張凱璇, 唐艷葵, 秦芷怡, 黃 以, 吳棟顥, 納澤林, Thongsalak Saktikoun, 劉宇陽
(廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣西南寧 530004)
城市化、工業(yè)化和集約農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展使土壤和江河湖泊均受到不同程度有害金屬的污染。有害金屬不僅通過直接飲用水或間接食用農(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品危害人類健康,而且可能對生態(tài)系統(tǒng)有持久性影響[1-2]。但是,傳統(tǒng)修復(fù)方法價格昂貴,難以處理大面積的污染,且對生態(tài)系統(tǒng)功能會產(chǎn)生一定程度的破壞[3-8]。生物修復(fù)技術(shù)因成本低廉且對生態(tài)環(huán)境友好而成為研究熱點[9],主要包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)及植物微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)[10]。然而,植物修復(fù)技術(shù)存在植物生長緩慢、只耐受或吸收1~2種有害金屬等局限,制約該修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用[5,8,11-14]。微生物修復(fù)雖然具有生長快、吸附重金屬速度快、吸附容量大、費用低等優(yōu)點[15],但也面臨著特異性差、重金屬生物可利用性低、生存適應(yīng)能力較差、高效菌種構(gòu)建難度大、富集的金屬難以從污染的水體或土壤中分離等問題[7,10,16-17]。
近年來,一些具有特定功能的內(nèi)生菌從不同植物中被分離純化出來,它們表現(xiàn)出可耐受、吸附、解毒重金屬,促進(jìn)宿主植物生長,提高植物耐受能力和增加植物對有害金屬的吸收,促進(jìn)有害金屬在宿主植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運等特點,因而成為最具有發(fā)展前景的生物修復(fù)方法[7-8,18-21]。盡管內(nèi)生菌對植物生長和修復(fù)重金屬環(huán)境污染的潛力已經(jīng)被廣泛研究,但植物-內(nèi)生菌相互作用及內(nèi)生菌在金屬修復(fù)中潛在的作用,人們?nèi)运跎?。因此,本文總結(jié)植物內(nèi)生菌在環(huán)境生物修復(fù)中作用的研究進(jìn)展,尤其關(guān)注內(nèi)生菌促進(jìn)植物生長的機(jī)制,對重金屬解毒、遷移及在植物體內(nèi)積累的影響,及其作為生物材料在有害金屬污染中的應(yīng)用和前景,以期為內(nèi)生菌修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染修復(fù)提供新思路。
超富集植物體內(nèi)累積大量的有害金屬為其內(nèi)生菌提供了特殊的生存環(huán)境,從而具有適應(yīng)高濃度污染物的能力。目前,已從龍葵、東南景天、商陸等超富集植物體內(nèi)分離出能耐受金屬的內(nèi)生菌。筆者所在課題組也從幾種錳超富集植物的根、莖、葉等組織中分離出對錳及其他有害金屬有耐受能力的內(nèi)生菌(待發(fā)表)。由表1可知,近年來,從超富集植物中分離出有耐受重金屬能力的內(nèi)生菌,其植物修復(fù)主要應(yīng)用于土壤修復(fù),因此重金屬超富集植物大部分為陸生植物,且植物內(nèi)生菌大多從土壤等周邊生存環(huán)境中的微生物入侵而來,能耐受重金屬的內(nèi)生菌以細(xì)菌為主,主要為芽孢桿菌屬、不動桿菌屬和假單胞菌屬。
微生物易變異的特點,使其在受到脅迫時,進(jìn)化出有助于它們應(yīng)對有污染脅迫時繼續(xù)繁衍的能力[17]。其中一些生存手段已運用于實際的生物修復(fù)污染中,內(nèi)生菌修復(fù)金屬污染的機(jī)制如表2所示。
