王慶宏，鄭 逸，李倩瑋，王 鑫，詹亞力，陳春茂

中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院, 石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249

在眾多土壤修復(fù)技術(shù)中，生物修復(fù)技術(shù)具有環(huán)境擾動(dòng)少、不易造成二次污染、修復(fù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，為土壤修復(fù)提供了綠色生態(tài)的技術(shù)路線. 生物修復(fù)既適用于修復(fù)有機(jī)污染土壤(包括石油類污染、多環(huán)芳烴類污染、農(nóng)藥類污染等)，也可用于修復(fù)無(wú)機(jī)污染土壤(包括重金屬、非金屬、放射性污染等)[1]. 生物修復(fù)按照修復(fù)主體(主要承擔(dān)修復(fù)功能的生物種類)不同可分為植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)及多種生物聯(lián)合修復(fù). 單一生物修復(fù)機(jī)制根據(jù)原理不同可分為固定富集、胞外分泌、代謝轉(zhuǎn)化、抗逆應(yīng)激等. 在生物聯(lián)合修復(fù)中，除考慮單一生物本身的修復(fù)效果外，還應(yīng)考慮與其他修復(fù)生物的共存與互作. 掌握生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制對(duì)優(yōu)化工藝路線、提升修復(fù)效果至關(guān)重要，隨著近年來(lái)生物聯(lián)合修復(fù)研究的不斷深入，更需要對(duì)其中復(fù)雜的修復(fù)機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步討論. 鑒于此，該文梳理了微生物、植物、動(dòng)物對(duì)污染土壤的單獨(dú)修復(fù)機(jī)制及多種生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制研究，同時(shí)整理了近年來(lái)的相關(guān)研究成果，以期為生物聯(lián)合修復(fù)新技術(shù)研發(fā)、工藝優(yōu)化和修復(fù)效果提升提供參考.

1 單一生物土壤修復(fù)機(jī)制

1.1 微生物修復(fù)機(jī)制

重金屬和有機(jī)污染土壤修復(fù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn).微生物修復(fù)重金屬污染土壤機(jī)制主要分為胞內(nèi)與胞外兩類，其中胞外去除機(jī)制以吸附固定和離子交換為主. 微生物吸附重金屬的過程主要取決于細(xì)胞表面的肽聚糖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中包含的羧基、羥基、?；裙倌軋F(tuán)可與重金屬離子配位固定，已經(jīng)固定離子的官能團(tuán)還可以通過離子交換作用固定其他游離的重金屬離子. 微生物同時(shí)可以分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)和多種代謝產(chǎn)物. EPS中多糖、酶及生物酸成分可增強(qiáng)重金屬的溶解性并提升微生物固定效果[2]. 這些代謝產(chǎn)物還可促進(jìn)其他土壤生物生長(zhǎng)，如內(nèi)生醋桿菌屬(Acetobacter beijerinck)可產(chǎn)生植物激素，強(qiáng)化植物富集重金屬作用[3]. 微生物也可借助酶促反應(yīng)調(diào)節(jié)土壤理化環(huán)境，并將重金屬以硫化物、硫酸鹽和磷酸鹽等形式礦化固定[4]，如脲酶在調(diào)節(jié)土壤pH的同時(shí)也可使重金屬礦化為碳酸鹽[5]. 胞內(nèi)作用去除重金屬存在兩類主要機(jī)制：①通過應(yīng)激調(diào)控產(chǎn)生諸如金屬硫蛋白(metallothioneins，MTs)、谷胱甘肽等蛋白或多肽，通過巰基結(jié)合金屬形成配合物降低毒性[6]；②利用生物酶對(duì)重金屬進(jìn)行氧化還原以降低毒性，如將Cr6+還原為Cr3+、將As3+氧化為As5+等[7]. 當(dāng)重金屬毒性超過上述機(jī)制調(diào)節(jié)閾值時(shí)，微生物可合成多聚磷酸鹽與之結(jié)合，并置于遠(yuǎn)離重要細(xì)胞器的氣泡中以減少其對(duì)細(xì)胞的危害[4]. 微生物在減輕重金屬脅迫作用的同時(shí)也為土壤中其他生物提供了保護(hù)作用.

