植物修复土壤重金属污染中外源物质的影响机制和应用研究进展

重金属进入土壤后难以被降解,并通过食物链在生物体内富集,长此以往会导致中毒、癌症、畸形、突变,严重影响了人类生产活动及地球生态系统的稳定。植物修复技术是一种经济有效的重金属污染修复技术,其依靠超富集植物强大的自身抗性机制,从土壤中提取或稳定重金属,达到污染治理的目的。然而修复土壤重金属污染的超富集植物通常生长缓慢、生物量低,其抗性机制也会受到植物本身对重金属胁迫的阈值限制,当胁迫超过这个阈值,植物修复的效率就会大大降低甚至失去修复功能。文章在解析植物重金属相互作用机制的基础上,综述了添加外源物质对重金属毒害植物的缓解效应以及其在强化植物修复土壤重金属污染中的应用研究进展;介绍了应用外源物质调控植物吸收转运重金属的3种途径,分别为提高土壤重金属生物利用度、促进植物生长以及增强植物耐性。提出了应用外源物质作为强化植物修复措施的潜力及今后的研究方向,其未来的研究应着重于以下方面:明确外源物质的应用浓度、时期、方式与植物吸收转运重金属之间的关系;从植物内源激素及信号分子间的互作、抗逆基因表达、内生及根际微生物等不同层面上揭示外源物质对植物积累重金属的调控机理;开展外源物质与其他植物修复强化技术的联合应用研究。这些研究可为土壤重金属污染的植物修复技术及其强化措施研究提供科学依据,同时也对植物修复工程技术的发展实践具有一定的指导意义。     

土壤多环芳烃污染根际修复研究进展

多环芳烃(polycyclicaromatichydrocarbons,PAHs)是环境中普遍存在的具有代表性的一类重要持久性有机污染物,具“三致性”、难降解性,在土壤环境中不断积累,严重危害着土壤的生产和生态功能、农产品质量和人类健康。修复土壤多环芳烃污染已成为研究的焦点。根际修复是利用植物-微生物和根际环境降解有机污染物的复合生物修复技术,是目前最具潜力的土壤生物修复技术之一。对国内外学者近年来在土壤多环芳烃污染根际修复的效果、根际修复机理和根际修复的影响因素方面的研究进展作了较系统的综述,并分别分析了单作体系、混作体系、多进程根际修复系统和接种植物生长促进菌根际修复系统对土壤多环芳烃的修复效果。指出根际环境对PAHs的修复主要有3种机制:根系直接吸收和代谢PAHs;植物根系释放酶和分泌物去除PAHs,增加根际微生物数量,提高其活性,强化微生物群体降解PAHs。并讨论了影响根际修复PAHs的环境因素如植物、土壤类型、PAHs理化性质、菌根真菌以及表面活性剂等。植物-表面活性剂结合的根际修复技术、PAHs胁迫下根际的动态调节过程、运用分子生物学技术并结合植物根分泌物的特异性筛选高效修复植物以及植物富集的PAHs代谢产物进行跟踪与风险评价将成为未来研究的主流。     

植物对土壤重金属镉抗性的研究进展

各种人类活动,如采矿、制革、冶炼、污水灌溉等引起土壤和水体重金属污染,严重威胁着植物生长和人类健康。重金属镉污染是其中最常见的一种。该文描述了受重金属镉胁迫时植物的生理机制及各种抑制表现,如线粒体的裂解,细胞的生长分裂、水分的吸收、光合作用受到抑制等;同时也从微生物和细胞分子生物学方面分析了植物对重金属胁迫的应对策略,它依赖于植物本身和周围生存微环境的通力合作,主要包括降低对重金属的利用、控制重金属的吸收、螯合重金属、促进重金属的排出、区室化重金属和对重金属诱导的活性氧基团进行解毒等几条途径。另外,植物体对土壤环境中重金属镉的吸收、转运和解毒是一个精密的调控过程,参与重金属吸收和排出的转运蛋白在整个调控过程中发挥关键作用,参与了吸收、螯合、区室化和代谢利用等关键步骤。非必需重金属转运蛋白分重金属吸收蛋白和重金属排出蛋白2大类,吸收蛋白主要有AtNRAMP、ZNT和OsIRT等,能够通过某一种或几种阳离子转运载体蛋白运输至植物体内;排除蛋白主要包括P1B型ATP酶、阳离子转运促进蛋白家族(CDF)和三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporter,ABC转运蛋白)3大蛋白家族,主要将重金属转运出细胞质或者将重金属转运进入植物体内的细胞器,转运蛋白在植物耐受重金属胁迫中起着积极的防御作用。该文探讨了植物对重金属镉胁迫的各种抗性机制,可为土壤重金属镉污染的修复如微生物修复、植物修复等提供一定的理论依据和应用指导。     

