（微生物学专业论文）丛枝菌根真菌对重金属、稀土元素污染土壤生物修复研究.pdf

中文摘要 随着工矿企业的发展，土壤金属污染问题越来越来严重。由于重金属在环境中 只存在价态的转化，而不能被微生物降解，因而土壤重金属污染已成为全球关注的 环境问题之一，对重金属污染土壤的治理也成为当前研究的热点与难点问题。 丛枝菌根( a m ) 是丛枝菌根真菌与植物形成的共生体，地球上9 0 的有花植 物都具有丛枝菌根。丛枝菌根具有促进植物吸收营养、增强植物抗逆性等重要作用。 本论文以a m 真菌为研究对象，以紫云英和玉米为宿主植物，研究了gi n t r a r a d i c e s 侵染紫云英根部皮层细胞的动态过程及在不同侵染时期菌丝酶活性变化：研究了磷 矿粉修饰的铜污染土壤中接种a m 真菌和解磷细菌对紫云英生长的影响；研究了几 种a m 真菌在重金属铜或稀土元素镧污染土壤中对紫云英生长、元素吸收及其机理 的影响；以玉米为宿主植物研究了镉锌污染土壤中接种a m 真菌对玉米生长及吸收 镉锌的影响。探讨了a m 真菌应用于重金属污染土壤生物修复的可能性。论文主要取 得了以下研究结果： a m 真菌菌丝碱性磷酸酶、琥珀酸脱氢酶活性与宿主植物生长直接相关，是影 响宿主植物生长的关键酶类。菌丝酶活性越高，菌根对宿主植物的促生长效应越明 显。本研究表明a m 真菌侵染率，菌丝碱性磷酸酶、琥珀酸脱氢酶活性与a m 真菌 侵染时间有明显的相关性，gi n t r a r a d i c e s 侵染紫云英6 周菌丝酶活性最高，侵染9 周菌丝酶活性下降，侵染率随侵染时间持续上升。 解磷细菌p j 0 7 具有很强的分解无机磷矿粉的能力，铜污染土壤接种a m 真菌或 解磷细菌p j 0 7 都显著促进了磷矿粉修饰土壤中紫云英对磷的吸收，混合接种比单独 接种效果更明显，对紫云英生长的促进作用也最显著。 接种a m 真菌对铜污染土壤p h 值和土壤中铜的形态有一定影响，接种降低了 盆栽土壤p h 值，提高了土壤中有效态铜的含量。接种g i n t r a r a d i c e s 显著促进了紫 云英对铜的吸收，但抑制了铜从地下部分向地上部分的转运，增加了铜在地下部分 的积累；接种g i n t r a r a d i c e s 还显著促进了紫云英对p 、k 的吸收，提高了紫云英的 生物量和对铜的提取量。 接种a m 真菌显著改善了稀土元素镧污染土壤中紫云英对p ，k ，f e ，c u 等营 养元素的吸收，接种g g m a r g a r f f 口和接种g i n t r a r a d i c e s 显著降低了高浓度镧污染 土壤中紫云英地上地下部分镧浓度，降低了镧对植物的毒害，但接种显著提高了紫 云英生物量和对镧的l 及收量。 镉污染土壤中接种g m o s s e g e 降低了玉米地上部分镉浓度；高浓度锌污染土壤 接种gm o s s e a e 降低了玉米地上部分锌浓度，对玉米地下部分锌浓度没有显著影响， 但接种显著增加了玉米地下部分生物量，使更多的锌积累在地下部分，降低了锌对 植物的毒害作用，加强了锌在土壤中的固定作用，对锌污染土壤植物固定具有重要 意义。 综上所述，在重金属铜镉锌或稀土元素镧污染土壤中接种合适的菌根真菌可以 降低污染元素对植物体的毒害，增加污染元素提取量或污染元素在植物体地下部分 的积累量，对重金属污染土壤生物修复起着重要的作用。 氢酶 关键词：a m 真菌；重金属污染；稀土元素；侵染率；碱性磷酸酶：琥珀酸脱 儿 a b s t r a c t h e a v ym e t a lp o l l u t i o ni ns o i lh a sb e c o m em o r ea n dm o l es e v e r e f o rh e a v ym e t a l s c a nn o tb ed e c o m p o s e di nt h ee n v i r o n m e n t , h e a v ym e t a lp o l l u t i o nh a sb e e nag l o b a l p r o b l e mt h r e a t i n gt ot h ee n v i r o n m e n t a r b u s c u l a rm y c o r r h i z a s a 托t h es y m b i o s i sb e t w e e nm a j o r i t yo fl a n dp l a n t sa n d a r b u s c n l a rm y c o r r h i z af u n g i a mn o to n l yc a ni m p r o v ep l a n tn u t r i t i o n , b u ta l s oc a n p r o m o t ep l a n tr e s i s t a n c et os 缸 e s s t h ea i mo ft h i ss t u d yw e r e ：( 1 ) t oi n v e s t i g a t e m y c o r r h i z a li n f e c t i o np r o c e s so fa mf i l i l 百g i n t r a r a d i c e so i la s t r a g a l