絕大多數(shù)有機(jī)污染物可被土壤微生物以代謝或共代謝途徑降解，常見的代謝方式有氧化、水解、烷基化和去烷基化. 針對(duì)土壤中不同類型有機(jī)污染物降解的研究相對(duì)較多，主要包括開發(fā)適生菌種、篩選土著菌種或表面活性劑產(chǎn)生菌以及生物強(qiáng)化工藝等[8-9].例如，利用生物強(qiáng)化修復(fù)長(zhǎng)期殘留混合農(nóng)藥的土壤效果顯著[10]. 微生物降解有機(jī)污染過程具有特異性，如降解PAHs時(shí)，真菌主要分解高環(huán)芳香烴，細(xì)菌則傾向于礦化低環(huán)芳香烴[11]. 降解分為胞內(nèi)和胞外兩類機(jī)制，一般通過酶促反應(yīng)完成. 胞內(nèi)和胞外酶的降解能力有所差異，如白腐真菌胞內(nèi)酶對(duì)BDE-209的開環(huán)及脫溴能力均遠(yuǎn)小于其胞外酶[12]. 農(nóng)藥降解通常遵循水解、氨基酸/糖酸結(jié)合、代謝轉(zhuǎn)化3個(gè)步驟. 但有研究發(fā)現(xiàn)，微生物可對(duì)有機(jī)農(nóng)藥氯吡磷進(jìn)行直接降解[13]，在細(xì)胞內(nèi)外均檢測(cè)不到氯吡磷的降解中間產(chǎn)物. 研究去除土壤中存在的農(nóng)藥-重金屬?gòu)?fù)合型底物時(shí)發(fā)現(xiàn)，低濃度金屬可對(duì)農(nóng)藥降解產(chǎn)生促進(jìn)作用，而毒性金屬會(huì)與微生物降解過程中一些重要的酶結(jié)合，導(dǎo)致酶失活[14]. 對(duì)于持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants，POPs)的生物修復(fù)，因其在微生物、土壤液相與固相之間的降解轉(zhuǎn)化規(guī)律復(fù)雜，多將污染物的生物可利用性和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究.

微生物廣泛存在于植物根際和土壤動(dòng)物腸道中，生物聯(lián)合修復(fù)會(huì)有效減輕污染物對(duì)土壤生物的脅迫作用. 微生物的胞外分泌物還會(huì)增強(qiáng)植物生長(zhǎng)抗逆能力，提高植物對(duì)污染物的可利用性，微生物還為土壤動(dòng)物提供了食物來(lái)源.

1.2 植物修復(fù)機(jī)制

植物修復(fù)土壤是通過地下根系對(duì)土壤污染物攔截、吸附、轉(zhuǎn)運(yùn)等作用，將污染物進(jìn)行固定或遷移至植物體內(nèi)的過程. 通過植物提取進(jìn)入植物體內(nèi)的污染物，一部分可在植物蒸騰作用中持續(xù)少量揮發(fā)，或通過植物自身新陳代謝對(duì)其進(jìn)行降解或削弱毒性，其余部分則通過富集作用殘留在植物體內(nèi). 未能進(jìn)入植物體內(nèi)的污染物，則可通過植物分泌物將污染物進(jìn)行形態(tài)轉(zhuǎn)化后固定于植物根際. 研究重金屬與有機(jī)物污染土壤的植物修復(fù)機(jī)制有不同的側(cè)重點(diǎn)，修復(fù)重金屬污染主要關(guān)注植物的轉(zhuǎn)運(yùn)、富集及固定過程，去除有機(jī)物污染則主要關(guān)注植物攝取及代謝方式.