2.1.1內(nèi)生菌污染修復(fù)機(jī)制近年來,國內(nèi)外對微生物吸附有害金屬的研究取得了明顯進(jìn)展。研究表明,微生物吸附有害金屬的機(jī)制主要通過靜電、共價鍵、絡(luò)合螯合作用、離子交換、無機(jī)微沉淀、氧化還原作用、甲基化作用等使有害金屬轉(zhuǎn)移、區(qū)隔或轉(zhuǎn)化而失去毒性[36-37]。內(nèi)生菌耐受重金屬可通過不同途徑將重金屬吸附于其細(xì)胞表面或累積至內(nèi)部,主要包括3種方式,即胞外絡(luò)合、胞外沉淀、胞內(nèi)積累。過程分2步進(jìn)行:第1步是生物吸附,分為胞外富集或沉淀、細(xì)胞表面絡(luò)合或吸附、胞內(nèi)富集。微生物表面結(jié)構(gòu)對重金屬的吸附起著至關(guān)重要的作用,細(xì)胞壁和黏液層帶有較多的負(fù)電荷,能直接通過螯合配位、離子交換和物理吸附等作用將金屬離子吸附至細(xì)胞表面[38],細(xì)胞壁上主要結(jié)合的官能團(tuán)有—OH、—NH2、—COOH 等[39]。微生物也會產(chǎn)生胞外蛋白和胞外多聚體等物質(zhì),與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用。當(dāng)重金屬離子進(jìn)入到細(xì)胞后,細(xì)胞內(nèi)會形成金屬硫蛋白,與重金屬離子絡(luò)合,降低重金屬的毒性。在銅和鎘脅迫下,雙色蠟?zāi)⒕?Laccariabicolor)分泌的胞外黏附物增加,且固定的重金屬量占總量的50%,降低了毒性[40]。第2步為生物累積過程,是細(xì)菌富集金屬離子的重要途徑[4]。細(xì)菌先把金屬運送至細(xì)胞體內(nèi),再通過區(qū)域化作用將其分布于液泡等代謝不活躍的區(qū)域,或與蛋白進(jìn)行結(jié)合,降低毒性[41]。
表1 近年來從超富集植物分離出具有耐受重金屬能力的內(nèi)生菌
表2 內(nèi)生菌修復(fù)金屬污染的機(jī)制
2.1.2工程菌的構(gòu)建及應(yīng)用將分離得到的內(nèi)生菌進(jìn)行篩選,將具有去除重金屬能力的活體或死體工程菌與其他材料聯(lián)用[8,17,23,42]。從超富集植物中篩選出具有重金屬耐受能力的內(nèi)生菌,因其生長環(huán)境特殊,可能具有特殊的細(xì)胞表面結(jié)構(gòu),在處理有害金屬廢水方面有較大潛力[23,43]。Kampalanonwat等的研究結(jié)果表明,一些內(nèi)生菌細(xì)胞表面帶有氮基配體(如氨基、咪唑基、肼基等)的官能團(tuán)能與有害金屬離子形成配合物[44]。Guo等分別探索了超富集植物龍葵活體和死體內(nèi)生菌對水體中Cd2+的吸附去除能力,結(jié)果表明死體內(nèi)生菌小球殼孢菌屬LSE10菌株比活體內(nèi)生菌芽孢桿菌屬L14菌株有更強(qiáng)的金屬去除能力[17,23]。
除上述技術(shù)外,還有研究者運用紫外線、亞硝酸、原生質(zhì)體誘變技術(shù)[45]及表面修飾技術(shù)等強(qiáng)化內(nèi)生菌的修復(fù)能力。李曉潔使用層層修飾法將帶有大量氨基的聚合物聚烯丙基胺(polyallylamine,簡稱PAA)逐層修飾到鎘超富集植物龍葵的內(nèi)生菌假單胞菌屬Lk9菌株菌體表面,結(jié)果表明,經(jīng)過PAA修飾后的Lk9菌株吸附能力大大增強(qiáng),對有害金屬離子Pb2+、Cd2+、Cu2+的最大吸附量分別是未經(jīng)修飾Lk9菌株的4.96、10.60、10.00倍,且經(jīng)過5次再生重復(fù)利用后仍有較好的去除率[46]。經(jīng)過油菜秸稈與龍葵根部內(nèi)生菌LKR02的2步處理,既克服了植物吸附材料有機(jī)物溶出和色度上升等問題,同時又解決了高濃度鎘離子毒害內(nèi)生菌且降低其吸附能力的問題[47]。
相關(guān)研究表明,內(nèi)生菌固有的能力可以通過促進(jìn)植物生長,減輕金屬的毒害等幫助宿主植物適應(yīng)生長環(huán)境、提高植物修復(fù)效率、改變金屬的生物可利用性和在土壤中的分布情況。定殖內(nèi)生菌的植物相較未定殖的植物對宿主植物的種子發(fā)芽、分蘗生長、幼苗存活和生物量累積有更好的促進(jìn)作用[48]。內(nèi)生菌通過2種截然不同的方式促進(jìn)植物修復(fù)重金屬污染,即生產(chǎn)營養(yǎng)物質(zhì)或傳遞代謝產(chǎn)物等增強(qiáng)植物耐受有害金屬毒性的能力和提高生物量,改變金屬在植物中的累積量[10,26,48]。