u ss i n i c u sl a n d a c t i v i t i e so ff u n g a is u c c i n a t ed e h y d r o g e n a s o ( s d da n da l k a l i n ep h o s p h a t a s e p ) a t d i f f e r e n tt i m e ；( 2 ) t es t u d yt h ee f f e c to fm y c o r r h i z a li n f e c t i o no nt h eu p t a k eo fh e a v y m e t a l sa n dp l a n tg r o w t hi nh e a v ym e t a l sp o l l u t e ds o i l ；( 3 ) t os t u d yt h ee f f e c to f i n o c u l a t i o nw i t ha mf u n g ia n dp h o s p h a t e , - s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ao i lp l a n tg r o w t ha n d p h o s p h o r u su p t a k eo f a s i n i c u s t h em a i nr e s u l t so f t h i ss t u d ya t ea sf o l l o w s ： t h ea c t i v i t i e so fs d ha n da l pw e r ep o s i t i v e l yr e l a t e dw i t l lp l a n td r ym a t t e r t h e h i g b e rt h ea c t i v i t i e s t h eh i g h e rt h ed r ym a t t e r 1 r i l ea c t i v i t i e so fs d ha n da l pw e r e h i g h e s ta t6w e e k sa n dd e c r e a s e da t9w e e k s w h i l et h ei n f e c t i o nr a t e so fa m 劬舀w e r e s t i l ll l i g h e ra t9w e e k s p h o s p h a t e s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ah a dc v i d e me f f e c to np h o s p h a t er o c kd i s s o l v i n g i n o c u l t i o nw i t ha mf u n g io rp h o s p h a t e s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ai np h o s p h a t er o c ka m e n d e d s o i ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dp h o s p h a t eu p t a k eb ya s i n i c u s c o i n o c u l a t i o nw i t ha mf u n g i a n dp h o s p h a t e s o l u b i l i z i n gb a c t e r i ah a dm o i ls i g n i f i c a n te f f e c tt h a ns i n g l ei n o c u l a t i o n c ut r e a t m e n td e c r e a s e dm y c o r r h i z a li n f e c t i o na n dp l a n tb i o m a s so f a s i n i c u s m y c o r r h i z a li n f e c t i o nd e c r e a s e dp hv a l u ei np o ts o i la n de n h a n c e dt h ec o n t e n to f t h e e x c h a n g e a b l ec ui ns o i l m y c o r r h i z a lt r e a t m e n ti n c r e a s e dt h eu p t a k eo fc ub ya s i n i c u s i n o c u l a t i o nw i t hgi n t r a r a d i c e sl o w e r e dc ut r a n s f e r r i n gf r o mr o o tt os h o o ta n di m p r o v e d n u 研c i l te l e m e n t su p t a k e s op l a n t si n o c u l a t e d 、i t