真菌强化植物修复重金属污染的研究进展

真菌强化植物修复重金属污染的研究进展ADVANCESISTHESTUDYOFFUNGALENHANCEMENTOFPHYTOREMEDIATIONOFHEAVYMETALPOLLUTION目录TOC\o"1-3"\f\h\z\u11255摘要 432596关键词 418463Abstract 4195331.前言 5282912.重金属污染现状 6236313.重金属污染修复技术 6132003.1传统修复技术 6128163.2微生物修复 8141323.3植物修复 8157624.真菌强化植物修复的研究进展 9250974.1真菌强化植物修复重金属机制 989864.2真菌的种类及作用 1053695.展望 117900参考文献 129890致谢 16真菌强化植物修复重金属污染的研究进展摘要：随着经济的发展，环境问题当中土壤重金属污染是当前迫切需要解决的问题之一，种植在重金属污染土壤的植被会受重金属元素的影响，因此它越来越受人们的关注。为了去除土壤中的重金属，避免农作物吸收重金属而被人们摄入体内，使人体健康受到各种疾病的影响。如今修复土壤重金属污染的方法不断增加，其中植物修复技术在修复重金属污染土壤中的应用为最广泛，植物修复方法具有对环境友好、低成本、无二次污染等优点。植物修复是通过植物的生理功能吸收、降解和挥发土壤中的重金属污染物，以此来达到污染物的去除和生态环境的修复。本文主要综述重金属污染的修复技术和真菌强化植物修复重金属污染的机制，并深入开展了真菌联合植物吸收重金属的机制。通过研究归纳上述技术和机制，能帮助我们更好的利用真菌-植物联合修复重金属污染，给我们带来更好的环境效应。关键词：重金属污染；植物修复；真菌强化；ReacherPrograssinfungienhancingphytoremediationofheavymetalcontaminationAbstract:Withthedevelopmentofeconomy,soilheavymetalpollutionisoneoftheenvironmentalproblemsthatneedtobesolvedinsoilcontaminatedwithheavymetalswillbeaffectedbyheavymetalelements,moreandmorepeopleisattention.Inordertoremoveheavymetalsinthesoilandavoidtheabsorptionofheavymetalsbycrops,peopleareingestioninthebody,whichaffectshumanhealthbyvariousdiseases.Themetalsofremediationofheavymetalpollutioninsoilareincreasing,meanwhilephytoremdiationtechnologyisthemostwidelyusedintheremediationofheavymetalcontaminatedsoil.Thephytoremediationmethodhastheadvantagesofbeingfriendlytotheenvironment,lowcostandnosecondarypollution.Phytoremediationisthroughthephysiologicalfunctionofplants,absorptionofheavymetalpollutioninthesoil,inordertoachievetheremovalandrepairofpollutants.Inthispaper,theremediationtechnologyofheavymetalpollutionandthepolesystemoffungistrengtheningphytoremediationofheavymetalpollutionwerereviewed.Throughthestudyandsummaryoftheabovetechnologyandpolesystem,wecanbetterusethefungus-plantjointrepairofheavymetalpollution.Keywords:Heavymetalpollution；Phytoremediation；Fungitostrengthen前言土壤是农作物生长所需要的水分和营养物供给源，是生态系统中最重要的组成部分。