2.2.1促進(jìn)植物生長超富集植物生物量是植物修復(fù)的關(guān)鍵因素,如果生物量較小,生長緩慢,難以采用機(jī)械收割,影響修復(fù)效率。當(dāng)生長環(huán)境受到高濃度污染物脅迫時,植物的生物量會大大減少。然而,某些細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)能幫助宿主植物克服污染物的脅迫壓力,尤其是有益的植物內(nèi)生菌受到研究者更多的關(guān)注。促進(jìn)植物生長的機(jī)制主要分為2個方面:直接促進(jìn)和間接促進(jìn)。
2.2.1.1直接促生方式直接促進(jìn)植物生長機(jī)制包括生產(chǎn)植物生長調(diào)節(jié)激素、合成鐵載體、固氮、溶磷鉀等[49-52]。
分泌植物生長調(diào)節(jié)激素:一些內(nèi)生菌在有害金屬的脅迫下,仍能產(chǎn)生植物激素(如分泌生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素等),增強(qiáng)營養(yǎng)積累、代謝和提高生物量,尤其是通過影響根系生長增加營養(yǎng)的吸收來保護(hù)植物[53-54]。作為主要的生長素,吲哚-3-乙酸刺激植物生長和組織分化作用在調(diào)節(jié)植物-內(nèi)生菌相互作用中扮演著重要的角色。據(jù)報道,植物在重金屬脅迫下誘導(dǎo)乙烯產(chǎn)生,導(dǎo)致根的伸長和根毛形成被抑制。氨基環(huán)丙烷羧酸脫氨酶作為內(nèi)生菌操控其宿主植物的重要手段,通過抑制乙烯合成和降低乙烯濃度,能緩解對植物產(chǎn)生的不良反應(yīng),促進(jìn)植物生長發(fā)育,如種子發(fā)芽、根系生長等[10]。徐濤英從商陸中篩選出的內(nèi)生菌芽孢桿菌屬SLS18菌株具有耐受多種重金屬和促生長等特性,分別浸染商陸、龍葵、甜高粱后,均明顯增加了在錳和鎘復(fù)合脅迫下3種植株的生物量[55]。沈德龍等研究發(fā)現(xiàn),水稻內(nèi)生成團(tuán)泛菌(Pantoeaagglomerans)YS19菌株能分泌4種不同的植物生長激素,它們共同調(diào)節(jié)水稻的生命活動,從而影響水稻乳熟期光合產(chǎn)物的分布[56]。
合成鐵載體:鐵是大多數(shù)生物體生長發(fā)育所必需的元素,是許多酶的組成成分,幾乎所有的生物都需要含鐵蛋白質(zhì)參與蒸騰等生理活動和其他一系列的酶促反應(yīng)。土壤中大多數(shù)的鐵以氧化物、氫氧化物、磷酸鹽和碳酸鹽等高度不溶的形式存在,不能被植物直接吸收利用[57]。鐵載體是微生物在缺鐵條件下分泌的一類具有超強(qiáng)絡(luò)合力的小分子有機(jī)化合物,對二價鐵和三價鐵均具有較高的螯合特性。植物生理學(xué)的相關(guān)研究表明,微生物鐵載體比植物鐵載體更具有親和力,可作為生長在金屬脅迫條件下植物累積鐵元素的直接來源[58]。Barzanti等的研究表明,在重金屬脅迫下,產(chǎn)鐵載體內(nèi)生菌通過增加鐵的吸收減少金屬對宿主植物伯士隆庭薺(Alyssumbertolonii)的毒性[59]。
生物固氮、溶磷鉀:內(nèi)生固氮菌對植物吸收氮素等營養(yǎng)成分有一定的促進(jìn)作用[60-61]。Saravanan等報道,內(nèi)生固氮醋桿菌(Acetobacterdiazotrophicus)能在甘蔗植株的各個器官組織中廣泛定殖并成為優(yōu)勢菌,并成為甘蔗生物固氮系統(tǒng)中主要的貢獻(xiàn)者[62]。磷是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素之一,在各種酶促反應(yīng)中扮演著重要的角色,直接影響植物的生長和作物的產(chǎn)量[63]。重金屬脅迫條件下,一些內(nèi)生菌(特別是假單胞桿菌屬、桿菌屬和真菌的一些屬)通過降低植物根際環(huán)境的pH值,溶解磷酸鹽、螯合、離子交換、礦化有機(jī)磷、釋放有機(jī)酸或胞外酸性磷酸酶,從而增強(qiáng)磷的植物可用性[63-64]。Sarma等研究發(fā)現(xiàn),將印度梨形孢和熒光假單胞菌R81聯(lián)合定殖至番茄植株,植株對氮、磷、鉀的吸收能力分別提高178%、102%、126%[65]。Lopez等發(fā)現(xiàn),內(nèi)生菌能夠從巖石中解吸大量的礦物質(zhì)供雞冠仙人掌吸收[66]。