l lgi n t r a r a d i c e sh a dh i g h e rb i o n m s s i n o c u l a t i o nw i t hgm o s s e a ea c c e l e r a t e dc ut r a n s f e r r i n gf r o mr o o tt os h o o ta n dp l a n t s i n o e u l a t e d 、v i t l lgm o s s e a eh a dl o w e rb i o m a s s t h ei n f e c t i o nr a t e so fa mf u n g iw e r e d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc ua d d e di ns o i l ，a n dt h ee n z y m ea c t i v i t i e so fs d ha n d a l pw e r cd e c r e a s e da l s o c ui ns o i li n h i b i t e dpa n dku p t a k eb ya s i n i c u s , w h i l e m y c o r r h i z a lt r e a t m e n t si m p r o v e dpa n dku p t a k e i n c r e a s i n gl ac o n c e n t r a t i o n si n s o i ll e dt oi n c r e a s e dl aa c c u m u l a t i o ni nt i s s u e so f b o t hm y c o r r h i z a la n dn o n m y c o f f h i z a ! p l a n t s ，b u ti n o c u l a t i o nw i t hg 蟪m a r g a r i t ao rg i n t r a r a d i c e sr e d u c e dl ac o n c e n t r a t i o n si ns h o o t sa n dr o o t sa th i g h e l c o n c e n t r a t i o n so fl a i i nt h es o i l l al 弛a t m e n t si n h i b i t e dm y c o r r h i z a li n f e c t i o na n da c t i v i t i e so fs d ha n da l p n u t r i e n te l e m e n t su p t a k ew e r er e d u c e db yl aa p p l i c a t i o n , b u ti n c r e a s e db yi n o c u l a t i o n 、 ，i t i lg f g m a r g a r i t ao rgi n t r a r a d i c e s i n o c u l a t i o n 、析t l lg m o s s e a ei nc da n dz np o l l u t e ds o i ld e c r e a s e dc da n dz n c o n c e n t r a t i o n si ns h o o t so f m a i z ea n de n h a n c e dz na c c u m u l a t c di nr o o t s i nc o n c l u s i o n , a p p r o p r i a t ea mf u n g it r e a t m e n ti nh e a v ym e t a lo rl ap o l l u t e ds o i l c o u l db ee f f e c t i v ei na l l e v i a t i n gh e a v ym e t a lo rl at o x i c i t yt ot h eh o s t a mf u n g i i n f e c t i o nc o u l de n h a n c e dh e a v ym e t a la c c u m u l a t ei nr o o t sw l f i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o r p h y t o r e m e d i a t i o ni nh e a v ym e t a lp o l l u t e ds o i l k e yw o r d s ：a r b u s c u l a rm y e o r r h i z a sf u n g i ；h e a v ym e t a l p o l l u t e d ；r a r ee a r t he l e m e n t ； i n f e c t i o nr a t e ；s u c c i n a t ed e h y d r o g e n a s e ；a l k a l i