1、植物-微生物联合修复镍污染土壤研究进展瞿攀 1，伏毅 1,2，刘绵学 1,2，王艳 1,2，黄敏 1,2（1.四川省原子能研究院，成都 610101；2.辐照保藏四川省重点实验室，成都 610101）摘 要：土壤健康是粮食安全的保障，人类活动给土壤造成的污染亟待治理。镍是人体必需微量元素，但过量的镍具有较大的毒性。目前我国土壤中镍污染比较严峻，应尽快响应土壤污染防治行动计划来改善土壤中镍污染状况。本文综述了植物-微生物联合修复技术的基本原理，和微生物在镍污染土壤中对植物生长状况、有效态镍含量以及植物吸收镍的影响，对寻找合适的植物和微生物修复镍污染土壤具有重要意义。并展望了有机酸的加入对植物-微
2、生物联合修复效果，以及 PGPB 库的建立和我国超富集植物的寻找也是研究的重点。关键词：植物-微生物；镍；土壤修复中图分类号：X53Research Progress of Plant-microbe Remediation of Nickel Contaminated SoilQU Pan，FU Yi，LIU Mianxue，WANG Yan，HUANG Min *（ Sichuan Institute of Atomic Energy, Chengdu 610101, China）Abstract：Soil health is the guarantee of food security.
3、 And the pollution caused by human activities to the soil needs urgent treatment. Nickel is an essential trace element in human beings, but excessive amounts of nickel are toxic. At present, the pollution of nickel in soil is very serious in our country. The soil pollution prevention action plan sho
4、uld be responded to as soon as possible to improve nickel contamination in soil. This paper summarized the basic principle of the microbe-assisted phytoremediation, and the effects of adding microorganisms in nickel contaminated soil on plant growth conditions, available Ni content and plants on the
5、 absorption of nickel. It was of great significance to find suitable plants and microorganisms for remediation of nickel contaminated soil. And it was expected that the effect of organic acids on plant-microbe combined repair. And establishing the PGPB Library and looking for our hyper accumulator a
6、re also the focus of research.Key words: plant-microbe; nickel; soil remediation随着经济的快速增长，人类活动给环境带来的污染日渐严重。据我国首次土壤污染状基金项目：四川省科技支撑计划项目（2015SZ0209 ，2016SZ0075） ；四川省应用基础项目（2017JY0242） 。作者简介：瞿 攀（1991） ，男，四川仁寿人，硕士，研究实习员，主要从事环境污染防治与修复研究，E -mail： 。通讯作者：黄 敏，副研究员，主要从事植物微生物学研究。E-mail：。况调查显示，全国土壤总的点位超标率达到 16.1
7、%，其中无机污染物的超标最为严重，占全部超标点位的 82.8%，而无机污染物中，镉（ Cd）和镍（Ni）的点位超标率最高，分别为 7.0%和 4.8%1。尽管 Ni 是一种必需的生命元素，但已有研究表明过量的 Ni 对人体具有一定的毒性和致癌性 2-4。同时 Ni 污染土壤造成农业减产，并通过食物链危害动物及人类的情况已经成为世界范围关注的问题 5。因此，对于 Ni 污染土壤的治理和修复成为关注的热点，且近年来专家们也提出了几种技术修复镍污染土壤，主要包括物理化学修复技术和生物修复技术。虽然物理化学修复技术具有较好的效果，但是过高的成本和可能带来的二次污染等问题限制了这种方法的实施。而生物修复
