土壤微生物及蚯蚓辅助松树修复Cr污染土壤的研究(2)
植物修复技术根据其作用机理可以分为植物提取、植物挥发和植物稳定[2]。传统的植物修复是依赖于超积累植物的超富集能力，即植物提取，利用吸收重金属能力强的超积累植物富集重金属，并通过收获植物来达到清除重金属的目的。虽然有一些超积累植物可以同时积累多种重金属，但随着研究的深入，人们发现超累积植物存在种种不足，如超积累植物的植株矮小、生长缓慢以及根系扩张范围比较局限，再加上单一超积累植物不能适应所有的气候、土壤环境，限制了超累积植物的重金属累积量，也不利于大面积的机械化操作，很难具有实际应用价值[3, 4]。同时，某些重金属的生物有效性很低，能够被植物直接利用的量很少。因此如何提高重金属污染土壤中植物的生物量、重金属生物有效性、以及重金属从根部到茎叶的转移率成为植物修复需要解决的关键问题。目前，利用其他手段辅助生物量大或生长速度快的非超积累植物提高重金属在植物体内的累积量, 以提高植物修复效率的技术备受关注，比如根际促生菌-植物、菌根真菌-植物以及土壤动物-植物的联合修复[5-7]。
植物根际促生细菌(Plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR)是指依附在植物根际表面，生长于植物根际土壤微环境中，能够促进植物生长的一类细菌的总称[8]。植物根际促生菌能通过产生1－氨基－1－羧基环丙烷脱氨酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase，ACCD）来缓解植物对重金属的应激反应。ACCD能分解1－氨基－1－羧基环丙烷（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC），而ACC是是植物合成乙烯的前体。植物在应激状态下产生大量乙烯，大量的乙烯对植物根的伸长、侧根生长和根毛形成有抑制作用，而植物促生菌则通过减少植物乙烯的合成来提高植物的生物量[9]。同时，植物根际促生菌可以产生低浓度的植物生长激素3－吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）促进植物主根的生长[10]。此外，一些植物根际促生细菌产生细胞分裂素和赤霉素，可以刺激各种植物的生长，并在胁迫和非胁迫条件下改变植物的形态[11]。通过降低土壤pH，释放螯合剂，磷的增溶或氧化还原变化，增加重金属和营养物质的运输、溶解性和有效性，植物根际促生细菌可以改善植物提取的效率。在所有的这些植物根际促生细菌产生的代谢物中，铁载体在重金属的移动和积累中有着显著的作用[12, 13]。总的说来，植物根际促生细菌主要通过增加植物的生物量以及提高土壤中重金属的生物有效性来提升植物修复的效率。
菌根(Mycorrhizae)是土壤真菌与植物营养根结合形成的一种互惠互利的共生体, 广泛存在于自然界中[14]。自从1885年Frank首先发现了土壤中一类与植物根系共生的真菌，并将这种真菌与植物根系的共生体称为菌根[15] 。根据菌根真菌的菌丝体在寄主根部形成的形态结构，以及它们同寄主之间的营养关系，可以将菌根真菌分为3种类型：外生菌根（ectomycorrhizae）、内生菌根（endomycorrhizae）和内外生菌根（ectoendo- mycorrhizae）[16]。根菌根真菌能够通过多种机制缓解或消除重金属对植物的毒害。首先，在菌根真菌与根系的共生体中，菌根真菌围绕根系形成菌套并向外部伸展出许多菌丝，称为外延菌丝，这些菌丝能吸附根系附近的重金属[17]。有研究人员发现，外延菌丝的密度与菌丝吸附重金属的能力具有相关性，可能是因为菌丝密度越大，每一个菌丝吸附的重金属含量就越低，毒性就越小；同时菌根真菌形成的外延菌丝越多密度越大，其阻止Zn 和Cd 进入植物根系的能力就越大[18, 19]。其次，菌根真菌的分泌物能调节根际环境，其中含有的有机酸、蛋白质、氨基酸和糖类等能与重金属结合，从而降低重金属的毒性，在植物抗重金属胁迫过程中发挥作用[20]。另外，外生菌根真菌的菌套包绕植物根部，菌丝穿透外生菌根植物的表皮和皮层细胞形成网络，即哈蒂氏网，该网络是真菌和宿主植物之间营养交换的一个场所[21, 22]。这些复杂的哈蒂氏网或菌套可以作为屏障结合滤过有毒金属，阻止重金属向植物运输[23, 24]。最后，疏水性的真菌菌套会妨碍水分的运输，造成重金属的有效性降低，所以菌根真菌的菌套疏水性也会影响植物吸收重金属。Marschner 等[25]研究发现，具有亲水性菌丝的双色蜡蘑（Laccaria bicolor）S238比黄硬皮马勃（Scleroderma flavidum）能够积累更多的铅，Ashford等[23]的研究也表明菌套可能组织物质的径向运输。