n e p h o s p h a t a s e 缩略词 a l p a m n b t r e e s s d h t b 英文名 a l k a l i n ep h o s p h a t a s e a r b u s c u l a rm y c o r r h i z a n i t r o b l u et e t r a z o l i u m m r ee a r t he l e m e n t s s u c c i n a t ed e h y d r o g e n a s e t r ) r p a nb l u e 论文缩略词表 v 中文名 碱性磷酸酶 丛枝菌根 氯化硝基四氮唑蓝 稀土元素 琥珀酸脱氢酶 曲利苯蓝 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密 如需保密，解密时间年月日 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 中农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了 审定 研究生签名：p 着秀竿 时间：7 年月r 日 学位论文使用授权书 制手段保存、汇编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体 学位论文作者签名：m ，衣擘导师签名：二逸 签名日期：即7 年月百签名日期：沙声月“咱 第一章文献综述 1 1 土壤重金属污染及危害 1 1 1 土壤重金属污染概况 重金属是指比重大于5 0g c m 3 的金属元素，在自然界中大约存在4 5 种。但是， 由于不同的重金属在土壤中的毒性差别很大，所以在环境科学中人们通常关注镉、 铜、锌、铅、汞、镍、钼、钴等。重金属元素都具有较强的毒性，即使在很低的浓 度下仍会对自然生态系统造成危害。 土壤中重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中，致使土壤中重金 属含量明显高于背景含量，并可能造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与环境 恶化的现象( 陈怀满等，2 0 0 5 ) 。土壤中的重金属主要来源于矿产开采、大气中重 金属沉降、工业废水废渣、污泥施肥、农药和化肥施用等( 表1 1 ) 。 表1 1 土壤重会属的主要来源 ! ! 垒! ! ! ：! 墨! 竺坚竺! ! ! 望! ! 巴! 垒! ! 堕! ! i ! ： 来源污染物 矿产开采、冶炼、加工排放的废气，废水、废渣 煤和石油燃烧过程中排放的飘尘 电镀工业废水 塑料、电池、电子工业捧放的废水 汞一：业排放的废水 染料、化工、制革工业捧放的废水 汽车尾气 农药 铬、汞、砷、铅、镍、钼等 铬、汞、砷、铅 铬、镉、镍、铅、铜等 汞、镉、铅 汞 铬、镉 铅 砷、铜 ( 陈怀满等，1 9 9 9 ) 据估计，在过去的5 0 年中，全球排放到环境中的镉达到2 2 0 x 1 0 4 t ，铜为9 3 9 x 1 0 5 t ，铅为7 8 3 x 1 0 5 t ，锌为1 3 5 x 1 0 6 t ( s i n g h e t a l ，2 0 0 3 ) 。与有机污染物不同，重金 属只存在形态和价态上的转化，不能被微生物分解，相反，可在土壤和生物体中富 集，甚至转化为毒性更大的化合物。 土壤重金属污染可以影响农作物的产量和质量，并通过食物链影响人体健康。 为判断土壤是否受重金属污染及其污染程度，首先应调查出土壤系统中重金属的背 景值或本底值，也就是土壤未受污染时自然存在的重金属含量，它是评价土壤重金 属污染的基本依据( 表1 2 ) 。 表1 2 中国土壤重金属环境质量标准值( m gk 9 1 ) 。 ! 苎坠! ! ! ：三! 坠垒! ! 丝翌! 翌璺：型! 塑堕! ! 塑! ! ! 竺些! 苎! ! 曼坠i 望! ： 项目一级二级 三级 ( 国家环保局土壤环境质量标准g b l5 6 1 8 - 1 9 9 5 ) 注：( 1 ) 重金属( 铬主要是三价) 和砷均按元素量计，适用于阳离子交换量 5 c m o l ( + ) k g 。的土壤，若 叶 茎。矿区铁芒萁幼叶的醚溶物( 脂肪色素、蜡等) 和碱溶物中稀土含量明显高于矿区和非矿区的成熟叶片，表明稀土元素很可能参与 了植物的生理活动。 h ue ta 1 ( 2 0 0 2 ) 研究了l a 和c e 暴露对小麦生长及l a 、c e 积累的影响，结果表 明，营养液中分别加入或同时加入l a ( 0 5 2 5m g l 。) 和c e ( o 5 2 5m gl 。1 ) 抑制y d , 麦 根的伸长，降低了地上、地下部分干物质重及c a ，m g ，k ，c u ，p 等矿物质的含量。 营养液中l a 和c e 浓度的升高及暴露时问的延长使毒害加强，l a 和c e 在植物体内的积 累增加。 z e n gc ta 1 ( 2 0 0 6 ) 研究了l a 对水稻生长及生理生化指标的影响，结果表明，随 着l a 浓度的升高( o ，3 0 ，1 5 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0m gk g 。