根系分泌物对土壤重金属活化及其机理研究进展

(3)根系分泌物还原土壤中的重金属。在根细胞质膜上的专一性金属还原酶作用下，土壤中高价金属离子还原，从而溶解性增加。此外，根分泌的有机酸、氨基酸等有机物被根际微生物利用，使根际土壤的氧化还原低于非根际土，从而改变根际土壤中变价重金属如Cr、Cu等的形态及有效性。
2.2 根系分泌物对土壤重金属生物有效性的影响
(1)根系分泌物酸化土壤中不溶态的重金属。植物的根系可以分泌质子，促进植物对土壤中元素的活化和吸收。根袋(rhizobag)试验表明，土壤中可移动态Zn含量的下降占超积累植物T．caerulescens吸收Zn总量中的不到10％，说明T.caerulescens可以将土壤中的Zn从不溶态转化为可移动态[12]。另有报道显示，在T.caerulescens根细胞膜中具有更多的运输位点，根系从土壤溶液中吸收Zn的能力更强[13]。植物对Zn的吸收动力学分为两个阶段，开始是快速的线性动力学阶段，与根细胞壁吸附Zn有关；随后是较缓慢的饱和吸附阶段，与Zn穿过根细胞原生质膜有关。根系分泌物分泌特殊有机物，促进土壤重金属的溶解和根系的吸收。
关键词：根系分泌物;重金属;活化机理
中图分类号：X171.5文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）01-0184-06
根际环境是在植物根系的吸收和分泌两个动态过程作用下形成的在物理、化学和生物学性质方面不同于原土体的、复杂的、动态的微型生态系统。由于根际环境特别是重金属胁迫下的根际环境与原土体存在着显著的差异，而根际环境中的pH值、Eh值、根分泌物和根际微生物将直接影响到重金属的固定和活化状态，从而影响到重金属在土壤—植物中的迁移转化行为。土壤中的重金属先要经过活化后才能被植物吸收利用，因此根系分泌物等根际特征在土壤生物有效性方面有重要作用。近年来，虽然植物根系分泌物已成为研究热点，由于检测手段、研究方法和技术条件等的限制，人们对根系分泌物对土壤重金属的活化方面研究报道虽多，但取得的有价值的成果较少。而该领域的研究具有重要的理论价值和实践意义。本文就根系分泌物对土壤重金属的活化机理作一综述。
(2)根系分泌物螯合土壤中的重金属。根系分泌物中某些金属结合蛋白和某些特殊的有机酸能螯合重金属。根分泌的粘胶物质与根际中的Pb2+、Cu2+、Cd2+等重金属离子络合，形成稳定的螯合体，将污染物固定在污染土壤中[14]。某些金属结合蛋白(可能类似于金属硫蛋白或植物螯合肽)可作为植物的离子载体，部分植物还可能分泌某些化合物，促进土壤中金属溶解[15]。但至今还缺乏这方面的直接证据。
1 根系分泌物种类和组成
植物根系分泌物是植物在生长过程中，根系向生长介质分泌质子和大量有机物质的总称[1]。它们是根——土界面的润滑剂，微生物的能源物质，能改善根际环境，是植物适应营养胁迫的关键物质。广义的根系分泌物包括4种类型[2]：(1)渗出物，即细胞中主动扩散出来的一类低分子量的化合物；(2)分泌物，即细胞在代谢过程中被动释放出来的物质；(3)粘胶质，包括根冠细胞、未形成次生壁的表皮细胞和根毛分泌的粘胶状物质；(4)裂解物质，即成熟根段表皮细胞的分解产物、脱落的根冠细胞、根毛和细胞碎片等。狭义的根系分泌物仅包括通过溢泌作用进入土壤的可溶性有机物[3]。据估计，根系分泌的有机化合物一般在200种以上[4]，按分子量大小可分为低分子和高分子分泌物。低分子分泌物主要有有机酸、糖类、酚类和各种氨基酸，高分子分泌物主要包括粘胶和外酶，其中粘胶有多糖和多糖醛酸[5]。一般情况下，根系向环境释放的有机碳量占植物固定总碳量的1％~40％，其中有4％~7％通过分泌作用进入土壤[6－7]。
3影响根系分泌物活化土壤重Fra Baidu bibliotek属的因素
影响根系分泌物活化土壤重金属的因素很多，如根际环境的透气性、湿度、pH、土壤颗粒大小和土壤松紧度等理化性质，土壤微生物，营养胁迫，光照、温度、植物类型等。
3.1根际环境的理化性质
