河南師範大學環境學院
研究生考查課程答卷
年級類別： 2015級
學科專業： 環境科學
學號： 1519183002
姓名： 韓雪楓
課程名稱： 汙染生態學
授課教師： 金彩霞
考試時間： 2016-6
考試分數
根際環境的調節與重金屬汙染土壤的修復
摘要：根際環境的ph和eh會產生影響土壤中重金屬的化學過程。ph的變化影響到重金屬的固定和活化，根際的酸化能夠活化大多數重金屬，使其毒性增強；反之，則固定大多數重金屬，減輕其毒性。
eh的變化可改變重金屬的價態和存在形態，使其毒性減弱或增強。根分泌物可從多方面影響金屬的毒性和有效性，如改變根際環境的ph值和eh來改變金屬的存在形態和活度；與金屬絡合或者吸附、包埋金屬汙染物；通過影響根際微生物特徵來改變金屬的毒性。根際環境中微生物能改變金屬離子存在形態，其代謝產物能對金屬離子產生沉澱、螯合等作用。
土壤脲酶對重金屬汙染最敏感，可以用於監測土壤重金屬汙染。調控根際環境，可以有效地調節土壤中重金屬汙染物的活度、毒性及其轉移，對重金屬汙染土壤起到修復作用。
關鍵詞：根際；汙染土壤；重金屬汙染；植物修復；土壤酶；根分泌物
由於重金屬元素在土壤中的難移動性，迄今仍未找到理想的治理重金屬汙染的方法。傳統治理的方法是施用有機肥、石灰等改良劑來降低重金屬的活性，或改變耕作制度以避免重金屬通過食物鏈造成二次危害；工程上主要的治理方法有客土法、換土法、水洗法、電動力學法、熱解吸法等[1]。目前一致認為植物修復技術是解決重金屬汙染問題的經濟有效的途徑。
植物修復是一門新興的應用技術，它根據植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論，利用植物及與其共存的微生物體系來清除環境中的汙染物[2]。
過去對植物修復的研究大多數都是從植物體本身出發，對根際在植物修復中的作用重視不足。事實上，植物根際環境（rhizosphere）在汙染土壤的植物修復中發揮著極為重要的作用。根系由於生長發育和生理代謝活動，形成了乙個不同於非根際土壤的微生態系統（植物根際），它是土壤、植物、微生物相互作用的場所，也是土壤水分、養分、汙染物進入植物體的門戶。
根際的物理、化學和生物學性質與非根際土壤存在極大的差異，這會影響到根際土壤重金屬的存在形態、分布、遷移和生物有效性，使得重金屬汙染物在根際土壤中表現出一些特殊的化學行為。例如，在根際中進行的酸鹼反應、氧化還原反應、絡合解離反應、生化反應、活化固定、吸附解吸等，能改變重金屬的生物有效性和生物毒性[3]。
根際環境是汙染土壤植物修復最直接起作用的部分，它決定了重金屬在根際中的化學過程[3]。根際環境對重金屬汙染土壤的修復作用主要表現在ph、eh、微生物等幾個方面，並且各方面並不是孤立地起作用的，而是相互關聯的。
本文根據根際環境特殊的物理、化學和生物學性質，評述了植物根際在重金屬汙染土壤的植物修復中的作用，為植物修復重金屬汙染土壤的研究提供參考依據。
1 根際ph值對重金屬汙染物的作用
植物由於根系的作用，根際ph明顯不同於非根際土體，其變化範圍可高於或低於非根際土體1~2個單位[4]。ph的變化從多方面影響著根際環境，如根際土壤中各種礦質養分的生物學有效性，微生物和根分泌物的數量和種類組成，以及根際酶的活性，進而在很大程度上影響到根系對重金屬的忍耐和吸收轉化效能，以及重金屬在土壤中的物理化學行為。
土壤中的重金屬絕大多數都以難溶態存在，根際ph的改變會使土壤中金屬的存在形態發生變化，從而改變其活性和生物有效性。就一般重金屬而言，ph的降低可導致碳酸鹽和氫氧化物結合態重金屬的溶解、釋放，同時吸附態金屬的釋放量也趨於增加，因此，根際的酸化將活化重金屬，增強其毒性；反之，ph增加，則會降低重金屬的遷移能力，減弱其毒性。研究[5]發現ph是影響cd遷移特徵的重要因素之一，廖敏等[6]的研究表明，隨著ph的公升高，土壤對cd的吸附率增大；在較低的ph下，溶液中存在較多的游離態鎘，易被生物吸收。
當土壤ph＝7.6時，cd2+質量分數為50 mg/kg時就會形成沉澱，ph每公升高1個單位，cd的質量分數就下降100倍；當土壤ph從7.0下降至4.