植物修復(fù)重金屬污染土壤主要通過根系實(shí)現(xiàn)，根系細(xì)胞對(duì)污染的耐受性和富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力是衡量該物種是否能夠成為超富集植物的關(guān)鍵. 例如，蜈蚣草(Pteris vittataL.)對(duì)砷、鉛表現(xiàn)出極高的耐受性和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，但對(duì)鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較差[15]. 植物根系固定重金屬是另一主要作用機(jī)制，植物根系分泌物可改變根際環(huán)境條件(Eh和pH)，通過分解、螯合、氧化還原等過程降低重金屬的生物有效性[16]. 根系分泌的氨基酸、有機(jī)酸等小分子物質(zhì)可降低根際pH、提升重金屬溶解性，并通過絡(luò)合作用固定重金屬[17-18]. 根際分泌的多糖等膠黏性物質(zhì)可以與鉛、銅、鎘等重金屬離子結(jié)合，將其包裹在根系表面[19]. 此外，植物葉片的蒸騰作用也會(huì)促進(jìn)重金屬修復(fù)，蒸騰作用越強(qiáng)，其對(duì)重金屬的提取和積累促進(jìn)作用越明顯[20]. 例如，Cd在煙草(Nicotiana tabacumL.)葉片蒸騰作用被抑制的情況下無(wú)法被植物富集利用，蒸騰作用同時(shí)還是Cd從木質(zhì)部轉(zhuǎn)移到葉片揮發(fā)的動(dòng)力[21].

植物修復(fù)土壤有機(jī)污染需要依靠細(xì)胞代謝，植物細(xì)胞分泌胞外酶可用于降解有機(jī)污染物，如硝酸鹽降解酶、脫鹵酶可降解土壤中殘留的三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)、三氯乙烯(trichloroethylene，TCE)等有機(jī)污染物. 由于胞外酶通常具有時(shí)效性，因此需要植物持續(xù)分泌才能發(fā)揮作用. 有機(jī)物進(jìn)入植物細(xì)胞的方式既有主動(dòng)吸收也有被動(dòng)吸收，但只有少數(shù)激素類物質(zhì)通過主動(dòng)吸收進(jìn)入植物細(xì)胞，多數(shù)非離子型有機(jī)物的輸送方式為被動(dòng)吸收，其主要輸入動(dòng)力來(lái)自植物蒸騰作用. 植物體內(nèi)污染物與植物吸收分配的關(guān)系主要受辛醇-水分配系數(shù)(KOW)影響，分配過程中植物酶促反應(yīng)將有機(jī)物“親水基化”并逐步代謝[22]. 代謝機(jī)制與植物和污染物類型有關(guān)，一般低環(huán)、短鏈化合物更容易被植物代謝. 也有研究發(fā)現(xiàn)，某些特定植物能夠代謝多環(huán)、難降解污染物，如黑麥草(Lolium perenneL.)、南瓜(Semen cucurbitae)等可降解多溴聯(lián)苯醚(bolybrominated diphenyl ethers，PBDEs)[23].

在生物聯(lián)合修復(fù)中，植物為微生物和動(dòng)物提供生長(zhǎng)環(huán)境，如輸送氧氣或調(diào)節(jié)適宜pH等；植物根系還可為動(dòng)物、微生物提供營(yíng)養(yǎng)，根系分泌物和腐殖質(zhì)都可以是動(dòng)物、微生物的食物來(lái)源.