根际环境的透气性、湿度、pH、土壤颗粒大小和土壤松紧度等理化性质都会影响根系分泌物分泌活化土壤重金属[38]。例如根际pH对其的影响，土壤中绝大多数金属污染物都是以难溶态存在的，其可溶性很大程度受环境中酸碱度的影响。一般而言，土壤pH值越低，其溶解度就越大，活性越高，反之则越容易固定，活性降低。当土壤pH从7.0下降到4.55时，交换态Cd增加，难溶性Cd减少，表明根系中的pH变化在一定程度上调节着植物对重金属的活化和吸收[39]。另外，Brassica在水分胁迫下会分泌更多的有机酸[40]，土壤紧密度增加可增加根系分泌物的量，尤其是可溶性有机物(Grolrau等[41])的量等都可以从一定程度上影响根系分泌物活化土壤重金属。
重金属的生物有效性是指重金属能对生物产生毒性效应或被生物吸收的性质，包括毒性和生物可利用性[16]。虽然植物吸收重金属有随土壤中重金属浓度增加的趋势，但植物根系对重金属的吸收主要与重金属的形态有关[17]，除残渣态外，其余形态的重金属都可被直接或间接的吸收。根际环境中发生的物理、化学和生物过程及其相互作用直接影响着重金属在各地球化学相中的分配，Ernst等[18]就影响重金属生物可利用性的物理、化学和生物方面的因素分别作了较为完整的论述。
2根系分泌物对土壤重金属的活化及其机理
根系分泌物影响土壤重金属活化的途径是多种多样的。重金属要被植物吸收，先要被活化，以溶解态进入土壤，成为植物可吸收的状态。植物根系对重金属的吸收效率主要与重金属的存在形态有关[8]。
2.1 根系分泌物对土壤重金属形态的影响
20世纪90年代开始，重金属在根际中的形态转化研究日益引起许多学者的重视。目前，通常把重金属存在形态划分为5态，即可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态、有机物结合态和残渣态。除残渣态外，其余形态重金属都可被植物直接或间接吸收。王建林等[9]在研究水稻根际中铁的形态转化时指出，两种水稻土根际中游离氧化铁略有下降，无定形氧化铁明显亏缺，络合态铁在根际中的含量均低于非根际。陈有鑑等[10]报道，种植植物后，根际土壤交换性Cu增加，碳酸态和铁锰氧化态减少，有机态变化不大。林琦等[11]指出由于根际中重金属铁猛氧化物结合态几乎为非根际的2倍，根际可能存在交换态、碳酸盐结合态向铁猛氧化物结合态转化的机制。下面主要从三个方面叙述根系分泌物对土壤重金属形态的影响。
3.2土壤微生物
根系分泌物可以加强土壤中微生物的活性[42]。事实上大量活跃的微生物一方面可以把大分子化合物转化为小分子化合物，这些产物对根际重金属有显著的活化作用；另一方面微生物也可以分泌出质子、有机质，增加对植物根际重金属元素的活化能力[70]。丛枝根菌侵染能促进三叶草(Trifolium repens)对Zn、Cd的吸收，其吸收对植物吸收总量的贡献率，Zn为8.1%~2.4%，Cd为13.6%~63.6%[43]。还有研究表明，菌根能增加植物对微量元素特别是Cu、Zn的吸收[44]。
在重金属等环境胁迫下，植物根系分泌的有机酸显著增加[52,68]。植物通过调节根分泌物的组成来改变根际状态以适应外界环境。如在铝胁迫下，耐铝植物可通过分泌有机酸，以缓解铝的毒害[53]。我们的试验也发现，在Zn2+0~16mmol/kg范围内，重金属富集植物黑麦草根际有效Zn含量在Zn2+4 mmol/kg达到最高值，可能因为此时植物生长旺盛，根分泌物较多，活化了土壤根际难溶态Zn[68]。Huang等（1998）报道，B. chinensis铀吸收量与根分泌物中有机酸的含量呈线性相关[54]。Hammer和Keller（2002）则指出，超量积累植物之所以能超量吸收重金属，其可能机理是超量积累植物能直接改变重金属的形态，或者通过其分泌物和对根际pH的变化促进对重金属的吸收利用[55]。有关超量积累植物的种类及其根分泌物与其富集重金属关系的研究工作，徐卫红等(2004)做了比较详细的综述[67]。Jones等（1996）和Krishnamurti等（1997）分别报道，植物根系分泌的低分子量有机酸可以与土壤中的镉螯合形成“镉-低分子量有机酸”复合物，从而促进了土壤中镉的释放和植物对镉的吸收[56]。蒋先军等(2003)通过盆栽试验研究报道，EDTA显著增加了土壤中可溶性Cd的含量，提高了印度芥菜(Brassica juncea)地上部Cd的浓度[57]。