菌根技术在重金属污染修复中的研究与展望

菌根技术作为一种生物新技术对于重金属污染土壤的生物修复正在为全球环境工作者所关注。在土壤中菌根及其庞大的菌丝体网可以分泌大量的生物化学物质，改变植物根际环境及重金属的存在状态或降低重金属的毒性；还可以通过在植物体内的累积以及菌根真菌菌丝体的螯合等各种机制，实现对重金属的提取和固定，达到菌根重金属修复的目的。文章通过讨论菌根植物对重金属修复的作用机制，提出今后菌根技术在重金属植物修复中的新思路；认为应在通过广泛调查、筛选超积累菌根植物的基础上，不断探索植物一微生物一菌根体系修复问题，同时认为应将基因工程引入菌根植物的重金属修复研究中，以促进土壤重金属污染的生物修复。     

根际环境与土壤污染的植物修复研究进展

土壤污染的植物修复通常与植物根际微生物紧密相关。根际微生物群落变化与土壤污染物在根际环境中的动态，可能是对土壤污染成功进行植物修复的基本过程。可见根际环境在土壤污染的植物修复中具有明显的重要作用。文章介绍了有关重金属在根际环境中的动态、有机污染物在根际环境中的降解转化、土壤重金属污染与土壤有机污染的植物修复研究进展。     

根际微生物增强宿主植物耐铬能力生理机制研究进展

植物根际有大量微生物,其中一部分微生物,如根际促生菌、丛枝菌根真菌、非麦角属内生真菌和外生菌根真菌,在改善宿主营养状况,缓解宿主由于旱涝、盐分和重金属等环境胁迫导致的危害中起到重要作用.笔者将以这4种根际微生物为例,综述它们提高宿主植物耐铬性的内在机制,如通过促进宿主生长、降低根际土壤中铬的有效性、降低铬从根系向叶片的转运以及利用自身组织固持铬等,直接或间接地提高植物对铬的耐受能力,展现出多样且互有差异的功能.同时,笔者提出了铬在根际微生物与宿主的共生体系内转运和解毒行为的分子和生理机制上的不足,并对未来根际微生物互作的研究内容提出了展望.     

丛枝菌根对土壤-植物系统中重金属迁移转化的影响

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是一类在自然和农业生态系统中广泛存在并能与多数陆生植物形成共生关系的土壤真菌,在重金属污染土壤中对宿主植物的生长及吸收累积重金属具有重要影响,因而对污染土壤的生物修复具有潜在应用价值。以重金属从根际土壤进入植物并在植物体内再分配过程为主线,介绍丛枝菌根在这一过程中对重金属环境行为,特别是根际土壤中重金属赋存形态及植物吸收重金属的影响。最后,对丛枝菌根影响植物重金属耐性机制研究前沿和菌根修复技术的应用前景进行展望。     