2.2.1.2間接促生方式內(nèi)生菌通過調(diào)整宿主植物的滲透壓、調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性、影響植物光合作用等方式間接促進(jìn)植物的生長。
調(diào)整滲透壓:在高鹽、高金屬離子環(huán)境脅迫下,植物含水量顯著降低,體內(nèi)滲透壓平衡被打破,限制植物的生長[26]。多篇文獻(xiàn)結(jié)果表明,植物內(nèi)生菌通過增加植物中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(包括游離氨基酸、可溶性糖、脯氨酸、多胺、甜菜堿等[67-70])的濃度增強(qiáng)植物吸水能力,從而提高植物的鮮質(zhì)量水平,改善植物體內(nèi)的滲透脅迫[63]。此外,研究者還發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌可以促進(jìn)相關(guān)基因的表達(dá),提高植物的吸水能力和水分的利用率[63,71]。
調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性:受到環(huán)境脅迫后,活性氧大量累積對植物造成較大的危害,傷害細(xì)胞膜的完整性、體內(nèi)各種酶的活性、光合作用相關(guān)的細(xì)胞器,植物體內(nèi)的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶等抗氧化酶,可將活性氧有效地消除[63]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn),醉馬草接種內(nèi)生真菌后,體內(nèi)抗氧化酶活性、過氧化氫濃度、葉綠素a、葉綠素b水平增加,但脯氨酸和丙二醛含量下降[72]。同樣的結(jié)果在內(nèi)生腸桿菌屬(Enterobactersp.)CBSB1菌株接種于芥菜的試驗中得到驗證[73],說明內(nèi)生菌通過調(diào)節(jié)宿主植物的抗氧化酶活性,從而提高植株耐受有害金屬的能力。
影響植物光合作用:在有害金屬的脅迫下,植物葉綠素合成酶的活性和對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收均受到抑制,導(dǎo)致葉綠素合成量減少,影響光合作用[74]。研究發(fā)現(xiàn),接種內(nèi)生菌的植物中,幾個與葉綠素合成相關(guān)的酶類未受到有害金屬脅迫的影響;不僅如此,內(nèi)生菌還能增加對鎂、鐵等礦物元素的吸收,間接促進(jìn)葉綠素合成原料的供應(yīng)和光合效應(yīng)[75]。Li等對內(nèi)生真菌定植水稻幼苗葉片的研究表明,內(nèi)生真菌的定殖通過降低鉛對光合系統(tǒng)Ⅱ中電子傳輸?shù)囊种?,提高了宿主的光合速率,促進(jìn)了植物的生長[76]。
2.2.2促宿主植物污染修復(fù)能力植物修復(fù)依賴于植物生物量、耐金屬能力及金屬的生物可利用性。近年來,有文獻(xiàn)運用乙二胺四乙酸、石灰等提高植物提取或植物固定效率;雖然效果顯著,但這些化學(xué)試劑不僅對植物有毒,還破壞原位生態(tài)環(huán)境。通過篩選可耐受高濃度有害金屬的內(nèi)生菌,利用與宿主植物的協(xié)同關(guān)系提高植物修復(fù)效果具有可行性,比單一超富集植物修復(fù)時間更短、效果更顯著;內(nèi)生菌促進(jìn)植物富集有害金屬的機(jī)制主要為降低金屬毒性,增加金屬生物有效性[77-78]。微生物強(qiáng)化宿主植物富集有害金屬的機(jī)制[50]如圖1所示。