8、技术具有成本低、可大面积修复、二次污染小等特点 6，并且可与其他技术联用，从而成为目前修复镍污染土壤有效的方法技术 7, 8。超富集植物被认为在土壤修复领域具有较大应用的潜力，目前发现的超富集植物中 60%以上是镍的超富集植物，但大部分超富集植物的生物量较小，能应用到实际环境中的较少。植物- 微生物联合修复是新兴一种的技术，主要是利用微生物- 土壤-植物之间互利共生的关系，促进植物的生长发育，增加植物对镍的吸收，从而增强对镍的修复效果。本文综述了我国土壤中镍污染的现状，植物-微生物联合修复镍污染土壤的基本原理以及植物- 微生物联合修复镍污染土壤的效果，并对该技术的应用前景进行了展望。1 我国土
9、壤中镍污染现状土壤中 Ni 的来源可以分为自然来源和人为来源。在自然来源中，岩石风化与成土过程对土壤中 Ni 的含量影响很大，这决定了土壤中 Ni 的背景含量。而我们常说的土壤 Ni 污染是由人类活动造成的土壤中 Ni 含量过高，主要包括工业生产、矿业活动以及污水、污泥的灌溉等 8。当前，我国土壤中镍污染状况不容乐观，全国土壤污染调查中 Ni 的点位超标率达到4.8%，仅次于 Cd 污染 1。随着我国城市化水平的提高，城市土壤面临的重金属污染源较多。由于人们生活水平的提高，城市中土壤环境质量受到越来越多的重视。耕作土壤环境质量关系粮食作物安全以及人体的健康。根据前人研究，我国一些主要城市长春市
10、 9、成都市10、武汉市 11、西安市 12、天津市 13、石家庄市 14、海伦市 15、北京市 16、杭州市 17、郑州市 18和广州市 19的耕作土壤中 Ni 的平均含量分别为74.3、62.8、37.3、33.2、31.9、28.1、25.7、23.5、22.6、15.4 和 12.4mg/kg，其中长春市和成都市的土壤中 Ni 的平均含量超标，对作物的品质有一定的影响；而大部分城市土壤中Ni 的平均含量低于土壤环境质量二级标准，但其中仍有部分点位由于长期污水污泥灌溉、农药化肥的施用等情况的出现致使 Ni 的累积而超标。植物-微生物联合修复是一种新兴的并且能较好的用于镍污染土壤的技术，能
11、够实现原位修复，且经济适用，在国内外得到了很多学者的推广。2 植物-微生物联合修复镍污染土壤的基本原理植物修复技术利用 Ni 富集植物对土壤中 Ni 进行吸收，从地下转移到茎、叶等地上部分，然后将植物的地上部分收割并集中回收处理 Ni。但大部分超富集植物的生物量较小，加上土壤中可被植物利用的 Ni 含量低，从而应用到实际污染场地中修复效率并不高 20。微生物在土壤中无处不在，在净化环境方面起着重要的作用。在修复 Ni 污染土壤时，利用耐 Ni 微生物固定 Ni 离子或将有毒的 Ni 形态转变为无毒或低毒的形态，可以改善镍污染的土壤环境 21。但由于微生物和土壤难以分离，微生物吸收的 Ni 仍然
12、残留在土壤中，因此直接利用微生物修复 Ni 污染土壤有一定的回收难度。微生物在土壤环境中与植物相互作用，一些微生物能够促进植物生长发育，并能活化土壤中 Ni，从而提高植物对土壤 Ni 的提取效果。此外，植物的根系分泌物也能被微生物所利用，促进微生物的生长和繁育。图 1 为植物促生菌（Plant Growth-promoting bacteria，PGPB）与植物根际的协同作用和后续效应，反映了 PGPB 在土壤中发挥的作用。植物-微生物联合修复技术是目前国内外研究的热点，该技术可以充分发挥微生物和植物在修复技术上各自的优势，提升去除土壤中镍的效率。其中微生物促进植物生长以及提高植物对 Ni 的
13、吸收可分为以下几个作用。地上部分地下部分提高植物生产力促进植物生长增加重金属含量（超富集植物）减少可食用部分重金属提高重金属耐性减少氧化损伤促进营养物质吸收金属螯合物转化酶生物吸附金属沉淀PGPB根部定殖分泌低分子有机酸抗氧化酶溶解磷酸盐金属诱导铁载体的合成产生植物生长素微量金属图 1 耐金属 PGPB 与植物根际的协同作用和后续效应 22Fig 1 Association between plant roots and metal tolerant PGPB and their subsequent effects2.1 微生物分泌植物激素和 ACC 脱氨酶微生物在旺盛的生命活动代谢过程中，
