摘要

文章節選自：生物工程學報（2020年第3期）免責聲明：所載內容、圖片來源互聯網，微信公眾號等公開渠道，我們對文中觀點保持中立，僅供參考，交流之目的。轉載的稿件版權歸原作者和機構所有，如有侵權，請聯系我們刪除。

1.2 重金屬污染土壤的修復技術

我國多數被污染的土壤 (特別是耕地) 尚處于輕中度污染狀態，因此，發展中輕度污染耕地土壤修復技術，實現污染農田土壤的安全利用，保障農產品的安全生產是耕地土壤污染防治的重要目標。當前，修復污染耕地土壤的措施主要包括工程修復方法 (如客土覆蓋、表層剝離等)、農藝措施調控 (如管理水分、合理施肥等)、鈍化阻控技術等和生物修復[2]。工程修復技術工程量大、成本高且容易改變土壤基本性質；農藝調控技術的修復效果不穩定，且不容易操作[10]。鈍化阻隔技術即通過向耕地土壤中加入無機、有機、生物等鈍化劑，改變污染物質的生物有效性， 以達到污染耕地土壤的安全利用。無機鈍化劑如硅鈣材料、黏土礦物等可以通過吸附、絡合、沉淀和提高土壤 pH 來降低土壤重金屬和有機污染物的活性；有機物料如秸稈、畜禽糞便、生物質炭和納米材料對重金屬和有機污染物污染土壤也有一定的解毒作用。但是，一些無機鈍化劑存在生產成本高、容易造成二次污染和改變土壤基本性質等問題，而有機鈍化劑如污泥、畜禽糞便和工業廢棄物等自身含有一定量的污染物質，也可能造成土壤的二次污染或質量退化。生物修復是指土壤中的生物 (如植物、動物和微生物等) 通過生命活動將土壤中的有毒有害物質 (重金屬、有機污染物等) 吸收、轉化或者降解，從而降低其生物有效性或毒性，保障農作物的安全生產。生物修復方法因成本低、無二次污染、效果顯著等特點逐漸成為修復重金屬污染土壤的重要手段[2]。

1.3 重金屬污染土壤的植物修復技術

隨著超富集植物的發現，植物修復技術(Phytoremediation) 被認為是針對重金屬污染土壤的可持續修復技術，并得到了廣泛認可。植物修復技術的關鍵是發現污染物的超富集植物，目前，世界上共發現超富集植物有 400 余種。植物修復技術能夠治理包括土壤、水體、大氣中的重金屬 (Cd、Cr(Ⅵ)、Pb、Co、Cu、Ni、Zn、As)、有機污染物、放射性元素 (Sr、Ur、Cs)、硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽等環境污染物。研究發現，伴礦景天、東南景天、商陸、龍葵等植物均對 Cd 具有較強的富集能力，地上部分的 Cd 濃度可以達到400 mg/kg[11-12]；蜈蚣草對 As 具有超強的富集能力，其地上部砷的濃度可達干物重的 1%以上[13-14]， 蜈蚣草吸收的砷能在其根部被高效還原，并轉運[15-16]到地上部的羽葉中儲存。這些超富集植物被認為是修復重金屬污染物土壤的理想植物。

盡管植物修復被認為是一種低費用和無污染的修復重金屬污染土壤的新途徑，但植物修復目前仍存在一些研究瓶頸：首先，大部分已知的超積累植物僅對少數幾種污染物超積累 (如已經發現的 400 余種超積累植物中，其中有近 300 種是Ni 的超積累植物)，對于其他沒有發現超富集植物的污染物，無法采用植物修復技術；而且當土壤處于復合污染條件下時，植物修復技術也難以奏效；其次，超富集植物通常因生物量小，吸收累積到地上部的重金屬總量并不多，而且超富集植物的生長周期一般較長，植物修復技術難以滿足快速修復污染土壤的需求；另外，植物通常只能吸收可溶態的污染物，而且大多數植物根系主要集中在土壤表層，對于土壤中難溶的污染物形態， 或者超過修復植物根系作用范圍的污染土壤和不利于修復植物生長的土層，植物修復技術都難有效果；再次，多數超富集植物對生長環境都有特殊的要求，在世界范圍內引種修復植物比較困難。因此，研究如何提高植物修復污染土壤的效果和適用性非常重要。