根际环境的调节与重金属污染土壤的修复

根际环境的pH和Eh会产生影响土壤中重金属的化学过程。pH的变化影响到重金属的固定和活化，根际的酸化能够活化大多数重金属，使其毒性增强；反之，则固定大多数重金属，减轻其毒性。Eh的变化可改变重金属的价态和存在形态，使其毒性减弱或增强。根分泌物可从多方面影响金属的毒性和有效性，如改变根际环境的pH值和Eh来改变金属的存在形态和活度；与金属络合或者吸附、包埋金属污染物；通过影响根际微生物特征来改变金属的毒性。根际环境中微生物能改变金属离子存在形态，其代谢产物能对金属离子产生沉淀、螯合等作用。土壤脲酶对重金属污染最敏感，可以用于监测土壤重金属污染。调控根际环境，可以有效地调节土壤中重金属污染物的活度、毒性及其转移，对重金属污染土壤起到修复作用。     

农田土壤重金属污染阻控技术研究进展

土壤重金属污染阻控技术主要是指通过化学行为将重金属钝化在土壤中,或利用植物生理作用,喷施各种阻隔剂抑制重金属在植物体内的流动,或通过水分管理、深耕等农艺措施调控重金属进入植物体内的行为。其中,钝化技术主要是向土壤中添加钝化剂,通过吸附、沉淀、络合、离子交换和氧化还原等一系列反应,降低重金属污染物的生物有效性和可迁移性,从而达到修复目的的方法;阻隔技术通常指通过向农作物喷施肥料以调节其生理代谢,从而降低农作物对重金属的吸收或降低重金属向作物可食用部位的转运。而作物从土壤中吸收重金属,不仅取决于土壤中重金属的含量,还受到土壤性质、肥料种类、作物种类、水分条件及耕作制度的影响,因此,合理改善上述条件,可有效抑制重金属活性,降低其生物有效性。土壤重金属污染阻控技术具有处理成本低廉、效果明显、操作简单和不影响农作物生产等优点,是土壤重金属污染治理的重要手段之一,是当前世界范围内的研究热点,亦是一种治理土壤重金属污染的环境友好技术。文章主要介绍和评述了土壤重金属污染阻控技术的原理、类型、技术优点及进展情况,并对今后的研究重点进行了简要的讨论。     

2种入侵植物对根际土壤微生物种群及代谢的影响

选取2种入侵植物（一年蓬Annual Fleabane及加拿大蓬Erigeron Canadensis）及本土植物（艾蒿Artemisia argyi）的根际土壤微生物种群为研究对象,以分析不同根际土壤微生物种群的数量及测定根际土壤微生物酶活的活性为切入点来探析入侵植物对土壤微生物的影响及其响应机制。结果显示：2种入侵植物显著增加了其根际土壤中的细菌的数量,而显著抑制了真菌与放线菌的数量。另外,入侵植物一年蓬显著抑制其根际土壤中纤维素酶的活性,而3种植物的根际土壤硝酸还原酶活性无显著差异。入侵植物对其他3种土壤酶（即转化酶、脲酶及酸性磷酸酶）活性的影响却呈现出截然相反的影响,即一年蓬显著增加了3种根际土壤酶的活性,而加拿大蓬却显著减少了3种根际土壤酶的活性。导致这种现象的原因可能是不同入侵植物的根系释放不同的化学物质进而对土壤微生物的数量和活性造成不同的影响。     

PGPR生物肥对甜樱桃(Cerasus pseudocerasus)根际土壤生物学特征的影响

利用保绿法和萝卜子叶增重法从7年生甜樱桃[Cerasus pseudocerasus(Lindl.)G.Don]根际土壤中,筛选具有促生作用的植物根际促生细菌YT-3(PGPR),以发酵好的鸡粪(DCM)为吸附载体制成甜樱桃专用的PGPR生物肥料(YMF),对比研究了YMF、普通生物肥(NMF)和DCM对樱桃根系和根际土壤生物学特征的影响.结果表明:YMF显著增加了根际土壤中细菌数量和微生物总量,真菌数量明显减少,但对放线菌数量影响差异不显著.YMF处理根系活力分别比NMF、DCM和CK提高了22.49%、13.25%和15.33%.PGPR生物肥料对樱桃根系生长和构建影响显著,YMF处理0～40 cm土壤剖面中根系重量尤其是毛细根重量显著增加.同NMF处理相比,YMF处理根际土壤的pH降低8.61%,阳离子代换能力显著提高.此外,YMF处理显著增加了根际土壤中养分离子的有效性,速效磷和有效钾含量分别增加17.21%和9.56%,但碱解氮含量差异不显著.因此,PGPR生物肥的施用在一定程度上改善了根际土壤的生态环境,提高了根际土壤中养分离子的有效性和养分保持能力,提高了根系活力,促进了表层土壤中(主要为0～40 cm)根系尤其是毛细根的生长.     