14、将分泌出大量的次生代谢产物，而分泌的植物激素如细胞分裂素（CK） 、赤霉素（GA） 、吲哚乙酸（IAA）等可促进植物根系的生长并增加对土壤养分和水分的吸收 23。PGPB 是植物-微生物联合修复 Ni 污染土壤常用的微生物。PGPB 体内含有 1-氨基环丙烷-1- 羧酸（ACC）脱氨酶，可将植物分泌的 ACC 分解为-丁酮酸和氨，增加了 N 的来源，同时由于 ACC 可参与合成抑制植物生长的乙烯，从而ACC 脱氨酶的存在可以促进植物的生长 24, 25。因此，ACC 脱氨酶在植物- 微生物联合修复技术中起到了重要的作用。Ma 等 26将耐 Ni 的假单胞菌 A3R3 接种于香雪球（Alyssu
15、m serpyllifolium）和芥菜（ Brassica juncea） ，由于这种菌能分泌 ACC 脱氨酶、植物激素（IAA）和铁载体并具有溶磷作用等特点，因此显著促进了植物的生长，从而提高了植物对污染土壤中 Ni 的去除率，取得了一定的修复效果。2.2 微生物的固氮和溶磷作用以及铁载体的合成植物的生长离不开营养元素（N 、P 、K ） ，营养元素缺乏将抑制植物的生长。众所周知，大气中的 N2 是不能直接被植物吸收利用的，只能靠固氮微生物将其转化为可以被植物利用的形式。如与植物共生的慢生根瘤菌 RM8 在 Ni 污染土壤中仍有固氮能力 27，这种植物内生菌在缺 N 的土壤中对植物的生长起
16、着重要的作用，是优于根际微生物的 28，能够为植物生长提供大量的 N 元素。P 是仅次于 N 的营养元素，但土壤中 P 大部分是以沉淀的形式存在，不能被植物吸收 22。而微生物能分泌有机酸将 P 溶解，其中假单胞菌、芽孢杆菌和根瘤菌等被认为具有较好的溶磷作用 29, 30，能促进植物对 P 的吸收。Fe 也是植物生长发育不可缺少的元素，但在土壤环境中，Fe 主要以不溶的氢氧化物、氧化物、磷酸盐等形式存在，而根际微生物产生的铁载体对 Fe 具有较强的络合能力，将不溶的 Fe 转化为可被植物吸收的营养元素，可保证植物更好的生长 26, 31。同时，由于土壤中微量的 Fe 被植物吸收，植物病原体的繁
17、育将受到抑制，也间接促进了植物的生长 32。2.3 微生物抑制植物病原体植物病原体能侵害植物，造成植物生长失调，甚至导致植物死亡。除了铁载体对植物病原体有抑制作用，微生物还可通过与植物病原体在营养及生态位点的竞争和在代谢过程中产生抗生素，抑制植物病原体的生长 32，因此植物受到病原体的侵害减少，植物生长量将得到增长。2.4 微生物对 Ni 的固化和活化作用采用植物修复重金属污染土壤，关键在于重金属的生物有效性，这决定了植物对重金属的吸收效率 33。一些学者认为，微生物对土壤中的镍具有固化作用，如 Ni 被微生物吸收后可形成金属-有机化合物，降低 Ni 的生物有效性 21。Wani 等 34研究
18、发现，将根瘤菌RP5 接种于豌豆，由于根瘤菌降低了 Ni 的毒性，并且分泌了植物激素，植物的生长量明显提高，但却减少了对 Ni 的吸收。因此土壤中 Ni 稳定化之后可以降低 Ni 的生物有效性 35，有效提高植物的生长。但将 Ni 固定于土壤中，对环境仍存在潜在的危害，一旦环境条件发生改变，Ni 就会继续对土壤造成危害。而增加镍污染土壤中 Ni 的生物有效性是提高生物修复效果的重要因素。但也有学者认为，微生物分泌的代谢产物（如有机酸、铁载体、生物表面活性剂等）在降低土壤 pH、改变氧化还原电位、增加重金属络合剂等方面起着重要作用，这些环境条件的改变将增加 Ni 的生物有效性 36, 37，促进
19、植物对 Ni 的吸收，从而加大植物对 Ni 的去除率。3 植物-微生物联合修复镍污染土壤的效果由于植物-微生物联合修复技术具有良好的生态效益、成本低等优势，在土壤环境修复与治理领域拥有巨大的发展潜力，因此国内外学者对植物- 微生物联合修复技术对土壤中Ni 修复效果也做了大量研究。3.1 微生物对植物生长发育的影响植物在 Ni 污染土壤中的生长状况反映了植物对 Ni 的耐性程度，一般情况下，高耐性植物对 Ni 的去除效果更好。由于部分微生物具有促进植物生长的能力，在植物-微生物联合修复镍污染土壤方面具有重要作用。表 1 是近年来国内外学者关于微生物在镍污染土壤中对植物生长状况的影响研究。他们从植
20、物根际或者其他地方筛选了一些耐 Ni 微生物，将其接种于植物的根际部分，发现这些微生物的接种均不同程度的促进了植物的生长，包括植物根、茎、叶的增长或者植物鲜重、干重的增加。从表 1 中对三种超富集植物的研究可以看出，内生菌对超富集植物生长的促进作用较小，但蔡信德 38所选用的外源菌显著促进了超富集植物的生长，其中元江蛇纹岩土壤中的植物地上部的生物量增长了 309%。因此选用超富集植物修复 Ni 污染土壤时，加入部分促进植物生长的耐 Ni 外源菌，能更大程度的促进植物对 Ni 的吸收累积。由于超富集植物存在生物量较少、生长缓慢等缺点，很多学者采用普通的富集植物进行植物-微生物修复的研究，并发现了