然而，随着世界经济的快速发展，人们生产生活极度不规范，重金属的生产量显著上升，土壤重金属污染成为当前影响环境质量和人类健康的重要环境问题之一。据报道，全世界有500万个受重金属污染的地点[1]。根据相关资料显示，美国约有60万公顷的土地均受到了重金属的不同程度的污染。Gorospe[2]分析了从美国旧金山91个菜园采集的土壤样本中的16种不同重金属，发现大多数菜园的镉、砷和铅超过了加州人类健康筛查水平。根据法国可持续发展部的2015年的数据，法国大约有3500个重金属污染点[3]。Mench曾对法国的1万多份农业土壤样本进行了铅污染分析，发现约1%的土壤样本超过了铅的限值[4]。巴基斯坦、印度、孟加拉国等欠发达国家也报告土壤中重金属含量较高。我国土壤重金属污染状况也令人十分堪忧，据报道，我国约有1/4的耕地均受到铅、镉、铬、锡、锌等重金属的污染，每年因为重金属污染造成约一千万吨农作物减产[5]。重金属对生物或化学诱导的降解具有高度的抗性，因此，其在进入土壤后会不断累积进而导致土壤生态系统的恶化和其他环境问题的产生。有研究报告表明，高浓度的重金属会影响土壤微生物种群及其相关活动，可能直接影响土壤肥力[6]。Pattnaik等人的报告也指出，土壤酶活性与镍、铜、铬、钴、锰和锌的金属含量显著负相关[7]。同时，重金属也会随着食物链逐级富集进入消费者体内，进而对生物体的健康发育造成威胁，据报道，重金属可导致多种人类疾病，包括心血管疾病、癌症、认知障碍、慢性贫血、肾脏、神经系统、大脑等等[8]。廖志刚[9]的研究结果显示高浓度的铜和汞会影响胚胎正常发育；台凌宇[10]发现铅和镍两种重金属的致癌率接近37%。而曾经轰动世界的水俣病和疼痛病的“罪魁祸首”也是重金属污染，因此土壤重金属污染的修复与治理刻不容缓。真菌强化植物修复重金属污染的机制帮助我们了解在土壤被重金属污染的条件下，真菌联合植物是怎么吸收重金属，是怎么加强重金属在土壤中的迁移和固定。通过改变重金属形态和土壤pH来影响植物的生理机能，以此来降低土壤中的重金属污染，因此对真菌联合植物修复机制的研究是一个新的研究领域和热点。随着土壤重金属污染的日益严重，相应的发现多种修复技术，张聪的研究结果显示，土壤重金属污染修复有物理修复、化学修复、植物修复、微生物修复及植物-微生物联合修复等[11]。本文从单一的修复技术讲述到联合修复技术，总结强化植物修复重金属污染的发展和机制，即通过真菌产生胞外分泌物，利用胞外回避机制和胞内运转储存机制等作用来促进植物生长和代谢活动来促进生物量，通过真菌的降低重金属浓度的特点来促进重金属的固定、改变形态等。重金属污染现状根据2018年的数据统计，我国土壤受重金属的污染，其中被污染的耕地面积接近2×105km2,,被重金属污染的粮食产量减少1000多万吨[12]。于海燕的研究结果显示，中国南方土壤重金属污染面积大于北方[13]。徐芹磊通过对福建西部某铅锌矿区周围的农田的研究结果显示，重度污染的农田数占总数的97.44%[14]。我国大多数城市不同程度上受到重金属的污染，且污染来源都不尽相同，Cu、Zn、Cr、Cd和Hg等金属超标最为明显。全国目前有1.3万hm2耕地受到镉污染，张继舟等研究表明大豆田土壤Cd含量超标率为6.67%；玉米田Cd含量超标率为1.39%[15]。张俊丽等研究发现玉米田土壤Pb含量超标率为8.3%，土壤Hg含量超标率为16.7%[16]。随着重金属问题的日益突出，严重影响动植物及人类的健康，因此，对重金属污染的修复迫在眉睫。重金属污染修复技术3.1传统修复技术多年来，各种原位和非原位修复技术已被开发用于清理或恢复重金属污染土壤，如表面覆盖、土壤冲洗、电动、固化等。