彭云霄

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

全球工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)引起了廣泛的環(huán)境和人類健康問題。重金屬污染由于具有高度致畸致癌的風(fēng)險(xiǎn)，并且能夠通過糧食作物進(jìn)入食物鏈逐級累積，已經(jīng)威脅人類健康[1]。重金屬污染土壤修復(fù)的幾種方式中，植物修復(fù)因其具有對環(huán)境友好、技術(shù)成本低的優(yōu)勢而獲得了廣泛的關(guān)注[2]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多種植物具有重金屬富集和耐受的能力，然而在實(shí)際應(yīng)用過程中植物修復(fù)又存在著許多限制條件。為了解決植物修復(fù)過程中面臨的問題，探索更高效的修復(fù)方式，重金屬耐受植物與微生物之間的相互作用逐漸被重視。

根際微生物是一類在植物根際內(nèi)生或存在于根際周圍土壤中的微生物群體。研究表明，部分根際微生物和植物內(nèi)生菌對提高植物與重金屬的抗性具有顯著的作用[3]。已經(jīng)系統(tǒng)研究的植物-微生物關(guān)系僅僅局限在小部分微生物及其宿主植物中，在龐大的微生物群體中，植物有益的新型微生物的探索仍然具有很大的潛力。本文重點(diǎn)描述了在重金屬脅迫條件下，相關(guān)促生細(xì)菌提高植物的生物量，影響植物對重金屬的積累或穩(wěn)定，通過提高植物適應(yīng)能力、金屬活化/鈍化等方式使植物更好的發(fā)揮修復(fù)能力。

1 重金屬污染土壤修復(fù)過程中植物根際促生細(xì)菌的協(xié)同作用及機(jī)制

在重金屬脅迫條件下，微生物可以通過多種作用機(jī)制促進(jìn)植物的生長，例如固氮作用、磷酸鹽溶解、產(chǎn)生鐵載體、分泌1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶或植物激素等等。有些細(xì)菌并沒有直接作用于植物，但是它們通過改變土壤條件（土壤有機(jī)質(zhì)含量、溫度、pH、污染水平等）間接的影響植物的修復(fù)效果[4]。

1.1 根際細(xì)菌（Rhizobacteria）

在重金屬污染農(nóng)田中，根際既是作物養(yǎng)分輸送的重要界面，也是重金屬元素通過作物吸收-轉(zhuǎn)運(yùn)-累積-進(jìn)入食物鏈的主要渠道。在參與植物與重金屬污染土壤相互作用的根際微生物群體中，植物促生根際細(xì)菌（PGPR） 扮演著特殊的角色。通常情況下，PGPB是從大的土壤環(huán)境中遷移至植物的根際，侵染植物的根際或定植于植物根周的土壤中，形成了豐富的植物共生微生物群體，普遍認(rèn)為PGPB可以促進(jìn)植物的生長。常見的PGPR有根瘤菌（即無色桿菌）、節(jié)桿菌、偶氮桿菌、偶氮螺菌、芽孢桿菌、腸桿菌，假單胞菌和沙雷氏菌[5]。重金屬可以抑制植物激素的產(chǎn)生，而有些PGPR可以產(chǎn)生各種植物激素（IAA、GA、ABA、CTK），這些植物激素通過濃度調(diào)節(jié)的方式直接或間接地與其他細(xì)菌或其他細(xì)菌的次級代謝產(chǎn)物共同作用，促進(jìn)植物的生長[6，7]。有些PGPR產(chǎn)生一些有機(jī)酸、生物表面活性劑、氮氧化物、抗生素等抑制其它有害生物/微生物的生長，促進(jìn)植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高植物的固氮，增強(qiáng)植物對脅迫環(huán)境的耐受力[8]。重金屬脅迫誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量的應(yīng)激乙烯，過量的乙烯會(huì)抑制植物根生長，從而間接減少植物對重金屬的吸收。植物分泌的ACC是乙烯合成的前體，PGPR可以產(chǎn)生ACC脫氨酶，將ACC水解成 α-酮丁酸 （α-Ketobutyrate） 和氨 （可被PGPR利用為氮源），抑制乙烯合成，減輕了脅迫對植物生長的抑制作用[9]。還有一些具有重金屬抗性的微生物可以通過釋放鐵載體、酸化土壤環(huán)境、改變氧化還原電位等方式降低土壤中重金屬的生物可利用度，從而使得生長在其中的植物免受其害[10]。