21、很多内生菌和外源菌对植物的生长均有较好的促进作用。Ma 等 33筛选了 5 种从超富集植物根际中分离出的微生物，并接种于 Brassica juncea、Brassica oxyrrhina 这两种植物上，这些微生物均对植物的生长有不同程度的促进作用，其中Psychrobacter sp. SRA2 对 Brassica juncea 的促进作用最为显著，相对于未接种微生物的植物，其干重和鲜重分别增加了 351%和 285%。表 1 微生物对植物修复镍污染土壤中植物生长的影响Table 1 Effects of microorganisms on plant growth in nickel
22、contaminated soil植物 是否超富集 微生物 来源* 植物生长状况* 文献来源Alyssum corsicum是 Pseudomanas vesicularis外源菌 三种土壤中地上部生物量分别增加了 29%、43%和309%38Alyssum serpyllifolium是 PGPE（A3R3）内生菌 鲜重和干重均有少量增加，增加了 10%左右26Noccaea caerulescens是 Arthrobacter, Microbacterium内生菌 两种微生物分别增加了茎的干重 12%和 25%39Greengram 否 Bradyrhizobium RM8内生菌 在高浓度
23、下，干重增加 24% 27Pea 否 Rhizobium RP5 内生菌 在高浓度下，干重仅增加17%34Brassica juncea 否 Pseudomonas Ps29C, Bacillus megaterium Bm4C外源菌 茎长、鲜重和干重分别增加31%、73%和 40%40Brassica juncea, Brassica oxyrrhina否 Psychrobacter sp.（2 种）Bacillus sp.（3种）外源菌 植物的鲜重和干重最多增加了 351%和 285%41Brassica juncea, Brassica oxyrrhina否 PGPB（9 种） 外源菌
24、植物鲜重和干重有不同程度的增加，最多增加超过 30%42Brassica juncea 否 PGPE（A3R3）外源菌 鲜重和干重最多分别增加了50%和 45%26Alnus firma 否 Bacillus thuringiensis GDB-1内生菌 根、茎分别增长 41%和44%；干重增加 70%43Helianthus annuus L.否 Bacillus safensis, Kocuria rosea外源菌 植物根、茎的干重总体上均有所增加，根、茎干重最多增加分别为 37%和 94%44Arabidopsis thaliana否 Arthrobacter sp., Microbac
25、terium 内生菌 两种微生物联合，根长增加51%，鲜重增加 31%39sp.Brassica juncea 否 Pichia farinose FL7外源菌 生物量增加了 40%以上 45Erucasativa否 Pseudomonas putida外源菌 根、茎分别增长 34%和41%；鲜重和干重分别增加38%和 24%46Scirpus triqueter否 PGPB 内生菌 根、茎的干重增加了 200%以上37Althea rosea 否 Bacillus subtilis 174外源菌 植物根增长 57%；根、茎、叶的生物量分别增加47%、19%和 25%47* 内生菌为从所种植物
26、中筛选的微生物，外源菌为其他来源的微生物，下同；*在 Ni 污染土壤中，接种微生物后对其的影响，下同。3.2 微生物对土壤中镍的有效态含量的影响土壤中有效态 Ni 的含量对植物吸收 Ni 有较大影响，活化土壤中 Ni，能增加植物对 Ni的吸收 38，提升植物对污染土壤中 Ni 的修复效果。表 2 是部分微生物对镍污染土壤中镍有效态含量的影响。从表中可知，不同微生物对土壤中 Ni 的有效态含量影响不同，表中大部分微生物有活化土壤中 Ni 的作用，如Microbacterium arabinogalactanolyticum、Bacillus subtilis 174、Psychrobacter