1 ) ，水稻地上部分l a 含量增 加，当叶中l a 含量超过一定量时，水稻生长受抑制，叶绿素a p o 下降，过氧化酶、细 胞膜透性、脯氨酸含量下降，这些指标为l a 对植物的生理毒性的诊断提供了有力的 指标。在红壤中b 对水稻的安全浓度是4 2 0 3m gk 9 1 ，水稻土为8 3 3 3m gk g 。1 ( z e n g e t a l 2 0 0 6 ) 。 稀土对土壤微生物的影响。稀土对植物的各种促进和抑制效应实际上是稀土对 植物各种直接和问接作用的结果，包括对土壤微生物作用的综合结果。一般情况下， 进人土壤的重金属元素在低浓度时对土壤微生物产生刺激作用，在高浓度时产生抑 制、毒害作用。 褚海燕等( 2 0 0 1 ) 研究了镧对红壤微生物碳、氮及呼吸强度的影响，结果表明， l a x v j 红壤微生物碳氮及呼吸强度均表现为抑制作用，并随浓度增加，抑制作用增强， 在1 0 0m gk g 1 时达到显著水平。水稻盆栽试验表明，在低浓度时，l a 对土壤微生物 碳氮和呼吸强度有少量刺激作用，但随着浓度的增加，则产生抑制作用并不断增强， 在3 0 0m gk g 。时达到显著水平。 土壤中低浓度镧对细菌和放线菌有刺激作用，高浓度镧对细菌、放线菌和真菌 都有抑制作用( c h ue ta 1 ，2 0 0 1 ) 。土壤中镧对硝化作用和氨化作用有显著影响( z h u e t a l 2 0 0 2 ) 。 因此，土壤中稀土元素的研究无论在地学、环境科学和生命科学中都有重要的 意义，但许多问题，特别是对环境的长远影响目前尚无定论。陈祖义等( 2 0 0 0 ) 在 实验的基础上结合有关研究对稀土农业应用提出以下建议：稀土元素不宜作为化 肥的“添加剂”随化肥施用，长期施用不仅使稀土元素用量成倍增加，而且会打乱稀 土元素原有的有效使用规律；稀土元素动物体内具有明显的蓄积性，且其排泄物 o 进入环境后可能产生次生污染，因此，作为饲( 饵) 料添加剂应从缓发展；对稀 土元素具有选择性吸收的植物( 如甘薯、苋菜、空心菜、红皮菜、慈菇、荸荠、水 芹菜等) ，以及食用时免洗或少洗的食用植物( 如茶叶、食用菌和草莓等) 应尽量 少用或不用，避免人们从多个渠道超常摄入稀土元素；继续重视土壤植物系统 中稀土元素行为与效应的研究。因此，近几年来，关于稀土元素的环境效应及其在 土壤和植物系统中的积累己成为该领域的研究热点，但目前关于稀土元素对土壤微 生物与植物共生关系影响及共生效应的研究较少。 1 1 4 土壤重金属、稀土元素污染的修复 土壤污染的防护与治理是土壤和环境科学领域中的一个重要方向。随着点源污 染逐渐得到控制，污染土壤的修复已经提到议事只程上来。人们开始研制开发土壤 污染治理和修复技术，特别是欧美发达国家纷纷制定了土壤治理与修复计划。荷兰 从2 0 世纪8 0 年代开始注重此项工作，并己花费1 5 亿美元进行土壤修复；德国1 9 9 5 年投资约6 0 亿美元用于净化土壤；9 0 年代美国在土壤修复方面投资了数百亿到上 千亿美元，制定了一系列土壤污染修复计划。1 9 9 4 年，由美国发起成立了“全球污 染修复网络”，标志着污染土壤的修复已经成为世界普遍关注的领域之一。 目前，重金属污染土壤的修复技术主要有物理化学方法和生物方法。前者主要 包括化学固化、土壤淋洗、电动修复、电热修复；后者主要包括植物固定、植物挥 发、植物提取及植物微生物联合修复。 1 1 4 1 物理化学技术 化学固化就是将重金属污染的土壤按一定比例与固化剂混合，经熟化后最终形 成渗透性很低的固体混合物。加入固化剂可改变土壤的理化性质，通过重金属的吸 附或共沉淀作用改变其在土壤中的存在形态，从而降低其生物有效性和迁移性。但 固化方法只是改变了重金属在土壤中的形态，不能使重金属真正地从土壤中脱离， 如果土壤环境发生变化，又可能引起其形态的变化，使其被植物吸收，发生危害。 土壤淋洗就是利用提取剂将土壤中的耕层或根层范围内重金属移到根层以外的 土层，但又不至于进入土壤下层，污染地下水。含有提取剂的土壤经清水洗涤后归 还原位再利用，富含重金属的废液则进行进步的处理。该项技术的关键是提取液 的选择，如利用可溶性的f e c l 3 淋沈受污染的田块或地段比其他盐分能更有效地将 铬、镉、锰、镍、铜等金属离子淋洗出根层。 电动修复是指通过在污染土壤两侧施加直流电压形成电场梯度，使重金属在电 场作用下通过电迁移、电渗流或电泳的方式被带到电极两端，从而使污染土壤得以 修复的方法。电极池中的污染物达到一定浓度时，便可通过收集系统排入废水池按 1 0 废水处理方法进行集中处理。该项技术虽然在经济上是可行的，但是由于土壤环境 的复杂性，常会出现与预期结果相反的情况，从而限制了其运用。 1 1 4 2 植物修复技术 植物修复( p h y t o r 吼n e d i a t i o n ) 技术主要是通过植物提取、植物挥发和植物钝化 等方式去除土壤中重金属离子或降低其生物活性减少，重金属对土壤的污染。 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 是目前研究最多并且最有发展前景的一种利用植物去 除环境中重金属的方法。它是利用能耐受并能超量积累金属的植物吸收环境中的金 属离子并将其积累在地上部分，通过收获地上部分减少重金属在土壤中的含量的一 种处理方法。筛选重金属超积累植物是这个方法的关键。