丛枝菌根真菌-玉米联合修复Cd、Pb复合污染土壤技术应用探讨

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　　摘   要   工业和城市化进程的不断推进使土壤重金属累积越发严重，农业土壤重金属Cd、Pb污染逐渐引起人们重视。充分利用自然界中广泛存在的丛枝菌根真菌，利用其能够提高植物对重金属耐受能力的特点，将丛枝菌根真菌与粮食作物玉米联合，选育低Cd、Pb重金属累积籽粒玉米品种，在重金属Cd、Pb轻中度污染土壤上进行安全生产，同时实现修复和生产的“双赢”局面。分析丛枝菌根真菌-玉米联合修复技术应用须解决的主要问题和市场需求。
　　关键词   丛枝菌根真菌;玉米;联合修复;重金属复合污染;土壤
　　中图分类号：X53    文献标志码：B    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.10.011
　　近年来，工业化和城市化进程的不断推进、矿业的发展使周边农田中土壤重金属积累越来越严重。据2014年《全国土壤污染状况调查报告》显示，我国约0.23亿公顷耕地被污染，受重金属污染的土地面积占污染总面积的64.8%[1]，造成被重金属污染的粮食达1 200万吨以上，经济损失高于200亿元[2]。其中Cd、Pb污染分别位居第一位、第六位，且因Cd、Pb在土壤中具有极强的不可降解性、积累性和不可逆性，对人类健康和土壤生态环境系统存在着巨大风险和危害。重金属Cd、Pb进入土壤后会改变土壤的物理化学性质和生态结构，进而影响土壤中植物和微生物的生长。Cd、Pb是植物生长的非必需元素，但土壤中的Cd、Pb易被植物吸收，通过根系吸收并在植物体内积累，不但影响植物对氮、磷、钾等营养物质或钙、镁等矿物质的吸收[3]，影响植物光合过程中的电子传递，使叶绿素酶活性增大，加快叶绿素分解速度，从而抑制植物的光合作用，破坏植物体内新陈代谢，影响植物的核酸代谢，改变合成、编码蛋白的遗传物质的合成，使酶蛋白失活或结构变异，并会影响植物呼吸作用及氮代谢，从而影响植物的生长发育或者导致植物体的死亡[4-6]。
　　农业土壤是国家食品安全的生命线，保证土壤环境质量是关系民生安全的头等大事。因此，探索高效、经济、环保的重金属土壤修复技术，加强土壤重金属的污染修复，对农产品食品安全和人居生存环境的改善至关重要。目前我国土壤污染修复技术实际应用较少，多半处于研发阶段。然而，土壤重金属场地污染、面源污染日益严重，传统的物理化学方法如改良剂沉淀法、螯合剂修复法、表面活性清洗剂修复法，以及工程修复方法，如客土、换土法、深耕翻土法、电动修复法、土壤淋洗法等，这些措施均有一定的效果，但因对土壤副作用较大、耗费较高，可能带来二次环境污染，因而未能成为理想的修复措施。生态修复这种经济有效且对环境友好的修复技术和方法是目前的研究热点。在重金属污染土壤中利用微生物与植物联合修复，利用了土壤微生物与植物的共存关系，充分发挥了微生物与植物修复技术各自的优势，能够显著提高土壤中重金属污染物的修复效率，最终达到彻底修复土壤重金属污染的目的。利用丛枝菌根真菌（Arbuscular mychorrhizal fungi， AMF）对土壤重金属污染进行治理被各国学者重视起来。AMF提高植物的重金属耐受性及AMF生态修复能力已得到广泛证实[7-8]，并已逐步应用于实践中。
　　1 AMF
　　AMF是土壤与植物根系间养分运输的一个桥梁，也是土壤微生物的一个群组[9]，能与90%以上陆生植物形成共生关系[10]，具有很高的经济和生态价值。植物与丛枝菌根真菌之间的关系为协同进化[11]，AMF从植物中获得所有的碳源，再把矿质养分从土壤运送到植株[12]。一般真菌产生的大量外生菌丝体高度适于养分的吸收和转移，并形成了植物根系与土壤环境间的一个连接体。
　　大量研究表明，菌根真菌能显著促进宿主植物的生长[13-14]。AMF可扩大植物根的吸收面积，提高植物根系间的矿质养分循环，增强植物光合作用和对水分的吸收，保护植株不受根系病害的侵染，还影响到根际其他可促进生长的微生物活性[15]。对菌根植物修复重金属污染土壤的能力和菌根植物抗重金属机理的研究表明，AMF能提高植物抗氧化酶活性，清除因胁迫产生的大量活性氧，还能促进植物非酶抗氧化剂的产生，减轻植物细胞的损伤[16-17]。AMF诱导植物产生的类黄酮、酚类及植保素等，能增强植物的抗病性[18]。综上所诉，AMF可增强植物的逆境生存能力。AMF可通过直接和间接作用提高植物耐受重金属胁迫的能力，通过限制重金属的吸收、细胞壁结合、区室化作用、螯合作用等过程，提高耐受重金属毒害的能力。
　　人們已经关注到了菌根在重金属污染土壤的生物修复中的效应及作用机理，而且针对AMF联合不同植物种类开展了大量研究，如Motaharpoor等[19]测定了AMF侵染植物对土壤中Cd的去除效果，结果表明，AMF与植物的共生不但显著增加了Cd污染胁迫下植物的生物量，而且促进了植物对Cd的累积。Zhang等[20]研究了AMF接种和生物炭的联合应用不但能够显著改善苜蓿对土壤养分的吸收，还能降低植物体内Cd的累积。还有相当多的学者研究了AMF在高含量铜锌矿区的生长，从污染土壤中分离出的AMF显著增强高粱对铜和锌的抗性，显示出AMF具有提高植物修复金属污染的潜力[21]。