55時，交換態cd質量分數增加，碳酸鹽結合態cd質量分數減少，鐵錳結合態質量分數稍有減少，有機結合態和殘餘態質量分數不受影響[7]。但是類金屬砷在中性條件下較穩定，在強酸或強鹼條件下，溶解度增加[8]。這些形態上的改變都將影響其活性，並進一步影響其在土壤-植物系統中的遷移轉化狀況。
sarkar等[9]指出fe、zn在根系和嫩枝中的質量分數均與根系ph成反相關關係，mn的質量分數也隨ph的降低而公升高，且當ph<5.5時，mn的質量分數會急劇增加。研究[10]表明，玉公尺根所吸收的cu2+質量分數和土壤ph值之間存在著如下的關係：
lg[cu]=4.8-0.72×(p[cu]-0.
50×ph)。小麥地上部吸收cu的量與ph呈顯著負相關，土壤ph公升高乙個單位，植物吸cu量減少19 g/盆[11]。
造成根際ph不同於非根際的因素很多，主要是植物根系對陰陽離子吸收的不平衡，另外根系呼吸和微生物代謝產生的co2、根分泌的有機酸等也有一定影響，此外，植物種類、土壤緩衝效能、肥料型別（尤其是n肥）、環境脅迫都會影響到根際ph值[12]。例如，缺p、缺fe會迫使根系分泌有機酸、h＋和還原性物質，改變根際ph值；使根際鐵、磷等養分得到活化；錳脅迫條件下，隨著植物的生長，介質的eh明顯下降，ph也相繼上公升[13]。
在環境汙染條件下，植物具有主動調節根際ph的能力。研究[14]表明，有些植物如小麥、黑麥、大麥和豌豆等在遭受鋁毒害時，根系分泌較多的oh-，將鋁沉澱在根表。另外，根系可以通過對陰陽離子的吸收平衡來改變根際環境特徵，從而影響cd等重金屬的活性。
在鎘汙染的條件下，植物根系h+和透根電位的分泌受到抑制，致使鎘的生物可利用性降低[3, 15]。
因為根際ph可以調控土壤中重金屬的活性和毒性，所以通過一些措施來改變根際ph，以改變重金屬汙染物的毒性，達到修復重金屬汙染土壤的目的。例如，禾本科植物對氮肥的形態比較敏感，吸收銨態氮根際ph下降，吸收硝態氮則根際ph上公升[8]。因此，施用不同種類的氮肥可以調節根際ph，對禾本科植物施用硝態氮使ph公升高，從而降低土壤中重金屬的質量分數和活度。
2 根際氧化還原狀況對重金屬汙染物的作用
由於根系和微生物的呼吸作用以及根分泌物中還原性物質的作用，根際氧化－還原狀況與非根際之間存在明顯差別。研究[16]表明，旱作植物的根際氧化-還原電位（eh）一般可比非根際土壤低50~100 mv；而生長在濕地上的植物如水稻由於具有特殊的根系泌氧功能，根際eh和溶解氧水平要高於非根際。並且，根際eh受到植物型別、生長發育期以及營養狀況的影響，如水稻根際eh在不同生育期變化很大，從分蘖盛期至幼穗形成期，eh急劇降低，在揚花期也很低[10]。
植物根際eh對重金屬汙染物的影響是多方面的，例如，改變重金屬的價態、存在形態，從而改變重金屬元素的毒性。根際eh可以影響根系的吸收效能及重金屬在土壤中的溶解度。生長在含有大量fe2+和mn2+的漬水土壤中的水稻，其根系會向根際釋放氧氣和氧化性物質，維持較高的eh，將土壤中fe2+和mn2+氧化而形成鐵錳氧化物膠膜，把鎘、鉛、汞等重金屬富集在膠膜中，阻礙重金屬直接進入根內，同時可以防止根系對fe2+和mn2+的過度吸收[17]，由於根際鐵錳氧化物增加，根際有效態zn的濃度會降低[18]。
根際eh對重金屬的形態轉化和毒性具有重要的影響。許多重金屬如cr、as、hg等，在環境中均以多種價態存在，並且不同價態的重金屬其毒性存在很大差異，而重金屬元素的價態與土壤氧化還原狀態有關。在漬水條件下，土壤呈還原態環境，還原態as3+比氧化態as5+可溶性要高4~10倍，其毒性也顯著高於as5+[8]。
在淹水還原條件下，fe3+還原成fe2+，mn4+還原成mn2+，so42-還原成硫化物，結果形成難溶的fes、mns和cds，使它們的遷移性和生物可給性降低，從而大大減輕了重金屬的生物毒性。例如，在重金屬汙染區，生長在濕潤條件下的水稻，其根中的含鎘量為淹水條件下的2倍，莖葉達5倍，糙公尺達6倍[10]。
研究[10]表明，土壤落幹與淹水狀況不同，使得糙公尺金屬吸收量有明顯的差異。在重金屬質量分數相同的情況下，落幹土壤的氧化還原電位高於淹水處理，引起糙公尺中重金屬質量分數略有增高，並且在水稻不同生長發育期進行落幹處理，其影響也有所差異。例如，在相同的cd處理條件下，水稻在落幹或淹水條件下的eh，分櫱期分別為308、234 mv，拔節期分別為293、281 mv，乳熟期分別為233、224 mv，大公尺中cd的質量分數分別為0.