當前有關超富集植物對重金屬污染土壤的修復機制有較多研究，但土壤中除了地上的植物，還包括地下豐富的土壤微生物和動物資源，而且這些生物與植物之間存在復雜的相互作用。2004 年， 國際知名刊物 Science 出版了一期名為“Soils-The Final Frontier”的專刊，專刊文章指出：在陸地生態系統中，地上部分的生物與地下部分的生物是相互作用的，共同深刻影響著陸地生態系統的結構與功能，對土壤污染物的遷移轉化和生物修復效率也存在深刻影響[17]。

2.1 土壤微生物與植物的相互作用

土壤中存在豐富的微生物資源，主要包括細菌、真菌、放線菌、藻類等。通常 1 g 土壤中有幾億到幾百億個微生物，但其種類和數量會隨著成土環境及土層深度的不同而變化。微生物是土壤具有生命力的根本，在全球物質循環和能量流動過程中發揮著不可替代的作用，是土壤關鍵元素生物地球化學循環的驅動者，在很大程度上影響溫室氣體排放與消納，進而調節全球變化[18-19]。土壤微生物是維系陸地生態系統地上-地下相互作用的紐帶，土壤微生物可通過自身的活動及其分泌物的作用，對土壤形成、發育、肥力演變等過程產生重大影響，是土壤生命力和生態功能的重要“調控者”[20]。另外，土壤微生物也是地球污染物的凈化器，微生物轉化深刻影響土壤中污染物的賦存形態和歸宿，微生物也可降解或轉化土壤中殘留的有害物質。而且，土壤微生物的群落結構、生物量、土壤酶活性等微生物學特性對土壤環境質量的變化有敏感的響應，對土壤健康和環境污染有良好的生物指示功能[18-19]。

在土壤中，植物的根內和根際都存在大量的微生物，這些微生物與植物之間就存在復雜的相互作用[21]。植物通過光合作用形成碳水化合物，再將其輸送到根部，由根系提供給土壤中的細菌，為根際微生物提供了賴以生存的有機養分和能量的重要來源，最終提高根際土壤中微生物、動物的活性[22]。植物還可以通過影響土壤養分、水分、通氣情況、團聚體機構和土壤 pH 等土壤物理化學狀況來影響土壤微生物的群落結構。有研究表明植物多樣性與根際土壤微生物的關系十分密切，植物的存在有利于增加土壤微生物的多樣性和生物量，而且根際微生物的群落結構隨著植物的種類和生長發育過程發生非常強的時空變異[23-27]。

土壤微生物是土壤中有機質的主要分解者， 也會對植物產生回饋作用。植物的凋落物、分泌物或植物死亡后的殘根敗葉，以及施入土壤中的有機肥料，經過土壤微生物的作用，被腐爛分解并釋放出營養元素，供植物利用，并且形成腐殖質，改善土壤的結構和肥力，進而有利于植物生長。土壤微生物也能促進土壤中難溶性礦物質溶解，例如磷細菌[28]、硅細菌[29]、鉀細菌[30]等能分解出礦石中的磷、硅和鉀，為植物生長提供可以吸收利用的礦質元素[30-32]。叢枝菌根真菌是一類廣泛存在、且能與陸地上大多數高等植物形成共生關系的土壤真菌[33-34]。叢枝菌根真菌能從宿主植物獲取光合作用形成的碳水化合物以維持自身生長，也能幫助宿主植物從土壤中吸收礦質養分和水分。土壤微生物還可以是植物養分的生產者， 例如，固氮微生物能將植物不能直接利用的氮氣還原為氨，固定的氮素除供自身生長發育外，部分可以無機狀態或簡單的有機氮化物分泌于體外，供植物吸收利用[30]。另外，根際微生物也可以通過分泌維生素、生長激素、抗生素等物質， 與植物形成緊密的交叉對話機制，進而直接或間接促進植物生長[35-38]。例如，Lu 等[38]證明擬南芥根際分泌物能調控根際微生物的群落結構，根際微生物再通過調節土壤 N  循環和分泌植物激素(如吲哚乙酸，IAA) 來反饋調控植物的生長和開花；水稻根系可以促進砷還原細菌成團泛菌Pantoea agglomerans 的生長而減少水稻對砷的吸收[39]。還有研究表明土壤微生物還可以是植物的保護者，例如有研究發現一些植物的內生菌會產生毒素以保護植物不被草食性動物食用，如葦狀羊茅內生真菌 Neotyphodium coenophialum[40]。