1 9 7 7 年b r o o k se ta 1 首先提 出重金属超积累植物的概念。 理想的重金属超积累植物一般具有以下特征：( 1 ) 可以耐受高水平的重金属；( 2 ) 地上部超量积累某种或几种重金属时，不影响植物的正常生长，通常超出普通植物 的1 0 0 倍以上；( 3 ) 生长迅速；( 4 ) 生物量大；( 5 ) 根系发达。 根据野外采集样本的分析，全世界大约发现了4 0 0 种超积累植物，但大部分是 镍超富集植物，共3 2 0 多种，有些超富集植物是可长到1 0 m 高的树木，富集镍的能 力很强，在镍污染土壤生物修复中具有很大的潜力( 沈振国等，2 0 0 2 ) 。其他如锌、 铅、镉、砷等超富集植物在净化重金属污染土壤方面也在发挥着作用。 稀土元素超积累植物的判定，一般有两种方法，其一是根据其地上部稀土元素含 量，另一个则是根据地上部稀土元素的吸收系数，吸收系数是指植物某一部位的元素 含量与土壤中相应元素含量之比。普通植物体内的稀土元素含量约为2 0 - 3 0u g 一，主 要集中于根部，地上部含量一般低于根部一至两个数量级( s u nc ta 1 ，1 9 9 4 ) 。考虑到 普通植物地上部稀土元素含量的情况，一般认为地上部稀土元素含量达到或超过1 0 0 0 鹏g - j 的植物，或者地上部稀土元素吸收系数达到或超过l 的植物，即可称为稀土元素 超积累植物。根据地上部含量，被直接确定为稀土元素超积累植物的共有4 种，分别 是柔毛山核桃、山核桃、乌毛蕨和芒萁。根据地上部稀土元素的吸收系数被判定为稀 土元素超积累植物( 或潜在的超积累植物) 的有1 6 种( 魏正贵等，2 0 0 6 ) 。 植物挥发0 0 h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 是利用植物根系吸收污染元素并促进其转变为可 挥发的形态，从植物地上部分挥发到大气中，以减轻土壤污染。这主要是针对易于 形成生物毒性低的挥发性有机物的元素s e 和挥发性重金属h g 。由于这种技术只适 用于挥发性污染物，所以应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人类和生物 仍有一定的风险，因此其应用受到一定程度的限制。 植物钝化( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 是利用耐重金属植物及其他一些添加物质使环境中 的重金属流动性降低，生物可利用性下降，从而降低金属对生物的毒害。这种技术 适合土壤质地粘重，有机质含量高的污染土壤，理想的植物是能忍耐高含量污染物、 根系发达的多年生常绿植物。这些植物通过根系分解、沉淀、螯合、氧化还原等多 种过程可使污染物惰性化。实际上，此种方法与植物挥发技术类似，并没有彻底解 决环境中的重金属污染问题，如果环境条件发生变化，重金属的生物有效性可能又 会发生改变，因此，也不是一个彻底去除重金属污染的方法。 可见，植物修复也具有一定的局限性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 一种植物通常只耐受或吸收一种或两种重金属元素，对土壤中其他浓度较 高的重金属则往往没有明显的修复效果，甚至表现出某些中毒症状。 ( 2 ) 植物修复过程通常比物理、化学过程缓慢，比常规治理( 挖掘、异地处理) 需要更长的时间，尤其是与土壤结合紧密的疏水性污染物。 ( 3 ) 植物修复受到土壤类型、温度、湿度、营养等条件的限制，对土壤肥力、 气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然条件和人工条件有一定的要求。 ( 4 ) 对于植物提取技术而言，污染物必须是植物可利用态并且处于根系区域才 能被植物吸收。 ( 5 ) 用于净化重金属的植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属元素重 返土壤，因此必须在植物落叶前收割植物器官，并进行无害化处理。 ( 6 ) 用于修复的植物与当地植物可能会存在竞争，影响当地的生态平衡。 这些不利因素极大地限制了利用植物修复技术对重金属污染土壤的治理。目前 对于超累积型植物对重金属元素的耐性及其机理已有比较深入的研究，但对于如何 克服上述不利因素从而扩大其应用范围，尚无良策。能否用调控植物生长的手段来 促进超累积植物的生长而又不降低植物体内重金属浓度，或者用遗传育种的方法来 培育生长速度快，干物质积累量大和重金属浓度高的超累积植物，是尚待解决的课 题。同时，通过各种途径提高普通植物重金属耐性足另一种选择。通过这种途径， 应用普通植物，可以有效地恢复轻度或中度污染土壤的自然植被和生态，甚至维持 正常的农业生产。 通过提高普通植物对重金属的抗性达到修复重金属污染土壤的途径主要有两 种。一种是利用生物量较大的植物对重金属的吸收，促进重金属向植物体的转移， 从而提高植物的提取效率。另一种是降低重金属在根际的活性，加强植物根系对重 金属的固定，减少向地上部运输，从而减轻植物重金属毒害，并可能保障作物籽实 的品质。从广义上讲，这也是一种生物修复，或者说，这种理论和实践上的探索将 更新生物修复的内涵，拓宽生物修复的应用范围。 而且，对于复杂多样的污染情况，也需要多样性的修复体系的存在。