278、0.145 mg/kg[10]。因此，通過一些措施如灌溉排水等來改變根際的eh，可以改變重金屬在根際土壤中的化學行為，從而起到固定和吸附重金屬的作用。
3 根系分泌物對重金屬汙染物的作用
植物根分泌物包括溢泌物、分泌物、粘膠質、分解物和脫落物，從組分上包括各種醣類、有機酸和氨基酸等[19]。據估測[20]，植物根分泌物的質量可以佔到植株光合作用產物的15% ~ 40%。根分泌物是植物適應其生態環境的主要物質。
研究發現白羽扇豆在缺p脅迫下可以分泌大量的檸檬酸，其釋放量可達到植株總乾重的15%～23%[21, 22]。根分泌物特別是其中低分子量的有機酸，對土壤中金屬離子的可溶性和生物有效性有著重要的影響[23]。根分泌物在修復重金屬汙染中的作用，主要是改變根際環境的ph值和氧化還原電位以及重金屬的化學性質，從而改變汙染土壤中金屬元素的形態和活性。
根系分泌物能降低根際ph。研究[24]表明，大麥、小麥、萵苣在cd處理後，有機酸的分泌量增加，使得營養液ph值低於對照。
根分泌物能與根際中某些游離重金屬離子螯合，形成穩定的螯合物，從而降低重金屬汙染物在土壤中的流動性[18]。有些受到重金屬汙染的植物根尖能夠分泌與鋁、銅、鎘等金屬離子有比較強的親和力的粘膠狀物質（主要成分是多醣），將大量的金屬離子如pb2＋、cu2＋、cd2＋等，滯留在根外[19]，從而降低了其活度。另外，根分泌物可以吸附、包埋金屬汙染物，使其在根外沉澱下來。
林琦等[25]的研究表明，水稻根際富集的鐵錳氧化物結合態cd和有機結合態cd遠遠大於非根際，其原因就是根分泌物使得金屬cd在根際環境中沉澱了下來。另一方面，根分泌物中的有機酸和酚類化合物與某些重金屬形成可溶性絡合物，增加了鐵、錳、鋅等離子的植物有效性，從而提高植物提取重金屬汙染物的能力。cieslinski等[26]的研究表明，根分泌物中的小分子量有機酸對重金屬（如cd）具有增溶作用，使得土壤中重金屬更容易被植物所吸收，從而促進了重金屬在植物體中的富集。
陸文龍等[27]認為有機酸活化微量元素的可能機理主要是絡合溶解、酸溶解和還原活化作用三個方面。李花粉等[28]研究指出，缺鐵時水稻根系分泌的植物鐵載體活化了水稻根際中的mn、zn、cd，提高了它們的生物有效性。huang[29]等的研究表明，當介質檸檬酸質量分數從1.
2 mg/kg增加到240 mg/kg時，在鈾汙染土壤中b. chinensis這種植物所吸收的鈾的質量分數從低於5 mg/kg增加到5000 mg/kg。有些化合物如有機酸、多肽、蛋白質、edta等可以增加金屬離子的溶解度但降低其活度。
但是，也有相反的結論，沈振國等[30]研究發現，在培養液中加入edta和dtpa等可以顯著抑制重金屬超量積累植物thlaspi caerulescens對cu2+、mn2+和zn2+等離子的吸收，同時刺激了植物對p的吸收。因此，根分泌物一般能夠增加重金屬溶解度和活化重金屬，如果能培育出具有這些根分泌物的植物品種，將具有巨大的應用價值和廣闊的市場。
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