2.2 土壤動物與植物的相互作用

土壤動物包括土壤中和落葉下生存著的各種動物，約占全球生物多樣性的 23%[41]。土壤動物包括原生動物和后生動物。原生動物通常是單細胞動物，結構簡單，大小在幾微米到 1 cm 之間， 包括鞭毛蟲類、根足蟲類和纖毛蟲類。土壤原生動物的數量很大，分布廣，形態差異大。在各類土壤中都有原生動物，通常表土中數量較多，每克土壤中大約有 104–105 個，下層土壤中較少，但不同地區和不同類型的土壤中原生動物的種類和數量有差異。大多數原生動物以細菌為食，對土壤細菌的數量有重要調節作用[42]。土壤后生動物主要包括線蟲、節肢動物和無脊椎動物等。線蟲在土壤中廣泛存在、數量極大，每平方米土壤可達幾百萬個。線蟲可分為植食性線蟲和肉食性線蟲，植食性線蟲以細菌、單細胞藻類、真菌、植物根及腐敗有機物為食，其中一部分植食性線蟲寄生于高等植物根內，常常能引起多種植物根部的線蟲病；肉食性線蟲以原生動物、輪蟲及其他線蟲為食，可寄生在動物的各種器官中[42]。土壤中的節肢動物和無脊椎動物也分布廣泛、種類繁多、數量龐大，主要包括螨蟲、跳蟲、螞蟻、蚯蚓、鼴鼠、蜘蛛等。土壤動物是土壤生態系統的重要組成部分，一方面作為消費者，積極同化各種有用物質供其自身生長所用，另一方面，多數土壤動物能參與有機物的分解，能將落到地面上的枯枝落葉和埋于地下的植物根莖以及各類動物的糞便、尸體等進行粉碎，然后與微生物共同將各類碎片進行分解，成為可被利用的營養物質， 而且，土壤動物將其排泄產物歸還到土壤中不斷改造土壤物理結構。因此，土壤動物在促進土壤物質循環和能量轉化過程中發揮著重要作用，對維持土壤生態系統的結構和功能具有重要調節作用[42-46]。另外，土壤動物的群落結構和多樣性特征對生境變化具有較為敏感的響應，能客觀反映生態系統的健康和穩定程度，因此，土壤動物在環境毒理學和生態風險評估研究領域被廣泛應用，是指示環境變化的良好指示生物[47]。

土壤動物與植物之間也存在復雜的相互作用，一方面，植物可通過調節進入土壤生態系統中資源的質量與數量而影響對土壤動物的營養物質供給，多數土壤動物以植物的根或莖葉為食， 或依靠著植物作為其居所、以及氧氣的提供者， 當然，也存在少部分能捕食昆蟲的植物，如捕蠅草和茅膏菜，它們捕捉及消化小動物以獲取礦物質，尤其是氮。另一方面，土壤動物通過與微生物共同分解有機質促進營養周轉，調節植物根系的營養狀況來影響植物的初級生產力。土壤動物將其排泄產物或死亡后的殘體歸還到土壤中，被微生物分解成能被植物利用的養分，土壤中多數動物能與微生物共同參與有機質的分解， 加速土壤營養物質的分解和還原。另外，一些土壤動物通過自身的活動改變土壤的物理結構，從而間接地影響植物的生長，例如蚯蚓通過其挖掘和排泄活動，使土壤疏松并提高土壤通氣性，從而有利于植物的生長[42]。土壤動物和植物之間也存在共生關系，例如，適蟻植物是一種和螞蟻共演化的植物，此類植物會提供螞蟻居所，有時還有食物，作為交換，螞蟻則會幫助植物防衛草食性動物，且有時還會幫助其和其他植物競爭，螞蟻的廢物還可以提供給植物作有機肥料。當然，也有一些土壤動物能寄生于植物體內形成寄生關系，并且對植物的生長發育造成損害，如線蟲寄生于植物根部形成線蟲病，吸取植物汁液的紅葉螨 (紅蜘蛛) 等。因此，有研究表明，地上植物的多樣性與地下土壤動物的多樣性有著緊密的聯系[48-49]。