27、sp. SRA1、 Bacillus cereus SRA10 和 Bacillus weihenstephanensis SRP12 等。但也有少部分微生物降低了土壤中有效态 Ni 的含量，如 Pseudomanas vesicularis、Psychrobacter sp. SRA2 等，可能是因为植物吸收了土壤中被活化的 Ni，从而导致土壤中 Ni 的活性降低。表 2 微生物对植物修复镍污染土壤中镍有效态含量的影响Table 2 Effects of microorganisms on the available fraction of nickel in nickel contamin
28、ated soil植物 是否超富集 微生物 来源 土壤镍有效态含量变化 文献来源Alyssum murale 是 Microbacterium arabinogalactanolyticum内生菌 在未灭菌土壤中，有效态Ni 含量增加了 18%48Alyssum corsicum是 Pseudomanas vesicularis外源菌 元江土和墨江土中有效态Ni 的含量略有降低，水稻土中有效态 Ni 的含量降低了 19%38Noccaea caerulescens是 Arthrobacter sp., Microbacterium sp.内生菌 两种微生物联合，Ni 的有效态含量仅增加了 4%
29、39Brassica juncea, Brassica oxyrrhina否 Psychrobacter sp.（2 种）Bacillus sp.（3种）外源菌 其中 3 种微生物分别增加了土壤中 Ni 有效态含量51%、50%、44%，而另外两种降低了 Ni 的有效态含量41Brassica juncea, Brassica oxyrrhina否 PGPB（23 种） 外源菌 其中 9 种微生物显著增加水溶态 Ni 含量42Brassica juncea 否 Pichia farinose FL7外源菌 添加 Ni(NO3)2 的土壤，有效态 Ni 显著降低；添加Ni3(PO4)2 的土壤，
30、有效态Ni 增加 357%45Scirpus triqueter否 PGPB 内生菌 根际和非根际土壤中可交换态和碳酸盐结合态 Ni 含量之和分别增加 90%和 50%以上37Althea rosea 否 Bacillus subtilis 174外源菌 水溶态 Ni 含量明显增加了52%473.3 微生物对植物中镍吸收量的影响植物对 Ni 的吸收反映了植物对 Ni 的去除效果，而植物对 Ni 的吸收表现在植物根、茎、叶中 Ni 的含量，以及植物对 Ni 的总吸收量。表 3 反映了微生物在镍污染土壤中对植物吸收 Ni 的影响，不同学者从不同方面研究并得到了植物对 Ni 的吸收状况。这些研究均认
31、为微生物的加入促进了植物对 Ni 的吸收，虽然有些植物体内 Ni 含量有所降低，但却通过增加植物的生物量提升了植物对 Ni 的总吸收量。Ma 34、Khan 39和 Weyens42等筛选的微生物分别让 Brassica sp.、Althea rosea 和Yellow lupine 这三种植物对污染土壤中 Ni 的去除效率增加了 100%以上，显著提高了植物对污染土壤中 Ni 的修复性能。表 3 微生物对植物修复镍污染土壤中植物对镍吸收的影响Table 3 Effects of microorganisms on nickel uptake by plant in nickel contam
32、inated soil植物 是否超富集 微生物 来源 植物镍吸收状况 文献来源Alyssum murale 是 Microbacterium arabinogalactanolyticum内生菌 植物茎中 Ni 含量增加了32%48Alyssum corsicum是 Pseudomanas vesicularis外源菌 三种土壤中地上部植物总吸收量分别增加了 32%、54%和 306%38Alyssum serpyllifolium是 PGPE（A3R3）内生菌 在高浓度下，茎中 Ni 的含量仅增加 10%26Noccaea caerulescens是 Arthrobacter sp., Microbacterium sp.内生菌 两种微生物联合，茎中含量变化不大，根中含量增加45%39Brassica juncea 否 Bacillus subtilis SJ-101外源菌 在高浓度下，根、茎和叶中Ni 含量分别增加了58%、77%和 14%49greengram 否 Bradyrhizobium RM8内生菌 在高浓度下，根、茎和谷粒中 Ni 含量分别降低了15%、19%和 22%27Pea 否 Rhizobium RP5 内生菌 在高浓度下，根、茎和谷粒 34