一般而言，这些土壤修复方法采用不同的工作机制，并显示出特定的应用优势和局限性，且这些技术在现场实践中的有效性和成本差异很大[15]。表1总结了一些传统修复方法的基本原理和特性。表1一些传统修复方法的基本原理及特性Chart1Thebasicprinciplesandcharacteristicsofsometraditionalrepairmethods技术原理特性置换用非污染土壤全部或部分置换污染土壤1增加了土壤功能性[17]2能有效地隔离受污染的土壤和生态系统3劳动强度大、技术成本高4仅适用于面积小、污染严重的土壤隔离将重金属污染土壤从未污染土壤中分离出来1其他修复方法不可行时，该技术可有效避免重金属对地下水的进一步污染2完全修复还需要其他辅助工程措施[18]玻璃化通过在污染现场进行高温处理可降低土壤中重金属的迁移率，从而形成玻璃质材料[20]对清理数吨受重金属污染的废料非常有效，可用于清理大面积土壤[19]。2可以在原位和非原位进行，但通常采用原位法。3干燥的土壤无法提供足够的导电性，玻璃化4原位玻璃化需要很高的熔融能量，因此成本很高。5原位玻璃化仅适用于含碱量较低的湿土中。电动在含有饱和污染土壤的电解槽两侧建立适当强度的电场梯度。土壤中的重金属通过电泳、电渗流或电迁移分离，从而减少污染[21]1可与其他技术结合使用2低渗透性土壤中运行良好3易于安装和操作4无法维持土壤pH值5极易产生二次污染固定污染土壤中加入固定剂，降低土壤中重金属的迁移率、生物有效性和生物可利用性。通过络合反应、沉淀反应和吸附反应，在土壤中固定化重金属1一些固定剂对重金属的固定效果很好[22]2容易改变土壤的化学、物理和生物特性3极易产生二次污染洗土使用各种试剂和萃取剂从土壤中去除重金属，这些试剂和萃取剂可以从土壤中浸出重金属[23]1修复重金属污染场地常用的方法2快速且高效[24]3.费用昂贵、需考虑萃取剂污染等问题由表格可知，在传统方法中，重金属污染的土壤主要通过化学、物理等方法进行修复。物理修复技术包括置换法、隔离法、玻璃化法等，化学修复法主要包括电动法、固定法和洗土法。但这些方法成本昂贵，并会对土壤结构产生不可逆的破坏，极易产生二次污染[25]。近年来，随着科技的进步也涌现了许多重金属修复新方法。然而新的修复方法也仅仅改变土壤中重金属的形态，却无法改变重金属的总量。3.2微生物修复微生物修复是利用微生物自身的代谢、固定和降解土壤中的重金属[26]。微生物修复主要机制有生物吸附和富集作用、氧化还原作用、溶解和沉淀作用构成。其特点是修复重金属能力强，无二次污染，对土壤结构、功能和微生物生态环境影响小[27]。AuwaluHassan的研究发现丝状真菌、子囊菌和担子菌等三种真菌协同修复，土壤中镍和锌的去除效率达到52%和44%是[29]。3.3植物修复近年来，学者们倾向于利用植被来修复污染土壤，即植物修复[30]。植物修复是指通过种植在受污染土地上的植物去除受污染土壤中的污染物或将污染物降解为无害物质[31]。该项技术不仅可以有效修复土壤重金属污染还能防止水土流失、改善景观生态环境，同时还具有经济、绿色、环保等优良特点，因而备受科学家们青睐。植物修复的主要机理包括植物萃取、植物挥发、和植物固定[32]。植物萃取是指通过植物根系吸收和富集重金属，从而有效降低污染土壤中重金属的含量。目前已知的天然超积累植物有高山杂草、亚洲景天等。遗憾的是，大自然里大多数过度积累的植物均有着生长缓慢、生物量低、易受外界因素限制[33]等局限性。孟格蕾[34]的研究中利用凤眼莲来吸收重金属镉，Cd去除效率为65.3%。Marek[36]等利用苏格兰松树针对重金属铅和镉的耐性很差。植物挥发机制是指植物可将有害物质加工成可挥发和毒性较低的形态，然后再通入大气[37]。该机制对于汞污染和硒污染的治理来说是非常有前途的，植物将金属汞元素和硒元素再生成一种易挥发的类型，稀释并释放到大气中。这种方法与其他的植物修复方法相比更具优势，因为它不必另外处理因富集重金属而受污染的植物。