2.2.2.1緩解金屬的脅迫壓力金屬毒性是影響植物修復(fù)的一個關(guān)鍵因素。植物內(nèi)生菌通過固定化可以減少金屬毒害[17,54],這些機(jī)制包括:將金屬吸附到內(nèi)生菌自身表面的化學(xué)功能基團(tuán)或蛋白,減輕對植物的毒害[79-83];將透過細(xì)胞膜擴(kuò)散到內(nèi)生菌細(xì)胞內(nèi)部的污染物包埋到細(xì)胞包囊中或通過細(xì)胞內(nèi)的一系列結(jié)合蛋白沉淀、螯合重金屬,甚至可能通過細(xì)胞內(nèi)部的氧化還原作用來減輕重金屬的毒害;分泌酶和有機(jī)酸等胞外物使金屬沉淀,減少其毒性[17,84-85]。Shin等的研究表明,耐鉛內(nèi)生芽孢桿菌MN3-4通過胞內(nèi)胞外積累鉛來減少對赤楊皮的危害[86]。
土壤中有些重金屬元素是以多種價態(tài)存在的,不同價態(tài)的重金屬毒性不同。微生物通過直接氧化或還原作用,可以改變重金屬的價態(tài),降低重金屬的毒性,從而達(dá)到解毒的效果。如微生物通過氧化作用可以分解含砷礦物;微生物也可以將Cr6+還原為Cr3+,大大降低其毒性[87]。
2.2.2.2增加金屬的生物有效性植物從土壤中吸收重金屬主要取決于金屬在土壤中的生物有效性[88],影響因素包括養(yǎng)分、pH值、氧化還原電位、有機(jī)質(zhì)含量和其他離子的存在[89]。內(nèi)生菌通過釋放金屬螯合劑(如鐵載體、生物表面活性劑、有機(jī)酸)、酸化土壤、氧化還原作用、磷酸鹽溶解等作用可以促進(jìn)植物利用重金屬[89-90]。Sheng等認(rèn)為熒光假單胞菌(P.fluorescens)G10和微桿菌屬(Microbacteriumsp.)G16菌株生產(chǎn)鐵載體或有機(jī)酸誘發(fā)對鉛的增溶,均能促進(jìn)油菜對鉛的累積[74]。
2.2.3內(nèi)生菌與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用多位學(xué)者研究表明,將具有重金屬抗性的內(nèi)生菌定殖宿主植物甚至是非原宿主植物,均可以提高植物對重金屬的修復(fù)效率。萬勇等從鎘超富集植物龍葵中分離篩選出的耐鎘內(nèi)生菌提高了宿主植物修復(fù)有害金屬污染土壤的能力[18,25]。將從鎘超富集植物龍葵葉片中篩選到1株耐受鎘濃度達(dá)200 mg/L的內(nèi)生細(xì)菌DE5菌株以灌根的形式接種至青葙,結(jié)果表明,接種處理的青葙根部生物量(干質(zhì)量)比對照組增加了125.0%,富集鎘的總量約增加了81%,其強(qiáng)化效果優(yōu)于澆施螯合劑乙二胺四乙酸[91]。內(nèi)生菌與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)不僅能修復(fù)土壤中的重金屬污染,還可以通過人工濕地系統(tǒng)[92]、浮島[93]等方式修復(fù)污水、廢水和地下水中的重金屬污染[87]。修復(fù)含鉻印染廢水裝置的原理[92]如圖2所示。
目前,有益內(nèi)生菌改善植物生長、生物控制及協(xié)助植物修復(fù)金屬等特質(zhì)使生物技術(shù)在環(huán)境污染應(yīng)用中開辟了新的可能性。內(nèi)生菌已被證明比根際菌與植物更親密,性質(zhì)更可靠,不僅在內(nèi)生菌與植物聯(lián)合作用中發(fā)揮重要作用,且其本身構(gòu)建成的工程菌或生物材料也有著較好的修復(fù)效率。然而,了解內(nèi)生菌與宿主植物、污染物之間的相互反應(yīng)機(jī)制至關(guān)重要。隨著研究的深入,有望找到更多內(nèi)生菌及其應(yīng)用手段。為了更好地了解細(xì)菌生物強(qiáng)化的機(jī)制及其在實際應(yīng)用中的推廣,未來應(yīng)在以下5個方面深入研究:
(1)在亞細(xì)胞、細(xì)胞分子和基因水平上探究內(nèi)生菌影響宿主調(diào)節(jié)金屬形態(tài)變化,甚至影響植物生長和強(qiáng)化金屬于植物體內(nèi)累積、分布的機(jī)制。
(2)除生物吸附、累積作用外,內(nèi)生菌在生物固化、生物解毒方面是否具有潛力。
(3)在強(qiáng)酸強(qiáng)堿、高鹽、富營養(yǎng)、油類不利條件下,內(nèi)生菌是否依然具有金屬耐受與富集能力。
(4)有害金屬與其他污染物復(fù)合污染環(huán)境時,內(nèi)生菌是否仍然具有金屬耐受與富集能力。
(5)可否將耐受重金屬的內(nèi)生菌定殖至水生植物并應(yīng)用于污染水體的修復(fù)。
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