张敬锁等土培试验却发现，向土壤中施入EDTA并不能增加水稻和小麦对Cd的吸收，反而有所降低[58]。另一些研究显示，有机酸可减低重金属对植物的毒害效应，如李瑛(2003)研究表明，有机酸（柠檬酸、EDTA）可减轻Cd对小麦的毒害，降低根部对Cd的吸收，并促使Cd从根部向地上部转移[60]。随有机酸浓度增加，Cd毒性增强，黑麦草中的叶绿素含量及生物量降低，而施入胡敏酸之后，镉毒性逐渐减弱，黑麦草中的叶绿素含量及生物量逐渐增加[61]。Cd高浓度下，低分子量有机酸助长Cd的毒性，土中Cd质量分数低于25mg/kg时，低分子量有机酸可降低部分Cd的毒性；酒石酸对Cd有较明显的解毒作用,可以减轻植株毒害[62]。1999年Angus等人首次报道了Cu2+可诱导拟南芥根系分泌柠檬酸（citrate, CA）[63]。杨红等（2001）的研究表明，1mg/L和50mg/L的Ni、Cd、Cu、Pb均可诱导多年生草本A. elongatum根系分泌草酸、苹果酸和柠檬酸等有机酸，其中Cu诱导有机酸泌溢能力最强，约为Cd、Ni的2倍，Pb的5倍[64]。他们由此推测，Cu的无毒形式Cu-有机酸复合物易向地上部分转移是这种草本植物地上部分富集Cu的主要原因之一。植物根系分泌物如柠檬酸、酒石酸、草酸等对Zn矿尾砂及其废水污染的土壤中的Pb、Cd等具有较强的活化效应[65]。但由于目前对根系分泌物在植物积累和忍耐重金属方面仍缺乏直接证据，一些超量积累植物吸收重金属的机理研究表明，超蓄积和非超蓄积在根系分泌有机离子和质子方面没有根本的差异，在促进根际重金属活化和增加植物对重金属吸收、转运方面的作用不显著[66－67]。
2.3 根系分泌物在重金属吸附解吸中的作用
吸附与解吸是重金属离子在土壤中发生的重要化学过程。土壤中离子的浓度常不受“溶度积原理”的控制，而主要受吸附平衡的制约[22]，吸附与解吸在很大程度上决定了土壤重金属元素在固液两相间的分配和生物有效性。土壤中重金属的吸附—解吸特性受根系分泌物的影响，且与根系分泌物的分解程度有关。新鲜根系分泌物可减少土壤对重金属的吸附，提高其扩散性．但经培养分解后则起相反作用[23]。一些根系分泌物主要是高分子物质能对重金属产生吸附、络合作用，从而使其固定，减轻其生物毒性。根系分泌物中有些低分子量有机物影响铁、锰及铝氧化物表面吸附金属离子的研究已有大量报道。其主要作用包括：(1)有机物与金属离子形成络合物或与金属离子竞争氧化物和粘粒表面上的吸附位点，降低对金属离子的吸附。(2)有机物同金属离子形成的配位化合物与土壤矿物表面的亲和性增强，提高土壤对金属离子的吸附。影响重金属离子吸附与解吸的因素很多，如pH、土壤与矿物类型、阴、阳离子的种类和浓度、有机物等[24－33]，其中有机物对重金属化学行为的影响是目前土壤环境化学研究热点[27－33]。如柠檬酸，革酸．乳酸和酒石酸等能被铁的氧化物吸附，但其吸附强度随pH升高而降低[34]。
王建林和刘芷宇[35]研究四种土壤植稻后Cu在根际—非根际土的吸附—解吸特性时发现，根际土吸附Cu要大于非根际土。对Cd的研究结果表明，由于根系分泌物和根际微生物的存在．使黄棕壤和红壤根际土对Cd的吸附亦相应地增加或减少[36]。解吸是吸附的反过程。王建林也曾指出，所有供试根际土的Cu易解吸态百分数均小于非根际土，而难解吸态Cu百分数则大于非根际土，这可能是由于根系分泌计算所掩蔽了部分交换部位或是配合了胶体中Fe、Mn等的吸附载体等[37]。
根系分泌物对土壤重金属活化及其机理研究进展
徐卫红1，2，黄河1，王爱华2，熊治廷1，王正银2
1.武汉大学资源环境学院，湖北武汉430059；2西南大学资源环境学院，四川重庆400716
摘要：植物通过调节根分泌物的组成来改变根际状态以适应外界环境。在重金属胁迫下，植物根系分泌物种类和量会发生显著变化。根系分泌物可通过溶解、螯合、还原等作用活化土壤重金属，提高重金属的植物有效性，或固定和钝化重金属，降低重金属的移动性。文章就根系分泌物对土壤重金属形态、有效性及其在重金属吸附解吸中的作用，根系分泌物活化土壤重金属的影响因素等国内外研究进展作了综述，并对该领域今后的研究方向进行了探讨。