2.3 土壤微生物與土壤動物的相互作用

土壤動物與微生物之間存在著復雜的相互作用，土壤動物通過捕食、消化和排泄等作用來調節土壤中微生物的群落結構。中小型的原生動物、螨蟲、跳蟲和蚯蚓等通常以細菌、真菌和藻類為食；大型的土壤動物等還可以通過非取食作用來影響土壤微生物的群落結構，例如，土壤動物對有機質的機械粉碎作用, 有利于擴大微生物與有機質的接觸面，也可以通過改變土壤團粒結構、透氣性、pH 等土壤性質，或者影響養分循環和植物生長等間接作用于土壤微生物[42]。

土壤動物的腸道是土壤微生物另一重要的“棲息地”，是一個天然可移動的微生物存儲庫。人體腸道微生物的生態功能研究受到 Nature 和Science 等頂尖雜志的持續關注[50-52]，這些腸道微生物對宿主的健康 (免疫、肥胖等) 有重要的影響。近年來，土壤動物的腸道微生物的生態功能也受到關注，筆者前期開展了一系列針對土壤動物腸道微生物參與土壤養分循環、污染物遷移轉化等過程的研究[54-62]。例如，Wang 等[60]研究表明蚯蚓腸道中存在能將五價砷還原、三價砷甲基化的微生物，這些功能微生物能促進砷在動物腸道中的轉化。Zhou 等[62]研究表明蚯蚓腸道中的Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅱ)、亞硝酸鹽/硝酸鹽比要比土壤高，在蚯蚓腸道內容物中 Fe(Ⅱ)還原菌由具有發酵能力的梭菌 Clostridium、芽孢桿菌 Bacillus 和脫硫腸狀菌 Desulfotomaculum 所主導，而在原位土壤中 Fe(Ⅱ)還原菌則由地桿菌 Geobacter 主導；并且，蚯蚓腸道內容物中多種還原 Fe(Ⅱ)的微生物都具有反硝化功能，結果說明蚯蚓腸道微生物對土壤中 Fe、C 和 N 等養分循環的巨大潛能。

2.4 土壤中微生物-植物-動物的食物網關系

在土壤生態系統中，微生物、植物、動物之間通過物質循環和能量傳遞形成一種錯綜復雜的網絡聯系[63]， 這種生物之間消費者-資源關系的網絡被稱為土壤食物網[64-65](圖 1)。通常認為土壤食物網主要包含了資源基質 (植物根系及其分泌物、生物殘體)、土壤微生物 (細菌和真菌等分解者)、食微動物 (食細菌線蟲、食真菌線蟲、植物寄生線蟲、原生動物) 及其捕食者 (捕食食微動物)，生物之間存在取食與被取食 (或競爭) 的關系[64]。土壤食物網具有一定結構和功能，構成土壤食物網的各個功能群之間相互作用，同時受到上行和下行效應的控制[66]。例如，Mikola 等[67] 的微宇宙培養試驗表明投放捕食性線蟲和食細菌線蟲可降低培養體系中的食微線蟲和微生物的生物量。另外，當環境變化 (例如土壤污染) 影響土壤某類生物個體時，就可能通過營養級聯等效應 (如捕食、競爭等) 進一步影響其他生物。如筆者前期的研究表明，當在跳蟲的培養體系中投放捕食螨時，跳蟲與捕食螨之間的捕食作用會提高獵物 (跳蟲) 對重金屬鎘的耐性[68]，類似的結果也在有機污染物如伊維菌素的研究中被證實[69]。食物網中的生物之間除了上述的直接關系外，生物間常常會通過級聯效應對土壤生態系統產生重要的影響。例如，Hawlena 等[70]證明食物網中草食動物對被捕食的恐懼能減緩土壤微生物對植物凋落物的分解，他們發現草食動物在有捕食者 (蚱蜢和蜘蛛)  的脅迫下，其體內碳氮比要高于沒有捕食脅迫的動物，這種元素含量的變化能改變進入土壤中蛋白質的結構，進而干擾地下生物群落的功能，最終導致植物凋落物的分解過程減緩。