李婧等[38]利用车前草修复Hg污染土壤，而车前草对Hg富集系数达到9，接近超富集状态。植物固定是指植物生长在重金属污染的土壤中，降低重金属的迁移率或生物利用度，避免其渗入水中污染地下水和食物链。植物稳定化虽不能降低污染土壤中重金属的浓度，但却阻止了重金属的扩散迁移，减少了额外环境污染率。Hyuk[39]等在重金属污染的水稻田中利用青蒿来制造植物修复模型，结果显示，不考虑重金属，植物对1米土壤的吸收量最高。杨丹[40]研究中利用绿萝、吊竹梅吸收重金属，绿萝对铜的积累总量为147.6mg/kg，吊竹梅对积累Pb的含量为31.92mg/kg。真菌强化植物修复的研究进展植物修复技术的应用通常受到低金属有效性低、吸收和转运以及生物量的限制。而且植物修复机制对土壤微生物的降解能力有着极高的要求。研究表明，真菌对植物修复有着促进作用，如丛枝菌根真菌可通过与金属形成配合物来减少重金属对植物的毒害，同时有研究发现与根相关的共生真菌可通过增加根毛的海绵状程度的途径，来对植物吸收金属产生一定程度的积极作用[41]，而植物也可排出的有机物质为微生物提供食物。因此，真菌在土壤植物修复中具有重要作用。4.1真菌强化植物修复重金属机制微生物联合植物修复在众多修复方法中拥有着诸多优势，微生物联合植物修复是利用土壤-植物-微生物复合体系，将植物修复技术和微生物修复技术联合使用相互促进，共同降低土壤重金属污染物的一种新兴生物修复技术，其作为一种绿色环保技术，在土壤污染修复与治理领域中极具潜力，是今后治理重金属污染土壤着重研究发展的方向。真菌主要通过三种渠道强化植物修复首先促进植物吸收营养，促进植物生长和代谢活动，再利用增加生物量来强化植物修复。关会敏等研究表明，人为接种外生菌根真菌的植物幼苗通过刺激宿主植物产生的生长激素、次生代谢物及转运蛋白酶，调节宿主植物幼苗体内激素水平和代谢平衡，能够提高宿主植物幼苗的成活率及叶绿素含量[42]。Wany.Rafa等研究发现共同接种AM真菌和毛霉在受污染的土壤上，增加了植物叶和根中锌的浓度，降低植物叶片中倍半萜内脂的含量，增加植物生长含量[43]。贺章咪研究表明在种植萝卜土壤中接种丛枝菌根真菌和黑麦草，降低了萝卜根和地上部分Cd含量、土壤Cd可交换态含量，能够提萝卜根中叶绿素含量，提高萝卜根的生长[44]。二是真菌通过改变重金属形态，土壤pH及分泌有机物，强化对重金属吸收。植物修复是以植物为主，同时微生物为辅助的修复过程，通过土壤微生物的代谢活动来改变重金属在土壤中的化学形态，增加植物对重金属的吸收。王康乐的研究中表明在Pb污染的土壤中会随着时间的推移，Pb的酸可溶态向其他形态转化，最终转化成残渣态，重金属污染性与生物毒性平衡[45]。陈永勤等利用黑麦草和丛枝菌根真菌接种到Cd污染的菜田，通过番茄套种黑麦草和接种丛枝菌根真菌降低土壤Cd的可交换态和铁、锰氧化态及Cd含量，使番茄根际土壤中Cd被黑麦草吸收。土壤被重金属污染会对土壤的pH影响较大，所以重金属污染的土壤，pH值是较偏低的。Zun-He等的研究利用丛枝菌根真菌（AMF）接种至玉米，通过钢渣和AMF联合提高土壤pH和分泌物的组分，降低二乙烯三胺五乙聚提取Cd、Pb钠浓度，减少玉米地上部分对Cd、Pb的积累[46]。NiaRossiana等研究合欢皮植物根系产生根系分泌物，它为降解微生物造成的污染物创造了有利的条件，修复重金属过程中，真菌群落和菌根能有效促进Ni的修复[47]。二是真菌能够刺激植物对重金属的抗逆基因表达，促进重金属在植物中的迁移。植物修复技术的首要是植物，然而植物是不能直接吸收重金属元素的。陈雪研究龙葵接种AM真菌摩西管柄囊霉（Funneliformismosseae)对修复Pb、Cd污染时，接种菌根真菌有效调节Pb、Cd向植物体内的运转，提高植物地上部分对Pb、Cd的吸收，达到有效促进土壤Pb、Cd的修复目的。柴立伟等在铜、镉胁迫下，外生菌根真菌对重金属的耐受机制-胞外回避机制，为处于离子态重金属提供自由配体，将有机结合态的重金属离子固定在植物根际当中[48]。不同植物从土壤中吸收和迁移重金属的分量是不同的，而相同植物对不同重金属的吸收和迁移能力也是不同的。