丛枝菌根-植物修复重金属污染土壤研究中的热点

随着菌根研究和植物修复技术的发展,利用丛枝菌根强化重金属污染土壤的植物修复逐渐受到人们的重视。本文系统综述了当前的几个研究热点:(1)菌根植物吸收和转运重金属的分子机制;(2)AM真菌对超富集植物重金属吸收的影响及其机制;(3)AM真菌对转基因植物重金属吸收的影响及其机制;(4)AM真菌与其他土壤生物在植物修复中的复合作用;(5)丛枝菌根与化学螯合剂在植物修复中的复合作用;(6)重金属复合污染土壤的丛枝菌根-植物修复;(7)放射性污染土壤的枝菌根-植物修复;(8)丛枝菌根-植物修复的田间试验研究。在未来的丛枝菌根-植物修复研究中,要筛选优良的宿主植物和与之高效共生的AM真菌,加强相关理论和应用基础研究,并构建高效基因工程菌。     

蜈蚣草-玉米套作模式对玉米砷胁迫的缓解效应

超富集植物与农作物套作修复重金属污染农田的效应尚需进一步探讨。作者课题组前期的研究结果表明蜈蚣草(Pteris vittata)-玉米(Zea mays)套作模式下玉米对砷的吸收显著减弱,为探明其生理作用机制,该研究采用土培试验,设置单作、限制性套作、开放性套作3种处理,及水培试验,设置玉米单作、蜈蚣草-玉米套作2个处理,探讨了套作模式对玉米生长、根际土壤As生物有效性、根系分泌有机酸及抗氧化酶活性等的影响。结果表明:限制性套作和开放性套作对玉米产量无显著影响,开放性套作下玉米总根长和总表面积显著降低16.25%和19.61%,而根系平均直径显著增加24.24%;玉米根际土壤有效态As含量分别显著降低9.1%和9.3%。与单作相比,套作模式下玉米根系的乙酸和草酸的分泌量分别显著增加844.68%和59.49%,且与根、茎、叶及籽粒As含量呈显著负相关;玉米SOD(Superoxide Dismutase)和CAT(Catalase)活性分别显著降低18.21%和44.67%,MDA(Malondialdehyde)含量显著降低21.51%。蜈蚣草-玉米套作模式改变了玉米根系形态,促进玉米根系有机酸的分泌,并显著降低了玉米根际土壤中As的生物有效性,缓解了As胁迫带来的活性氧损伤。该研究将为农田污染土壤的修复及作物安全生产提供技术指导。     

根际养分活化与吸收过程的定量模拟研究进展

在论述植物根系作为养分的主动吸收槽．对根际养分生物有效性产生重要作用的前提下，本文扼要讨论了根际pH值变化、根分泌螯合物与还原性物及根际微生物在根际土壤养分活化中的作用过程，并重点评述了有关养分活化与吸收模拟模型的研究进展与发展趋势．     