1.3 動(dòng)物修復(fù)機(jī)制

土壤動(dòng)物移動(dòng)及繁殖能力較強(qiáng)，可以對(duì)一定空間內(nèi)的污染土壤進(jìn)行長(zhǎng)效修復(fù). 常見修復(fù)動(dòng)物以無(wú)脊椎動(dòng)物居多，如線蟲(Caenorhabditis elegans)、蚯蚓(Pheretima lumbricus)等. 蚯蚓因?qū)ν寥栏纳坪臀廴拘迯?fù)效果顯著，是目前土壤動(dòng)物修復(fù)的研究熱點(diǎn)[24].蚯蚓修復(fù)土壤過程一般通過掘穴攝食和體表接觸兩個(gè)途徑進(jìn)行. 在掘穴攝食過程中利用腸道中嗦囊及砂囊將吞食的土壤污染物和食物粉碎混合，并在體內(nèi)消化吸收，同時(shí)排出的蚯蚓糞中富含氮、磷元素，可以優(yōu)化土壤碳、氮、磷結(jié)構(gòu)[25]，進(jìn)而優(yōu)化土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu). 蚯蚓的活動(dòng)區(qū)域形成了“蚓觸圈”(drilosphere)，“蚓觸圈”內(nèi)微生物和植物的營(yíng)養(yǎng)攝取由于蚯蚓作用均會(huì)得到強(qiáng)化. 除此之外，蚯蚓表皮還可以吸收土壤污染物并在其體內(nèi)富集, 富集效果與污染物的種類有關(guān). 研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對(duì)土壤中Cu具有較好的富集能力[26]，但卻無(wú)法富集Hg[27]. 此外，利用蚯蚓修復(fù)原油污染土壤效果顯著，即使在較高總石油烴濃度(30 000 mg/kg)下，其對(duì)中短鏈?zhǔn)蜔N(＜C21)也可實(shí)現(xiàn)快速富集[28]. 蚯蚓用于修復(fù)農(nóng)藥污染土壤(如阿特拉津、五氯苯酚等)時(shí)，其修復(fù)的核心機(jī)制是調(diào)節(jié)土壤pH和消耗腐殖質(zhì)，以此改善土壤酶活[29].在富集過程中，當(dāng)污染物濃度超過蚯蚓富集能力上限時(shí)，蚯蚓會(huì)借助自身抗逆機(jī)制抑制其積累，已有研究確定了蚯蚓體內(nèi)MTs轉(zhuǎn)錄激活機(jī)制，從機(jī)理上證明了在污染暴露下蚯蚓的抗逆行為[30]. 對(duì)蚯蚓在糞肥有機(jī)質(zhì)土壤中富集鎘、鉻能力的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加反而會(huì)降低蚯蚓對(duì)重金屬的富集效果[31]，這需要在土壤修復(fù)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注.

土壤動(dòng)物本身也具備對(duì)有機(jī)物的代謝能力，但因土壤動(dòng)物代謝作用有限而常被忽略. 例如，蚯蚓可代謝磷酸三丁酯，其代謝方式包括以氧化、脫鹵為主的Ⅰ相代謝和以谷胱甘肽、硫基結(jié)合為主的Ⅱ相代謝過程[32].

此外，經(jīng)蚯蚓消化后產(chǎn)生的蚯蚓糞具有較好的透氣性和持水/排水效果[33]，可提高污染物/營(yíng)養(yǎng)物的水溶性[34]，更易被植物吸收利用.

2 生物聯(lián)合修復(fù)研究

土壤生物聯(lián)合修復(fù)需要在發(fā)揮單一生物修復(fù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，增強(qiáng)其他修復(fù)物種的耐受性及生長(zhǎng)能力，達(dá)到提升總體修復(fù)效果的目的. 生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制見圖1.

圖1 生物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制Fig.1 Combined bioremediation mechanisms

2.1 微生物-植物聯(lián)合修復(fù)

微生物-植物聯(lián)合修復(fù)廣泛存在于土壤環(huán)境中，是生物聯(lián)合修復(fù)的重點(diǎn)研究方向. 植物根際效應(yīng)使根際微生物數(shù)量遠(yuǎn)大于根際之外[35]，從而構(gòu)建起污染物與根系間的微生物“過渡層”. 此類微生物被稱為根際菌(rhizobacteria)，根際菌可與植物產(chǎn)生菌根(真菌)或根瘤(細(xì)菌)等共生關(guān)系. 這類通過改善土壤環(huán)境、誘導(dǎo)植物生長(zhǎng)或削弱植物所受脅迫等促進(jìn)植物生長(zhǎng)的微生物稱為根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR).