曾洁婷等的研究结果显示菌根真菌通过调节植物与重金属抗逆性的相关基因，来改变植物对重金属的吸收能力及重金属的迁移[49]。4.2真菌的种类及作用超积累植物利用吸附作用对重金属离子进行解吸再生，真菌对重金属的耐性和吸附作用是菌根减轻植物毒害的基础。植物为真菌提供光合产物，真菌的代谢产物通过刺激植物生长激素来促进植物生长。丛枝菌根真菌（AM）是土壤真菌,通过螯合作用和过滤作用使植物在重金属中生存，真菌菌丝分泌的螯合物有利于植物水分及营养元素；将As固定在菌丝和根际土中来提高对As的耐受性，吸附态的As向溶解态转化降低土壤pH；用菌丝桥传递养分，调节植物激素合成来促进生物量，土壤砷的生物效应来促进吸收和降解砷元素。丛枝菌根真菌通过吸附作用、多糖分泌物的结合作用、络合重金属作用和螯合作用为植物转移重金属提供机会；AMF真菌细胞壁分泌物和真菌组织中的聚磷酸为植物提供络合重金属的能力；为适应重度污染的重金属区域，植物能形成重金属螯合肽等以螯合作用促进植物吸收重金属[51]。AM真菌有助于减少重金属镉污染对土壤地表面的毒害，促进宿主植物对镉的根际固定化处理，抑制重金属镉元素像地表面的转移。大型真菌的重金属富集能力远超过超积累植物，富集过程是由表面吸附和胞内富集构成，通过特定真菌构成的生物吸附剂更有利于将重金属元素的转移、固定及回收处理。安鑫龙利用平板法研究重金属镉、铅的复合污染对五种大型真菌菌丝体的富集，在镉、铅复合污染的条件下，大型真菌会对铅的吸收而抑制对镉的吸收。木霉属对植物病害有防病效果，利用土壤中的养分及植物中的激素促进植物生长，消除土壤污染环境对植物造成的损害。马文婷研究结果显示木霉对植物有促生作用、稳定作用及强化作用，其能减少重金属镉对油菜造成的毒害，促进镉的积累。木霉对重金属有较强的耐受性来强化重金属污染的强化，Hoseinzadeh.s等研究结果显示木霉曲霉TS141和哈茨木霉TS103在不同浓度下对Pb、Cd的耐受性和吸收能力是不同的，曲霉对Pb的最大去除率78%，木霉对Cd的最大去除率82.1%。曲霉属对重金属有溶解作用，通过产酸淋滤污染的土壤来提高重金属的生物有效性。任婉霞等研究利用添加黑曲霉的蔗糖和有机盐的培养基，淋滤去除土壤中的重金属，治炼厂土壤重金属Cu去除率为25.2%、重金属Cd去除率98.3%。杨卓等的研究结果显示黑曲霉发酵液促进印度芥菜对重金属Cd、Pb、Zn的吸收，添加可溶性的污染土壤后印度芥菜地上部Cb吸收量提高88.82%。毛霉属对重金属的耐性较高，对重金属污染修复其到强化作用。朱生翠的研究中卷枝毛霉Z4强化对贵州油菜生长和镉富集能力和转运能力，油菜对镉污染修复有强化作用。展望现如今土壤污染问题是我国环境保护工作中的重中之重，针对重金属污染方面真菌联合植物修复是新的研究方向，目前基本存在在概念层面，具体的使用到修复重金属的菌体少之又少。植物修复技术有诸多优势，存在多种局限性，也是一种发展潜力巨大的修复技术。综上所述，将真菌菌株引入植物修复重，构成植物-真菌联合修复是从多方面的强化植物修复。真菌联合植物修复重是一种新型的，在修复技术方面具有重要的发展前景。真菌联合植物修复应加强一下几方面的深入研究：随着污染物种类和数量的增多，重金属和其他污染物对植物修复联合真菌的研究方法是今后研究的重点之一。以往的研究大多实在实验室人工控制下进行，然而自然条件比实验室环境要复杂得多，从实验室得出的结论可能不太会适应野外环境，因此需加强野外条件下植物修复的研究效率。目前强化植物修复技术过于单调，应深化植物-真菌-重金属污染之间的基础理论研究，为其实践活动提供有效地理论基础，更有效地进行污染物的修复。寻找和积累更多的超级累植物，并从中筛选出更有利于生长快，富集能力强的超级累植物，使植物修复走向工业化。