氮肥管理对植物镉吸收的影响

农业土壤镉(Cd)污染是中国面临的一个严峻的环境问题。由于Cd是一种有毒有害的重金属元素并且非常容易被植物吸收利用,因此使得土壤生态环境和作物安全生产面临很大的挑战。氮(N)是植物生长必需的大量营养元素,在农业生产中氮肥施加是一项重要的农艺措施。文章综述了氮肥管理对Cd污染土壤中植物Cd吸收的影响,并从氮肥对土壤中Cd有效态影响、对植物抗氧化系统影响和分子机制3个方面阐述氮肥影响植物Cd吸收的机理。当前研究结果表明:氮肥管理影响了植物Cd吸收,不同形态氮肥对不同植物及不同土壤条件下的植物Cd吸收的影响差异明显,氮肥通过对植物的生理特性和土壤理化性质产生作用进而影响植物Cd的吸收。因此,可以根据不同土壤和植物种类,合理调控氮肥施用,达到修复土壤和作物安全生产的目标。今后应注重对复杂环境变量条件下氮肥最佳调控方法的探索,进一步深入研究氮肥施用条件下植物根际微环境理化性质、植物生理特性和植物Cd含量的相互作用关系,找出氮肥影响植物Cd吸收的关键生理过程和关键控制基因,进而指导在Cd污染土壤中氮肥的精准施加。     

铅污染矿区中耐铅解磷菌对玉米的促生及根际铅的固化效应

矿产资源的开采、冶炼活动造成了一定的生态环境问题,土壤中可溶性重金属随着地表径流和地下渗透造成矿区和周边农田重金属污染。而矿区中土壤微生物对重金属具有一定耐性,研究微生物对植物根际微生态环境的改善作用具有重要意义。在矿区废弃地土壤中筛选耐铅（Pb）解磷菌的基础上,将含有菌株分泌物的上清液、菌液、发酵液（上清液+菌株）分别施用到玉米（Zea mays L.）根际土壤中,对比三者对玉米的促生效果及根际土壤铅的形态变化,探究解磷菌对玉米的促生机制及其对土壤铅的固化作用。所筛菌株被鉴定为巴氏克雷伯菌（Klebsiella pasteurii）,其通过分泌乙酸、乳酸、酒石酸和草酸对Ca3(PO4)2的溶磷率为26.5%,并能分泌生长素（IAA）。在玉米根际土壤中施用菌株的上清液、菌液和发酵液后,较对照组玉米株高、茎直径、地上与地下生物量均显著增加,其中施用发酵液组增幅最高,较对照组分别增加了128%,216%、266%、147%。同时,3个处理组中玉米地上生物量中铅含量分别降低68.6%、58.1%、70.1%,地下部铅含量分别降低119%、36.7%、39.5%。施用菌株上清液、菌液和发酵液后...     

增温对高寒灌丛土壤呼吸不同组分的影响机制

陆地生态系统土壤呼吸对气候变暖的响应研究方面目前还没有一致的结论,其原因可能为土壤呼吸不同组分对土壤温度变化的敏感性及相应的非生物和生物机制存在显著差异。文章分别从非生物因素和生物因素系统地论述了增温对青藏高原东部窄叶鲜卑花(Sibiraea angustata)高寒灌丛土壤呼吸不同组分的影响机制,发现增温可通过提高土壤微生物群落和植物根系的生理活性直接促进土壤异养呼吸和根系呼吸。同时增温能通过改变非生物因子影响土壤呼吸各组分速率,如增温显著提高土壤养分含量和土壤酶活性,进而间接促进土壤呼吸;而增温引起土壤水分含量较小程度的降低不足以抑制土壤呼吸过程。增温还能通过改变植物群落生产和土壤微生物群落结构等生物因子影响土壤呼吸各组分速率,如增温导致植物细根生产量、死亡量和分解速率提高,非根际土壤微生物生物量与活性增加;增温还导致土壤微生物功能群向革兰氏阳性菌和放线菌群落转变,从而导致土壤微生物对土壤惰性有机碳的利用增加。受根际土壤可利用碳含量较高的影响,根际微生物呼吸对增温的响应不敏感,增温对根际微生物生物量的影响也不显著。由此可见,在青藏高原东部高寒灌丛生态系统中,气候变暖将通过改变非生物与生物因子影响土壤呼吸等碳释放过程。以上结果有利于更加全面地认识全球气候变暖背景下高寒灌丛土壤碳循环过程。     