植物在污 染环境中生存，一方面依赖于自身的重金属抗性，另一方面也依赖于一定的技术措 施来强化这种抗性：对于普通植物来说，这种强化是至关重要的，利用与植物共生 的微生物强化植物对重金属的耐性是一种有效的生物学途径。 2 在各类与植物共生的微生物中，菌根真菌是唯一能直接联系土壤与植物根系的 一类土壤微生物，在植物矿质营养与逆境生理中起着非常重要的作用。 1 2 丛枝菌根在植物矿质营养和逆境中的作用及其机理 1 2 1 丛枝菌根简介 菌根是菌根真菌与植物根系形成的共生体。根据菌根的解剖学特征及菌根在植 物根系中的着生部位，可将菌根分为内生菌根( e n d o m y c o r r h i z a ) 、外生菌根 ( e c t o m y c o r r h i z a ) 、内外生菌根( c c t o e n d o m y c o r r h i z a ) 。丛枝菌根属于内生菌根， 由于其在植物根的皮层部分形成泡囊( v e s i c l e ) 和丛枝( a r b u s c u l e s ) 状结构，也称 泡囊丛枝菌根( v a 菌根) 。但近年来的研究表明，形成丛枝结构是这类菌根所具 有的典型和普遍特征，而泡囊结构则只在少数菌根中形成，故也称丛枝菌根 ( a r b u s c u l e sm y c o r r h i z a , a m ) 。 能够侵染植物根系形成菌根的真菌叫菌根真菌( m y c o r r h i z a lf u n g u s ) ，相应地， 能够形成丛枝苗根的真菌叫做丛枝菌根真菌( a r b u s c u l a rm y c o r r h i z a lf u n g i ，a m f ) 。 有化石表明，菌根真菌起源于4 6 2 3 5 3 亿年前，几乎与陆生植物同时出现。能够形 成菌根的植物称菌根植物( m y c o r r h i z a lp l a n t ) 或宿主植物( m y c o r r h i z a lh o s t ) ，不 能形成菌根的植物叫非菌根植物( n o n - m y c o r r h i z a lp l a n t ) 。 图1 1 展示了丛枝菌根真菌外部菌丝在宿主植物根皮层表面形成侵染点，进入皮 层细胞后生长，形成泡囊、丛枝等结构的模式图，通常来源于同一个外部菌丝侵染 形成植物根部形成的菌根结构也称为一个侵染单元。 图1 1 丛枝菌根真菌侵染宿主植物根细胞模式图 f i g u r e1 1ac o l o n yr e f e r st oh y p h a lg r o w 幽w i t h i nar o o tr e s u l t i n gf r o mt h es a m ee x t e r n a lh y p h a 自1 8 8 5 年f r a n k 第一次发现菌根以来，众多的研究表明，除十字花科 ( c r u e i f e r a e ) 、藜科( c h e n o p o d i a c e a e ) 、石竹科( c a r y o p h y l l a e e a e ) 、莎草科 ( c y p e r a c e a e ) 等科外，地球上的有花植物中，9 0 具有丛枝菌根，大部分是草本植 物及一部分木本植物；3 同时具有外生菌根和内外生菌根，绝大部分都是乔灌木树 种；4 具有其它内生菌根，没有发现菌根的植物约占3 ( h a r l e y ，1 9 8 9 ) 。所以， 严格来讲，自然界中大多数植物并没有单纯的根系，而是以菌根的形式存在( 李晓 林和冯固，2 0 0 1 ) 。可见，菌根的形成对植物的生长起着非常重要的作用。 1 2 2 丛枝菌根在植物矿质营养中的作用 1 2 2 1 菌根真菌与磷素营养 关于丛枝菌根的早期研究主要集中在菌根促进植物对土壤养分尤其是对磷的吸 收( j a k o b s e ne ta 1 ，1 9 9 2 ；l ie ta 1 ，1 9 9 7 ；g a v i t oa n dm i l l e r , 1 9 9 8 ) 。磷是植物生长发 育所必需的营养元素之一，中国耕地土壤1 1 3 1 2 的土壤缺磷，土壤磷普遍缺乏已成 为限制作物增产的主要因素之一，在这种情况下接种菌根真菌改善植物磷营养是非 常关键的。 丛枝菌根促进磷素吸收有多种机制，概括起来主要有以下几种： ( 1 ) 扩大宿主植物根的吸收面积。 根系感染菌根真菌后，根外菌丝在土壤中生长，扩大了寄主植物的根区，缩短 了磷的扩散距离，从而提高了植物对磷的吸收和利用( t r i m b l ea n dk n o w l e s ，1 9 9 5 ； m e n d o z a a n dp a g a m ，1 9 9 7 ) 。v a 菌根表面有很多外延菌丝，可穿越根际范围的贫磷 区、深达贫磷区以外的土壤吸收养分，供植物吸收利用。h a t t i n g he ta 1 ( 1 9 7 3 ) 研 究发现，接种菌根真菌的洋葱能吸收离根表2 7 e m 远处的3 2 p ，而对照植株则不能。 v a 菌根外生菌丝不仅在数量上远远超过根毛，而且其与土壤接触的表面积也大大 增加，从而使寄主植物根系的吸收面积大幅度增加( g o n ge t a l ，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) 增加菌根植物吸p 速度 s a n d e r se t a l ( 1 9 7 3 ) 也发现，磷进入有菌根根系的速率为1 7x 1 0 0 4 t o o l e r a s 进入无菌根根系的速率为3 6x 1 0 。