　　2 AMF-玉米联合修复
　　国外很多地区都是地广人稀，土地资源丰富，因此对重金属污染土壤进行修复治理研究多采用AMF联合超累积草本植物。陕西省作为一个人口和能源消耗大省，农用地资源紧缺，采用种植超累积植物进行污染修复的周期较长，且引进的超累积植物可能会因气候或土壤性质的变化，对重金属Cd、Pb的富集累积特性产生影响，可能会导致技术的区域适用性不佳。特别是在小秦岭金矿区的重金属Cd、Pb污染区，探索出一种既能够修复污染，又能保障居民收益，同时对污染土壤进行安全利用的技术，成为亟需解决的问题，最终实现边生产边修复的目标。玉米（Zea mays L.）属一年生禾本科，具有植株高大、茎强壮、适应性强等特点，是陕西省广泛种植的一种粮食作物和饲料作物，其遗传性较为复杂，因而变异种类丰富。很多研究表明，同一作物的基因型不同，其重金属累积量差异明显，如匡少平等[22]研究在Pb胁迫条件下，单株玉米对Pb的吸收量最大的品种是最小品种的3倍多，而且Pb在不同品种的根部茎叶中含量也有较大差别[23]，这些条件为筛选重金属低累积品种提供可能性。例如选育籽粒中低Cd、Pb重金属累积的玉米品种，在重金属Cd、Pb轻中度污染土壤上进行安全生产，可实现修复和生产的“双赢”局面。 　　3 联合修复需要解决的问题
　　在陕西省小秦岭区域，存在大量Cd、Pb重金属污染地块，调查发现该区域污染土壤的Cd、Pb含量分别为1.47～3.42 mg·kg-1、175～1 779 mg·kg-1 [24]。要保障重金属污染地块的安全利用，对此类型土壤开展修复技术研究具有现实意义。
　　2018年8月1日起实施的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中规定，农用地土壤中Cd、Pb含量高于标准筛选值但低于或等于管制值时，可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，需要采取安全利用措施。作为当地主要食用的粮食作物——玉米，通过向其人工接种AMF，利用AMF-玉米对重金属污染土壤进行修复，需要解决几个问题：1）菌种必须对重金属污染土壤有较强的耐性和适应性。对重金属Cd、Pb污染区与不同品种玉米共生的AMF混合菌进行筛选，可解决引进的菌株因对污染土壤环境不适应而导致的侵染率低等问题，为重金属Cd、Pb污染土壤生物修复研究工作奠定基础。2）AMF-玉米协同作用应对重金属污染土壤质量改善具有良好效果，且玉米籽粒应达到安全利用标准。有研究表明，在重金属污染土壤中广泛存在抗逆性的AMF，大多数能够缓解重金属对共生植物的毒害，菌根对植物组织器官中重金属累积量和分配的影响，往往取决于植物种类等因素，因而，研究不同品种的玉米在接种或不接种AMF条件下，对重金属Cd、Pb污染土壤质量、肥力和微生物活性的改善情况，以及不同品种的玉米组织器官中，尤其是对籽粒中Cd、Pb的累积量和分配规律进行综合评价，筛选出对Cd、Pb具有不同稳定性和适应性的籽粒重金属低累积玉米品种，能够为重金属Cd、Pb轻中度污染区的玉米种植品种提供科学规划，最终实现在污染区生产修复同时进行的目的。3）优化玉米种植密度和水肥管护等参数，保障玉米生产和土壤修复效果。重金属Cd、Pb污染区，土壤质量不高，研究重金属污染区玉米的种植密度及其对低水环境的响应特点对于种植管理工作安排至关重要。
　　4 联合修复的市场需求
　　土壤是人类赖以生存的物质基础，也是经济社会发展不可或缺的宝贵自然资源。保护土壤环境是推进生态文明建设、维护生态安全的重要内容。环境保护部和国土资源部此前发布的全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。2018年8月31日，十三届全国人大常委会第五次会议全票通过了《中华人民共和国土壤污染防治法》。这是我国国家层面制定的第一部土壤污染防治领域的单行法。政策利好之下，我国土壤污染防治工作有望取得较大突破，并将极大地释放土壤环境监测和土壤修复等市场空间。
　　2017年初，陕西省政府出台《陕西省土壤污染防治工作方案》，提出到2020年，受污染耕地安全利用率达到92%以上，污染地块安全利用率达到90%以上，土壤环境质量点位达标率不低于82%，耕地土壤环境质量点位达标率不低81%;到2030年，受污染耕地安全利用率达到95%以上，污染地块安全利用率达到95%以上，土壤环境质量点位达标率不低于88%，耕地土壤环境质量点位达标率不低于90%。
　　在污染土壤修复日益受到国家和地方政府关注的背景下，探索安全、高效、成熟的污染土壤修复技术显得尤为重要和紧迫。我国存在面积达数十万公顷的有色矿山开采区和金属加工区，每年产生大量含有重金属的尾渣等污染物，因不当处置使重金属进入环境并最终进入土壤环境造成污染。AMF不但能与植物协同进化，还能够提高植物的重金属耐受性，且其生态修复能力已得到广泛证实，但目前就采用AMF与玉米对污染地块中的Cd、Pb修复应用技术研究尚缺乏。因此，加强AMF与玉米协同作用在重金属Cd、Pb污染土壤修复效应和安全利用方面的研究十分必要，可为循环、绿色、生态的现代化治理技术应用提供一条新思路。
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