皇竹草对土壤阿特拉津的修复作用

通过盆栽试验探讨了种植皇竹草（Pennisetum hydridum）对阿特拉津污染土壤的修复效果,阿特拉津对皇竹草生长的影响,以及皇竹草对土壤微生物数量的影响,以期为阿特拉津污染土壤的植物修复提供参考。结果表明：在≤200 mg.kg-1质量分数范围以内,种植皇竹草对土壤阿特拉津的初期降解效率比对照明显提高,最大提高了29.64%,达到显著或极显著差异;阿特拉津质量分数在≤200 mg.kg-1范围内对皇竹草株高没有影响,≤50 mg.kg-1质量分数范围内对生物量没有影响,根冠比变化不明显;随阿特拉津质量分数的增加皇竹草根际和非根际土壤中的细菌、真菌、放线菌数量均呈先增加后减少的趋势,在质量分数为100 mg.kg-1时达到最大,根际土壤中细菌和放线菌数量明显高于非根际土壤,真菌数量在根际与非根际土壤中变化不明显。说明种植皇竹草有助于阿特拉津降解效率的提高,且与种植皇竹草后改变了土壤微生物数量及皇竹草的生长状况有关。     

镉钝化细菌对水稻幼苗镉吸收的影响

为了解根际重金属钝化微生物对作物生长及土壤重金属吸收的影响,将来源于镉(Cd)污染水稻土的镉钝化细菌枯草芽孢杆菌CDR-1、雷氏普罗威登斯菌CDR-2、阿耶波多氏芽孢杆菌CDR-3分别接种到水稻幼苗根际,通过测定水稻苗的生长、生物量及镉含量来分析根际镉钝化细菌对水稻生长及镉吸收的影响.结果显示,镉钝化细菌CDR-1、CDR-2、CDR-3的Cd~(2+)最低抑制浓度分别为200、200、400 mg/L,其在20 mg/L Cd~(2+)溶液中的镉钝化率均达到100%,且随Cd~(2+)浓度的上升镉钝化率呈现下降趋势.在5和10 mg/L Cd~(2+)胁迫下,这3株细菌对水稻幼苗的生长有不同程度的影响,并都能显著降低水稻幼苗根和地上部分的镉含量,其中CDR-1对水稻幼苗的促生降镉作用最优;在0.5、1和2mg/kgCd~(2+)胁迫下,CDR-1仍然能显著促进水稻幼苗生长,增加水稻幼苗生物量,并能使水稻幼苗根和地上部分的镉含量降低34.88%-61.63%.本研究表明Cd~(2+)钝化细菌能够显著降低水稻幼苗的镉吸收量,Cd~(2+)钝化促生细菌CDR-1可应用于镉污染农田土壤的生物修复.(图4表3参30)     

干旱胁迫对植物根际环境影响的研究进展

全球气候变化下频发的干旱灾害已成为一个世界范围内的重大气候问题.根际环境是植物适应极端环境的有效方式之一,探讨干旱胁迫下根际环境改变及其与植物抗逆性和生产力的关系,已逐渐成为包括植物营养学、植物生理学、土壤学、微生物学等多学科的研究热点.本文在介绍干旱的严重性及根际环境的重要性的基础上,根据近年来国内外关于干旱对植物根际环境影响的研究成果,重点阐述干旱胁迫对植物根系分泌物的组成和含量、根际土壤碳氮磷养分状况、根际土壤酶活性及根际微生物数量和种群结构的影响,结果表明干旱胁迫不仅会提高植物根系分泌物的数量,改变其组成,而且会改变根际土壤酶活性及土壤微生物群落结构多样性与功能,同时也会改变土壤养分的循环与可利用性,从而影响植物生长,且这些改变会因植物种类、植物所处发育阶段、干旱胁迫强度与时间等的不同而异;但这些研究仅从现象上对其变化趋势进行了探究,目前对其相关机理性的研究仍非常缺乏、不够系统深入.未来应结合一些现代的新技术和方法,从根际化学信号及微生物组学的细微尺度上,加强干旱胁迫及其与其他环境胁迫耦合下植物根际环境变化与机理的系统深入研究,对丰富和推进植物对干旱逆境的适应与响应机理性的认识具有重要意义.(参91)