4 m o l c m s ，通过计算得出菌根菌丝的吸磷速率为 根毛的6 倍。当植物和a m 真菌共生时也能降低吸磷的j 晦界浓度，在一些低磷土壤上 只有菌根植物才能吸收3 2p ，无菌根植物则不能。 不少研究者还发现单位重量的菌根吸磷量比无菌根根系高得多。有人认为被菌 根菌侵染的豆科植物具有两套吸磷系统，当介质溶液中磷浓度低时，菌根植物具有 较高的吸磷速率是由于其k m 值低于相应的对照植物，即吸收部位对磷的亲和力比 4 非菌根植物高；而在较高浓度范围内，菌根植物的吸磷速率高则是由于最大吸收速 率v m a x 较大，即根外菌丝扩大了吸收面积，增加了更多的吸收位点( 李晓林和冯 固，2 0 0 1 ) 。 ( 3 ) 改善根际环境 茵根真菌和其它土壤微生物一样影响着根际环境，改变着土壤养分的形态及化 学有效性，进而改善植物的生长环境，增加植物对磷、氮等养分的吸收，促进植物 生长。e z a w ae ta 1 ( 1 9 9 5 ) 发现侵入植物体内的丛枝菌丝有酸性磷酸酶和碱性磷酸 酶，并认为对体内的多聚磷酸盐降解和运输有重要作用。a n t u n e s ae ta 1 ( 2 0 0 7 ) 研 究表明，接种菌根真菌可能通过改变根际土壤p h 或有机酸的含量增加宿主植物对 磷矿石中磷的吸收。 ( 4 ) 菌丝对磷的运输 菌根真菌和寄主之间磷的运输过程可分为3 步：从根外环境到真菌的主动运 输：从菌丝到丛枝的被动运输；从丛枝到寄主植物的主动运输。菌根菌丝吸收 无机磷后以多聚磷酸盐颗粒的形式在液泡中贮存或在菌丝中向植物根内运输( c o x , 1 9 8 0 ) 。多聚磷酸盐在无隔膜的菌丝中是顺浓度梯度被动运输，在丛枝中多聚磷酸 盐受多聚磷酸酶或激酶的激活而水解成无机磷，尔后转递给寄主植物。由于丛枝菌 根真菌的菌丝无横隔，磷可随原生质环流向根内运输，不仅运输阻力小，而且运输 速度快，大约为2 0 i n l nh 1 ，为根内磷运输速率的1 0 倍( s m i t he t a l ，1 9 9 4 ) 。 综上所述，丛枝菌根真菌对磷吸收的机制是多方面的，而且这些效应还与植物 种类、真菌类型或菌根共生体的特性有关，但菌根促进宿主植物对磷吸收的作用是 非常明显的。 1 2 2 2 菌根真菌与碳循环 a m 真菌通过不同的途径影响生物圈与大气之间碳的流动。一个主要方面是通 过菌根真菌参与了碳在土壤中的贮存光合作用产物由植物体向菌根真菌菌丝的 转移。a m 真菌从宿主植物获得碳源，同时增加宿主植物对营养的吸收( h o d g ee ta 1 ， 2 0 0 1 ) 。通过对1 4 c 标记的方法测定了光合作用产物进入菌丝的时问，结果表明， 在进行“c 标记7 0 小时后就可以检测到光合作用产物从宿主植物进入菌丝中，a m 真菌菌丝中贮存的碳可占植物光合作用产物的4 - 2 0 ( j o h n s o ne ta 1 ，2 0 0 2 ；c r t a h a n l ， 2 0 0 0 ) ，因而这也是一个主要的碳流向土壤的途径和关键的陆地碳循环链( f i t t e rc ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。s t a d d o ne ta 1 ( 2 0 0 3 ) 利用质谱微量分析仪对碳进行“c 标记，定量分析了 a m 真菌根外菌丝对碳的周转率，结果表明，菌丝能很快地进行碳的循环，平均5 6 天就能够完成碳的周转，也就是说从宿主植物进入a m 真菌菌丝中的碳能很快地通 过呼吸进入大气，完成碳的循环。更重要的是他们的研究显示了由大气碳进入土壤 碳循环的快速途径，因为a m 真菌细胞的细胞壁由碳水化合物一壳质组成的，壳质 在土壤中是很难被分解的，因此，根外菌丝在土壤中的残留也是成为土壤碳库的一 个重要组成部分。a m 真菌对碳循环的作用还不仅仅局限于根外菌丝本身的作用， 菌丝分泌物也是a m 真菌向土壤输入碳的一个重要途径。因为a m 真菌的菌丝会产 生一种糖蛋白类物质( w r i g h t 和u p a d h y a y a , 1 9 9 8 ) ，这类糖蛋白物质在土壤中非常 稳定( s t e i n b e r g 和r i l l i g , 2 0 0 3 ) ，放射性标记显示能够残留6 - 4 2 年( r i l l i ge t a l ，2 0 0 1 ) ， 在一个典型的森林土壤中这类多糖类物质占土壤总碳量的4 - 5 ，远远超过了微生物 生物量，成为影响土壤碳库的重要因素( m i l l e r e t a l ，1 9 9 5 ) 。 1 2 2 3 菌根真菌对植物氮素等营养的影响 据报道，a m 菌根真菌可通过合成谷氨酰胺的途径同化n h ”，这为根外菌丝直 接吸收铵提供了依据。j i ne ta 1 ( 2 0 0 5 ) 和g o v i n d a r a j u l u e t a l ( 2 0 0 5 ) 的研究证明， 根外菌丝吸收土壤中的无机氮素营养，在菌丝内9 0 的氮素被用于合成精氨酸，再 转运到根内菌丝，随后精氨酸被降解，a m 真菌主要以n h 4 + 的形式向植物转运氮素 营养。1 5