微生物-植物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制主要分為兩類：①“功能菌-植物”機(jī)制，是將具有特定修復(fù)功能的微生物與植物聯(lián)用，植物在此過程中提供適宜微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，強(qiáng)化微生物對(duì)污染物的去除能力. 雖存在植物與微生物的共生關(guān)系，但修復(fù)主體為微生物，植物僅作為輔助修復(fù)生物. ②“菌-植物共生”機(jī)制，強(qiáng)調(diào)植物與微生物在污染脅迫下共生以強(qiáng)化植物對(duì)污染物的富集作用，一般在根際附近形成緊密的種間互作關(guān)系，其胞外修復(fù)機(jī)制為植物富集污染物提供條件，植物在微生物的保護(hù)下可減輕污染脅迫，提升長(zhǎng)勢(shì)或污染物去除效果. 該機(jī)制常見于重金屬污染土壤修復(fù)體系.

在“功能菌-植物”土壤修復(fù)機(jī)制中，植物在調(diào)節(jié)根際理化環(huán)境的同時(shí)，會(huì)通過通氣組織為根際菌輸送氧氣和光合作用產(chǎn)物[36]. 植物根際能夠?qū)ξ廴疚锲鸬焦潭ㄗ饔?，碳?xì)浠衔?HCs)的降解主要通過植物根際附著的功能微生物完成. 這一體系的修復(fù)效率與細(xì)菌在植物根際的代謝活性密切相關(guān)[37]. 例如，香根草(Vetiveria zizanioidesL.)與多種原油降解菌聯(lián)合修復(fù)石油污染土壤時(shí)，原油降解效率主要與功能菌有關(guān)，但同時(shí)需要選擇耐受性高的植物以確保微生物的生存條件[38]. 黑麥草可以提升PAHs土著降解菌對(duì)蒽、菲的去除效果[39]，且黑麥草相比大豆(Glycine maxL.)具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，更有利于改變菌群結(jié)構(gòu)，提高污染物降解效果[40]. 微生物植物聯(lián)合修復(fù)研究側(cè)重于利用植物的輔助功能來(lái)提高微生物污染降解能力.

“菌-植物共生”的土壤修復(fù)機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，它主要強(qiáng)調(diào)植物的修復(fù)能力. PGPR能夠幫助植物生長(zhǎng)、抗逆、富集. 微生物可提升污染物的可利用性，如根際菌可釋放螯合劑、氫氧化鐵絡(luò)合物及富里酸等對(duì)金屬進(jìn)行固定或吸收，并減少其在植物中的轉(zhuǎn)移，降低環(huán)境中重金屬的濃度和脅迫作用[41]. 特定的植物-微生物關(guān)系會(huì)促進(jìn)植物對(duì)污染物的利用能力，如葡糖醋桿菌(Gluconacetobacter diazotrophicus)分泌葡糖酸可增加土壤中ZnO和ZnCO3的溶解度[42]. 銅綠假單胞桿菌分泌鼠李糖脂可作為表面活性劑，增強(qiáng)土壤中銅離子的可利用性以達(dá)到去除效果[43]. 此外，微生物強(qiáng)化植物修復(fù)的另一作用機(jī)制為激素調(diào)節(jié)，已知絕大多數(shù)PGPR都可單獨(dú)產(chǎn)生吲哚乙酸(IAA)[44]，IAA可直接刺激植物根莖葉的發(fā)育，少數(shù)微生物可以產(chǎn)生細(xì)胞分裂素以及ACC脫氨酶調(diào)節(jié)植物乙烯含量，從而提升植物抗逆能力. 除分泌激素供植物利用外，根際菌還可刺激植物自身激素分泌水平，如芽孢桿菌(Bacillussp.)作為根際菌時(shí)，可促使甘藍(lán)幼苗分泌水楊酸和IAA，促進(jìn)其自身生長(zhǎng)[45]；同時(shí)，根際菌還可改變植物抗氧化體系. 研究表明，在重金屬脅迫下，根際菌可使植物體內(nèi)抗過氧自由基酶基因表達(dá)上調(diào)，以及過氧化氫酶(catalase，CAT)和過氧化物酶(peroxidase，POD)含量增加[46].

