导下，共生菌丝体中金属硫蛋白基因（BeG34）的表达上调，在短时间和长时间的锌胁迫下，海藻菌丝体中可能存在阳离子扩散促进因子家族（CDF）的锌转运蛋白基因（GintZnT1）的转录水平增加，这表明该酶可能在保护锌胁迫中发挥作用92。3.4 根际微生物-植物根系共生系统在修复Pb污染土壤中的作用微生物-植物根系共生系统是一种修复重金属的有效手段。一些根际微生物如植物根际促生菌、固氮菌、根瘤菌等具有改善植物营养，促进植物生长、提高植株生物量和降低重金属对植物的毒害的作用93。在重金属污染的土壤中，微生物可以通过不同的方式促进植物的生长和土壤修复。豆科植物根瘤中的固氮菌可以增加 Pb 元素在植物体内的稳定性，从而减少其向地上部分转移，同时也有助于提高植物发育94。AMF 与植物形成共生关系后，能够帮助寄主吸收更多养分，并限制有害金属向地上部分转移95-96。此外，在保护适当的土壤质地、防止淋溶以及将重金属转化为无毒性等方面也起到了积极作用97。豆类植物进行土壤修复时还可与根瘤菌形成共生关系来促进氮素经济和提高土壤肥力以及作物产量98。中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）显著提高了紫花苜蓿的结瘤效率，并增加了其对重金属的生物积累能力，从而促进了土地恢复和潜在农业产出99。Zhang 等100在不同浓度 Pb生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.8120污染土壤中种植玉米（Zea mays L.）接种 AMF 后，通过透射电子显微镜观察菌根后发现 Pb 主要积累在AMF 的菌丝壁、菌丝内室、菌丝内室膜和液泡内室膜中。丛枝菌根固定 Pb 的能力可以减少 Pb 从土壤向根系的迁移，从而减轻 Pb 对玉米的毒性。由上述可以看出，微生物-植物联合修复技术对土壤重金属污染的修复发挥着重要作用，其主要机制作用如图 1 所示。4 展望重金属 Pb 污染土壤是一种严重的环境问题，对人类健康和生态系统造成严重危害。传统的修复方法包括物理、化学和生物等多种手段，但这些方法存在着高昂的成本、副作用大以及效果不稳定等缺点。因此，微生物联合植物修复 Pb 污染土壤已成为备受关注的研究领域。而未来微生物联合植物修复重金属污染土壤应当着重从以下 4 个方面开HM+SoilMetalloreductasePhosphataseIronophorePhytoextractionMetal solubilizationMetal chelationPhytostabilizationPhytovolatilization(conversion of metals/metalloids to less toxic and volatile forms)PhytofiltrationOrganic acidToxicity reductionMetal immobilizationBiological extractionAttenuation of toxicityBinding of heavy metals to phosphateCell absorptionReducing plant absorptionActivation of heavy metalsComplex heavy metalsProvide nutrientsSecretion of plant growth hormoneAiric图 1 微生物-植物联合修复土壤重金属污染的机制Fig.1 Mechanism of microbial-plant combined remediation of soil heavy metal pollution展：一是，深入研究微生物-植物互作机制。目前对于微生物-植物互作机制仍然存在很多未知之处，在深入探索这方面内容时需要综合运用分子遗传学、基因组学和代谢组学等现代技术手段。二是，优化菌株筛选。当前已经发现了许多具有降解或吸收能力的菌株，但这些菌株适应性差、活性低下等问题也比较突出。今后需要加强对于优质菌株筛选工作，并针对不同类型污染场地进行相应调整。三是，探索新型修复材料。除了常规使用天然植物外，还可以尝试引入一些非天然材料如纳米材料进行修复工作。同时结合其他治理技术如电动力法和超声波处理法也值得进一步探讨。四是，加强实践应用。虽然该技术已经在一定程度上取得成功,但要真正推广起来仍需更多实践验证,并建立完善评估体系。总之，微生物联合植被治理重金属污染具有可持续性、高效率、低成本、易操作、安全环保等诸多优势，在未来必将得到更广泛的推广与 应用。2023,39(8)121江润海等：微生物强化植物修复铅污染土壤的机制研究进展参 考 文 献1Mahar A,Wang P,Ali A,et al.Challenges and opportunities in the phytoremediation of heavy metals contaminated soils:a reviewJ.Ecotoxicol Environ Saf,2016,126:111-121.2Khalid S,Shahid M,Niazi NK,et al.A comparison of technologies for remediation of heavy metal contaminated soilsJ.J Geochem Explor,2017,182:247-268.3环境保护部.全国土壤污染状况调查公报EB/OL.https:/ of Environmental Protection.Report on the national general survey of soil contaminationEB/OL.https:/ Pb 污染土壤修复应用J.环境科学与技术,2020,43（12）:177-184.Su QQ,Xu QJ,Ding HJ,et al.Microbial phosphate-solubilization and its application in lead-contaminated soils remediationJ.Environ Sci&Technol,2020,43（12）:177-184.5Majumder AK,Al Nayeem A,Islam M,et al.Critical review of lead pollution in BangladeshJ.J Health Pollut,2021,11（31）:210902.6Velsquez L,Dussan J.Biosorption and bioaccumula