宿主特異性對根際細(xì)菌的群類分布有顯著的影響，而且根際細(xì)菌群落組成和多樣性往往隨地區(qū)不同而產(chǎn)生很大的變化。在對毛竹的研究中發(fā)現(xiàn)，芽胞桿菌屬（Bacillus）是主要的根際細(xì)菌類群[11]；對圣羅勒、毛喉蕊花、長春花和蘆薈的初步研究表明，固氮螺菌屬（Azospirillum）、固氮菌屬 （Azotobacter） 和假單胞桿菌屬（Pseudomonas）是根際中最常見的種類。而對不同地區(qū)蘆薈的研究表明芽胞桿菌屬（Bacillus）才是其根際的主導(dǎo)菌群[12]。此外，非生物因素如土壤結(jié)構(gòu)、降水量等也對微生物與植物的互作關(guān)系有較大的影響。因此，為了改善金屬毒性，促進(jìn)植物健康生長，需要開展更加廣泛的研究工作，探索微生物的多樣性、分布，揭示各類微生物在原生環(huán)境土壤和異地土壤環(huán)境中作用的差異和習(xí)性變化。

將從重金屬污染土壤中分離得到的Cr抗性菌株P(guān)seudomonas sp.PsA4和Bacillus sp.Ba32施用到芥菜中，結(jié)果表明，接種了PsA4和Ba32都可以增加芥菜在95.3 mg/g和198.3 mg/g Cr6+土壤中的生物量[13]。Vivas等測試了從Zn污染的土地中分離出的Brevibacillus屬菌株，結(jié)果表明，B-I顯著地增強(qiáng)了植物生長和氮磷的積累，抑制了Zn的吸收[14]。Rajkumar等從土壤中分離出根際微生物，經(jīng)過鎳、鋅抗性篩選，選出了重金屬抗性菌株 Pseudomonas sp.和 Pseudomonas jesseni，將它們接種給蓖麻，發(fā)現(xiàn)它們顯著地增加了蓖麻的生物量，并且增加了Zn、Ni、Cu的積累量[15]。Ma等從 Alyssumserpyllifolium和 Phleum phleoides的根際中分離出5個(gè)Ni抗性PGPR菌株，發(fā)現(xiàn)SRA2增加了油菜和芥菜的鮮重（351%） 和干重（285%），而 SRA1和SRA10菌株則顯著增加了植物地上和地下部分Ni的積累量[16]。這些研究都表明了PGPR在植物吸收重金屬方面多種多樣的效果，合理地利用抑制作用可以提高輕度污染土壤中經(jīng)濟(jì)作物的生長，降低風(fēng)險(xiǎn)；有效地利用促進(jìn)作用和耐受性則可以優(yōu)化富集植物對中/重度污染場地的修復(fù)效果，縮短修復(fù)周期。同時(shí)，開發(fā)PGPR在土壤改良方面的能力，可以在凈化污染土壤的同時(shí)改善土壤品質(zhì)，進(jìn)一步優(yōu)化重金屬污染土壤生物修復(fù)的實(shí)施方案。換言之，今后的研究應(yīng)更著重于精準(zhǔn)的特異性和高效的適用性。