在實(shí)際研究過程中植物-微生物聯(lián)合修復(fù)應(yīng)根據(jù)污染物類別來(lái)確定修復(fù)主體及機(jī)制. “功能菌-植物”修復(fù)需保證微生物最大化地發(fā)揮修復(fù)作用，并利用植物輔助構(gòu)建根際功能區(qū)，有利于優(yōu)勢(shì)功能降解菌的生長(zhǎng). “植物-菌共生”修復(fù)需在保證植物生長(zhǎng)的前提下發(fā)揮微生物作用，更適合于修復(fù)能夠依靠植物代謝、富集、蒸騰作用去除的污染物. 微生物在高污染土壤中通常比植物的適應(yīng)性更強(qiáng)，植物根際為微生物提供生存環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)，二者共同發(fā)揮修復(fù)作用.

2.2 植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)

植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)最早應(yīng)用于農(nóng)學(xué)領(lǐng)域，無(wú)脊椎動(dòng)物在土壤和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)改善方面都具有積極作用.相比植物與微生物聯(lián)合修復(fù)，植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)沒有過于復(fù)雜的修復(fù)機(jī)制，多因各自活動(dòng)區(qū)域重合而互相產(chǎn)生影響. 以蚯蚓為代表的土壤動(dòng)物與植物聯(lián)合修復(fù)研究分為“蚓體-植物”和“蚓糞-植物”兩個(gè)方向.

“蚓體-植物”研究以蚯蚓生理活動(dòng)改善土壤并為植物提供養(yǎng)分為原理. 隨著蚯蚓掘穴、進(jìn)食消化等過程的進(jìn)行，植物根際范圍土壤會(huì)被優(yōu)化[47]. 蚯蚓掘穴后出現(xiàn)的孔道可以提升土壤孔隙度并改變土壤容重，為植物根系的水氣交換提供有利條件[24]. 蚯蚓生理活動(dòng)還可加快土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，并補(bǔ)充植物生長(zhǎng)過程中缺乏的氮磷元素. 其中，蚯蚓進(jìn)食過程中可利用土壤中碳元素進(jìn)行自身代謝，并使土壤C/N逐漸降低，蚯蚓糞和殘?bào)w分解可以為植物生長(zhǎng)提供氨態(tài)氮[48]. 蚯蚓腸道可將土壤中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為易被植物吸收的速效磷[49]. 這些作用可明顯增強(qiáng)植物長(zhǎng)勢(shì)和污染去除效果，如蚯蚓可增加銅脅迫下黑麥草的地上生物量[50]；赤子愛勝蚓(Eisenia foetida)提升了過氧化氫酶的活性，強(qiáng)化了鳳仙花和紫茉莉?qū)κ蜔N的降解[51].

“蚓糞-植物”聯(lián)合修復(fù)過程中，蚯蚓糞因具有均質(zhì)多孔、通氣性好、產(chǎn)量與表面積大等優(yōu)勢(shì)，可供給植物較多的可溶性鹽和腐殖質(zhì)，以改善原有土壤營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和污染物的可利用性. 蚯蚓無(wú)法富集的污染物將通過蚯蚓糞便排出體外. 如利用蚯蚓糞與印度芥菜聯(lián)合修復(fù)Zn、Pb污染土壤，可以提高芥菜生物量，并增加重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[52].

植物根際菌、根際有機(jī)碎屑等可為蚯蚓提供食物來(lái)源，有植物環(huán)境下蚯蚓的體長(zhǎng)及生長(zhǎng)效率均會(huì)得到提升[51]. 植物根際對(duì)蚯蚓、線蟲等土壤動(dòng)物釋放不同的氣味信號(hào)，動(dòng)物依靠信號(hào)甄別植物根際的可食用性[53]. 蚯蚓等腐食動(dòng)物傾向于食用落敗葉片和根莖，不會(huì)破壞植物根系.

2.3 微生物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)

微生物與動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制可按照動(dòng)物搬運(yùn)攝食和消化排泄兩階段進(jìn)行分類研究.