参考文献Zhao,Li,He,.ElectrochemicallycreatedroughenedleadplateforelectrochemicalreductionofaqueousCO2[J].CatalysisCommunications,2015.Gorospe,Jennifer.GrowingGreensandSoiledSoil:TrendsinHeavyMetalContaminationinVegetableGardensofSanFrancisco.2012.AnaCarolinaAgnello,MatthieuBagard,EricD.VanHullebusch.Comparativebioremediationofheavymetalsandpetroleumhydrocarbonsco-contaminatedsoilbynaturalattenuation,phytoremediation,bioaugmentationandbioaugmentation-assistedphytoremediation[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2016,563-564:693-703.Mench,Michel,andDenisBaize.“ContaminationDesSolsetdeNosAlimentsd’origineVégétaleParLesÉlémentsEnTraces.”LeCourrierdel’environnementdel’Inra,vol.52,no.52,2004,pp.31–56.Hongbo,Shao,etal.ProgressinPhytoremediatingHeavy-MetalContaminatedSoils.2011,pp.73–90.MinnikovaTV,DenisovaTV,MandzhievaSS,etal.AssessingtheeffectofheavymetalsfromtheNovocherkasskpowerstationemissionsonthebiologicalactivityofsoilsintheadjacentareas[J].JournalofGeochemicalExploration,2016,174:70-78.Pattnaik,Binaya,Kumar,.PotentiallytoxicmetalcontaminationandenzymeactivitiesinsoilaroundchromiteminesatSukindaUltramaficComplex,India[J].JournalofGeochemicalExplorationJournaloftheAssociationofExplorationGeochemists,2016.LarsJärup.Hazardsofheavymetalcontamination.2003,68(1):16.廖志刚.重金属污染土壤修复技术探讨[J].世界有色金属,2017(18):265-266.台凌宇.垃圾焚烧厂周围土壤重金属污染源解析及人体健康风险评价[D].2018.张聪,张弦.土壤重金属污染修复技术研究进展[J].环境与发展,2018.周川,姜和.土壤重金属污染危害及修复方法探究[J].绿色科技,2018(20):144-145.于海应.我国土壤重金属污染现状及其防治措施[J].资源节约与环保,2017,000(012):44,47.徐芹磊,陈炎辉,谢团辉.铅锌矿区农田土壤重金属污染现状与评价[J].环境科学与技术,2018,041(002):176-182.张继舟,王宏韬,倪红伟,等.我国农田土壤重金属污染现状、成因与诊断方法分析[J].土壤与作物,2012,001(004):212-218.张俊丽,雷建新,赵晓进,等.陕西省潼关县农田重金属污染分析与评价[J].西北农业学报,2019,28(02):91-96.SanaKhalid,MuhammadShahid,NabeelKhanNiazi,BehzadMurtaza,IrshadBibi,CamilleDumat.Acomparisonoftechnologiesforremediationofheavymetalcontaminate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