1.2 內(nèi)生細(xì)菌（Endophytic bacteria）

寄生在植物內(nèi)部組織而不會(huì)引起癥狀性感染或?qū)ζ渌拗鳟a(chǎn)生負(fù)面影響的細(xì)菌被成為內(nèi)生細(xì)菌，它們通常存在于細(xì)胞胞漿中。雖然它們存在的時(shí)間以及存在的狀態(tài)變幻不定，但是它們往往能夠觸發(fā)植物的生理變化，促進(jìn)植物的生長和抗逆[17]。在某些情況下，內(nèi)生菌對植物的促生作用比根周細(xì)菌更為顯著，而且在脅迫條件下內(nèi)生菌的促生效應(yīng)會(huì)被增強(qiáng)。目前已經(jīng)從許多植物中分離出了多種內(nèi)生菌，這些內(nèi)生菌通過提高水分/養(yǎng)分吸收、產(chǎn)生生長調(diào)節(jié)劑、對抗病原菌生長等方式促進(jìn)植物的生長[18]。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)接種內(nèi)生菌后，植物細(xì)胞滲透物的積累增加，氣孔和滲透的調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，膜電位降低，細(xì)胞膜中磷脂的含量也發(fā)生變化，這些都是有利于植物生長的生理變化[19]。目前對于內(nèi)生菌與植物相互作用的機(jī)制已經(jīng)有部分研究，一些關(guān)鍵內(nèi)生菌的全基因組測序已經(jīng)完成，關(guān)于內(nèi)生菌的定植和關(guān)系建立的調(diào)控基因已經(jīng)可以確定[18]。然而關(guān)于內(nèi)生菌轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究相對較少，利用成熟的組學(xué)技術(shù)可以更好的揭示內(nèi)生菌與植物之間關(guān)系的建立。因?yàn)閮?nèi)生細(xì)菌有很大的物種多樣性，常隨宿主的不同而變化，充分了解菌-植關(guān)系的確立，有助于更好的利用具有促生優(yōu)勢和重金屬耐受性的內(nèi)生菌。

通過16S rDNA序列分析、BOX-PCR染色體組DNA概要分析以及生理特性鑒定（包括底物利用率、抗生素和重金屬敏感性），可以確定內(nèi)生菌在不同植物組織中的分類地位。從具有銅抗性的植物海州香薷和鴨跖草中分離得到的銅抗性內(nèi)生菌株屬于3個(gè)系統(tǒng)族群:厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門 （Actinobacteria）、變形菌門（Proteobacteria），這些是銅抗性菌株中的主要類群[20]。內(nèi)生菌的多樣性也與土壤條件和植物激素有關(guān),并且內(nèi)生菌還會(huì)經(jīng)常與土壤根際微生物進(jìn)行物質(zhì)和個(gè)體間的交換。Long等在對煙草（Nicotiana attenuata）根系的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤組分和植物體內(nèi)乙烯的變化對植物內(nèi)生菌的組成有至關(guān)重要的作用[21]。根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的PGPR作用機(jī)制和PGPE的影響因素看出，探索PGPR和PGPE的聯(lián)合使用也是優(yōu)化生物修復(fù)方式的有效手段。

研究發(fā)現(xiàn)在特定的培養(yǎng)基中,PGPB也可以產(chǎn)生一些植物激素，但是,它們能否在植物體內(nèi)共生狀態(tài)的條件下產(chǎn)生植物激素還有待研究。關(guān)于PGPB的研究仍然具有廣闊的前景，這項(xiàng)技術(shù)在可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展和能源植物的生產(chǎn)上也有重要的作用。由于其顯著的效果、低廉的成本和廣泛的適用性，植物促生菌可能成為未來非常有前途的土壤生物調(diào)控劑。

2 總結(jié)展望

利用有益菌可以改變金屬的生物利用度，大規(guī)模地改善重金屬污染物的植物修復(fù)效果。闡明土壤微生物，尤其是根際促生菌和內(nèi)生菌與植物之間的關(guān)系，對于更好的發(fā)展植物修復(fù)技術(shù)，優(yōu)化重金屬的遷移/吸收/累積效率，加速污染土壤的修復(fù)過程具有深遠(yuǎn)的意義?；谀壳暗难芯拷Y(jié)果，開展植物根際促生菌方面的研究將為重金屬污染土壤修復(fù)研究領(lǐng)域拓展一個(gè)新的發(fā)展方向，更好地揭示微生物和植物抗脅迫的機(jī)制，具有十分重要的科研意義和現(xiàn)實(shí)意義。