在搬運(yùn)攝食階段，土壤動(dòng)物會(huì)通過運(yùn)動(dòng)和攝取食物來(lái)改善微生物群落結(jié)構(gòu)以提升降解效果. 蚯蚓體表可以攜帶大量細(xì)菌，從而使移動(dòng)能力差的微生物擴(kuò)展了生存空間，并沿著蚯蚓移動(dòng)軌跡進(jìn)行傳播. 有研究提出，利用蚯蚓構(gòu)建土壤菌群的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并可以同時(shí)增強(qiáng)微生物與植物的聯(lián)合修復(fù)過程[54]. 蚯蚓更傾向于攝食真菌，同時(shí)也以細(xì)菌、放線菌、藻類等為食[48].所有被攝食的微生物都會(huì)通過動(dòng)物腸道經(jīng)歷“篩選”過程，其中優(yōu)勢(shì)菌種在營(yíng)養(yǎng)豐富的蚯蚓腸道內(nèi)富集，并聚集在蚯蚓糞便中返回土壤，完成間接“搬運(yùn)”過程，該過程中土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變. 經(jīng)蚯蚓作用過的異丙甲草胺污染土壤中其殘留量明顯降低，土壤脲酶、脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性顯著提升，土壤因污染改變的微生物種群結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)，進(jìn)一步強(qiáng)化了優(yōu)勢(shì)菌種的生存能力和污染降解能力[55].

在消化排泄階段，土壤動(dòng)物的消化過程會(huì)為微生物提供可利用性高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，蚯蚓腸道內(nèi)主要元素碳、氮、磷、硫分別為土壤環(huán)境中的2～5倍. 經(jīng)過攝食但未能通過腸道的微生物，一部分會(huì)被蚯蚓消化成為其能量來(lái)源，另一部分會(huì)成為蚯蚓腸道缺氧環(huán)境內(nèi)的定殖細(xì)菌，參與蚯蚓的消化作用，從而形成寄生關(guān)系. 蚯蚓腸道內(nèi)的菌群種類主要取決于腸道內(nèi)的氧氣含量和養(yǎng)分[34]，通過對(duì)比腸道環(huán)境、蚯蚓糞便及土壤環(huán)境中的微生物種群發(fā)現(xiàn)，蚯蚓腸道內(nèi)具有更加豐富的缺氧菌群[56]，腸道內(nèi)微生物同樣具有去除污染物的功能. 阿特拉津(atrazine)污染土壤中蚯蚓可以促進(jìn)放線菌生長(zhǎng)，且其腸道內(nèi)菌群可直接降解阿特拉津[57]. 蚯蚓腸道細(xì)菌對(duì)重金屬也有較強(qiáng)的富集能力和污染抗性，能夠轉(zhuǎn)化利用溶解態(tài)磷酸鹽與金屬離子絡(luò)合產(chǎn)生沉淀[58]. 在銅、鋅污染脅迫下的蚯蚓腸道內(nèi)菌群與綠豆植株進(jìn)行共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)腸道菌群除具有減輕脅迫和增溶磷酸鹽的特性外，還可以分泌促植物生長(zhǎng)因子[59]. 蚯蚓糞便中的微生物相比于腸道富集微生物的活性更強(qiáng)，能夠分泌更多包括小分子氨基酸、維生素以及植物激素等在內(nèi)的活性物質(zhì)，這些物質(zhì)有利于微生物和植物生長(zhǎng)，進(jìn)而提高修復(fù)效果[54].

2.4 生物聯(lián)合修復(fù)效果對(duì)比

影響生物聯(lián)合修復(fù)效果的因素十分復(fù)雜. 筆者分析了可精確量化土壤修復(fù)效果的修復(fù)物種、耐受濃度和修復(fù)時(shí)間等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)單位進(jìn)行了歸一化處理，生物聯(lián)合修復(fù)常見重金屬(生物轉(zhuǎn)化)和有機(jī)物污染(生物去除)土壤方面的主要研究成果總結(jié)見表1、2.