土壤食物網的復雜性與穩定性與土壤的生態系統功能密切相關，對土壤生態系統的健康和可持續具有重大意義。在一個具有復雜食物網的生態系統中，一般不會由于一種生物的消失而引起整個生態系統的失調，但是任何一種生物的絕滅都會在不同程度上使生態系統的穩定性有所下降[71-74]。當一個生態系統的食物網變得非常簡單的時候，任何外力 (環境的改變) 都可能引起這個生態系統發生劇烈的波動[75-76]。由于人為活動，Eisenhauer 等[77]認為土壤無脊椎動物的多樣性正在快速下降，某些種類無脊椎動物正在消亡， 而一種動物的消亡會通過營養級聯作用影響其他生物，從而對土壤食物網的復雜性和穩定性構成風險。

當前基于食物網的生態學研究在生態系統功能、全球氣候變化、生物多樣性等方面得到了比較廣泛的應用[78-82]，但在土壤環境研究領域的應用還比較少見。目前，有關污染物遷移轉化、污染生態風險或污染生物修復方法等方面的研究通常只是針對某一類生物展開研究，這就有可能忽略了生物之間的相互作用對土壤生態系統結構和功能的調節作用，從而低估了土壤環境污染的生態風險，并且降低了生物修復污染土壤的效果。

如前所述，土壤是一個復雜的生物體系，微生物和 (或) 動物強化的植物修復方法具有巨大的研究價值，該方法集合了單一生物修復方法的優勢，取長補短，可以達到強化生物修復的效果。

3.1 土壤微生物-植物協同修復技術

微生物可通過多種途徑強化植物修復重金屬污染土壤的效果，總體來說可分為直接作用和間接作用。直接作用主要是微生物對土壤重金屬的活化、吸收、轉化和固持等方面，而間接作用則主要是微生物通過促進植物生長，從而增強植物修復效果。研究表明，微生物可直接參與重金屬的遷移轉化，如吸附、沉淀、絡合、氧化還原、甲基化與去甲基化等作用，從而影響根際重金屬的形態和生物有效性[18-19]。例如，環境中的細菌、真菌等微生物本身會與重金屬發生離子交換、細胞表面絡合等作用，也可以通過分泌胞外聚合物(多糖、脂類、蛋白質等) 的方式，與鎘、鋅、汞等重金屬發生反應，起到固定重金屬的作用。微生物還可以分泌有機酸、球囊霉素等物質來改變根際微環境，進而影響重金屬生物有效性和植物對重金屬的吸收，如 Leung 等[83]發現，菌根真菌的分泌物能促使磷礦物的分解，活化土壤中的砷，提高蜈蚣草對砷的吸收積累。微生物還可以通過氧化還原或者甲基化和去甲基化作用，降低變價重金屬 (鉻、砷等) 的毒性，無機砷還可以通過微生物甲基化作用揮發，從而降低土壤中砷的毒性[84]。除了上述的直接作用外，微生物還可以通過改善土壤物理結構、提高土壤養分、促進植物生長、防控病蟲害等等機制來間接提高植物修復重金屬污染土壤的效率。例如，Rajkumar 和Freitas[85]研究發現接種產鐵載體的假單胞菌和巨大芽孢桿菌能夠緩解重金屬離子對印度芥菜的毒害作用并提高植物生物量，促進植物修復污染土壤的效率；Wu 等[86]表明印度芥菜接種植物促生菌 (固氮菌、磷細菌和鉀細菌) 能促進印度芥菜的生長，提高印度芥菜對重金屬 Pb 和 Zn 修復效果；Chen 等[87]的研究表明，接種假單胞菌和熱帶念珠菌能促進東南景天和黑麥草對 Cd 和Zn 的吸收；Jian 等[88]的研究表明，接種根瘤菌和農桿菌能提高豆科植物苜蓿的產量，并促進了苜蓿對 Cu 和 Zn 的吸收積累。