由表1可見，近年來(lái)針對(duì)重金屬污染聯(lián)合修復(fù)的研究以植物和微生物聯(lián)合修復(fù)為主，對(duì)已有研究的重金屬轉(zhuǎn)化效果進(jìn)行整理可知，生物聯(lián)合修復(fù)針對(duì)Pb、Cd的研究較多，Cu、Zn相對(duì)于Pb、Cd而言更難被生物轉(zhuǎn)化. 景天、黑麥草、堿蓬、印度芥菜等植物用于聯(lián)合修復(fù)效果較好. 根瘤菌屬和芽孢桿菌屬在多種重金屬污染土壤修復(fù)中應(yīng)用廣泛. 根據(jù)“菌-植物共生”修復(fù)機(jī)制，以上菌屬可有效提升植物對(duì)重金屬土壤修復(fù)作用. 相比于植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)效果更好，Cu污染土壤在微生物-植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)下效果最好，說明構(gòu)建三者聯(lián)合修復(fù)體系有利于修復(fù)效果的進(jìn)一步提升.

表1 重金屬污染物生物聯(lián)合修復(fù)成效匯總Table 1 The effectiveness by combined biological remediation of heavy metal

由表2可見，生物聯(lián)合修復(fù)有機(jī)物污染土壤以植物-微生物聯(lián)合修復(fù)為主. 有機(jī)物的降解更多地符合“功能菌-植物”修復(fù)機(jī)制，微生物是發(fā)揮修復(fù)功能的主體，其中芽孢桿菌和假單胞菌是最常見的功能菌. 對(duì)比不同修復(fù)方法對(duì)PAHs的修復(fù)效果可以發(fā)現(xiàn)，微生物-植物-動(dòng)物聯(lián)合體系的修復(fù)效果最好，表明構(gòu)建三者聯(lián)合的修復(fù)體系有利于提升有機(jī)污染物的去除效果.

表2 有機(jī)污染物生物聯(lián)合修復(fù)成果匯總Table 2 The effectiveness by combined biological remediation of organic pollutant

續(xù)表 2

3 結(jié)論與展望

a) 單一生物修復(fù)與生物聯(lián)合修復(fù)具有不同的修復(fù)機(jī)制，后者為污染物的去除和轉(zhuǎn)化提供了更多途徑. 其中植物富集作用是修復(fù)重金屬污染土壤的主要途徑，同時(shí)植物作為修復(fù)系統(tǒng)的“骨架”，通過光合作用不斷為微生物和動(dòng)物提供能量. 在聯(lián)合修復(fù)作用中，如何降低污染脅迫并提高植物長(zhǎng)勢(shì)是重金屬污染修復(fù)過程中發(fā)揮植物功能的關(guān)鍵. 微生物借助自身有機(jī)物降解能力，在聯(lián)合修復(fù)有機(jī)污染土壤中發(fā)揮主要“承擔(dān)者”的作用，需要篩選關(guān)鍵功能微生物并為其提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和良好的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的高效降解. 土壤動(dòng)物作為系統(tǒng)環(huán)境中的“搬運(yùn)者”和“調(diào)節(jié)者”，通過不斷調(diào)節(jié)土壤環(huán)境中的元素組成，為植物和微生物營(yíng)造適宜生長(zhǎng)的環(huán)境條件.

b) 影響生物聯(lián)合修復(fù)的主要因素是植物和微生物類型，今后應(yīng)針對(duì)具有特定污染物降解轉(zhuǎn)化能力的植物和微生物進(jìn)行篩選和評(píng)價(jià)，豐富可高效修復(fù)土壤重金屬和有機(jī)物污染的生物資源. 此外，微生物-植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)潛力巨大，但相關(guān)修復(fù)機(jī)制仍不明確，今后應(yīng)從污染物在生物與環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律出發(fā)，進(jìn)一步探究三者對(duì)不同污染物轉(zhuǎn)化或去除的協(xié)同作用機(jī)理，同時(shí)更應(yīng)關(guān)注重金屬-有機(jī)物復(fù)合污染的修復(fù)過程，為復(fù)雜污染土壤生物聯(lián)合修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)奠定基礎(chǔ).