叢枝菌根真菌是一類廣泛存在的專性共生土壤真菌，能夠與陸地上大多數高等植物形成共生關系[33-34]。大量研究證明菌根的共生結構對重金屬有固持和區隔化作用，從而減少了重金屬自植物根系向地上部的運輸。Chen 等發現菌根真菌能降低一系列重金屬向植物地上部的轉運，如Zn[89]、Cd[90]、U[91]、As[92]、Cu[93]。近年來，Wu 等針對菌根真菌對植物吸收轉運 Cr 開展了一系列的研究，他們發現菌根真菌菌絲吸收的 Cr 多數被固持在植物根系中，只有少量被轉移到地上部，進一步基于同步輻射的軟 X 射線掃描透射顯微成像技術發現 Cr 在菌根根系中主要分布于真菌結構(如叢枝、泡囊等) 中[94-96]。此外，利用基于同步輻射的 X 射線熒光分析發現 Cd 主要聚集在叢枝、泡囊等結構中[97]。菌根真菌不僅可以直接參與重金屬的遷移轉化，還可以通過對宿主的促生機制間接地提高植物修復重金屬污染土壤的效果[33]。

3.2 土壤微生物-動物-植物協同修復技術

與土壤微生物相比，土壤動物 (如蚯蚓、線蟲、甲螨、鼠婦等)對重金屬的吸收、運載和富集作用研究較少。土壤動物一方面可以通過自身的吸收來富集重金屬，從而降低土壤重金屬含量，另一方面也可以通過自身的活動改善土壤中重金屬的活化能力，從而促進植物對其富集[98]。通過盆栽實驗，俞協治和成杰民[99]發現蚯蚓活動顯著提高了黑麥草地上部的生物量，并且增加了黑麥草對 Cu 的吸收量，但 Cd 的吸收量無顯著變化。王丹丹等[100]發現加入蚯蚓能使印度芥菜和黑麥草中的 Zn 總累積量分別提高 57.8%–131.6%、51.4%–150.5%。Aghababaei 等[101]的研究表明菌根真菌和蚯蚓共同作用能顯著提高玉米對 Cd污染土壤的修復效果。Lemtiri 等[102]也證明蚯蚓能顯著提高蠶豆和玉米對 Cu、Zn、Pb 和 Cd 幾種重金屬的積累，進而提高污染土壤的修復效果。Elyamine 等[103]研究表明蚯蚓能提高燕麥和向日葵對 Cd 污染土壤的修復效果。Kaur 等[104]的結果表明蚯蚓能誘導芥菜對 Cd 的抗氧化作用，提高對 Cd 的耐性和積累。土壤動物除了自身的生物強化修復作用外，其體外和體內能攜帶大量的微生物，這些微生物對宿主的健康有重要影響[105-107]。近年來，動物腸道微生物對重金屬遷移轉化的作用得到了廣泛的關注，例如，Sun 等[108]通過模擬人體胃腸系統，發現在結腸階段，腸道微生物能將五價砷還原成三價砷，其中部分三價砷能夠進一步被甲基化形成劇毒的還原態甲基砷。Wang 等[109]的研究表明當蚯蚓暴露在五價砷污染的土壤中 28 d 后，蚯蚓腸道中的砷形態與土壤中的砷形態發生了顯著變化，蚯蚓腸道中的砷主要是三價砷 (56.17%–84.67%)，而且還有約20%的砷甜菜堿和少量的二甲基砷。

近年來，國內外有大量研究證明生物之間的相互作用能夠影響土壤中重金屬的遷移轉化，并且提高重金屬污染土壤的生物修復效果 (表 1)[110-126]。綜上所述，在現實土壤中，微生物、植物和動物是彼此不可分割、相互緊密聯系的生態網絡，多元生物的協同修復技術將是未來修復重金屬污染土壤的研究前沿和熱點 (圖 2)。

我國土壤重金屬污染嚴重，開發高效、普適的生物修復技術是當前的瓶頸科學問題。土壤中的生物通過物質循環和能量傳遞形成錯綜復雜的網絡聯系，未來可在已有關于重金屬污染土壤生物多樣性及其功能研究基礎上，在食物網水平上深入研究土壤生物間的相互作用機制及其對重金屬遷移轉化的影響機制，提出土壤食物網的定向調控原理與技術，建立多元生物聯合強化的污染土壤修復新技術，并形成基于食物網的土壤污染生態風險評估體系。