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重金属污染土壤修复中的根际效应研究进展景文杰，全占军，韩煜，蔡譞，马俊勇*中国环境科学研究院摘要 由根际分泌物介导的根际效应表现为根际土壤中微生物种类和活性、土壤理化性质（如酶、pH 、有机质等）显著不同于非根际土壤。
根际效应受土壤类型、植物种类等影响较大，在农业生产、林业防护等领域被广泛研究，并被投入到实际应用中。
近年来，根际效应在土壤修复领域的研究取得了一定进展，但对其修复机制、影响因素等尚缺乏系统性的认识。
综述了受重金属污染土壤中根际效应的修复机制、影响因素，并提出加强修复效果的措施，以期利用根际效应提高土壤生物修复效率。
根际效应驱动根际土壤与非根际土壤中重金属的形态和分布差异显著，受土壤类型、植物功能性状、重金属性质等因素影响，土壤改良、接种外源微生物等措施可强化植物根际对重金属污染土壤的修复效果。
然而目前相关研究时间较短、规模较小，忽略了多年生植物不同生长阶段的根际效应对重金属修复效果的影响，植物生长发育周期长导致筛选特异性修复植物也存在一定的挑战。
随着根际效应在土壤修复领域研究的深入，建议展开更系统、全面、长期的指标监测研究，从而明确影响根际效应修复重金属的主次因素，同时筛选出针对不同重金属污染土壤的特异性修复植物，以便于建立土壤生物修复的植物资源库。
关键词 根际效应；重金属；土壤；根际修复中图分类号：X53 文章编号：1674-991X （2022）01-0153-08 doi ：10.12153/j.issn.1674-991X.20210505Research progress of rhizosphere effect in the remediation ofheavy metal contaminated soilJING Wenjie, QUAN Zhanjun, HAN Yu, CAI Xuan, MA Junyong *Chinese Research Academy of Environmental SciencesAbstract The rhizosphere effect mediated by rhizosphere exudates shows that the species and activities of microorganisms, and soil physicochemical properties such as enzymes, pH and organic matter in rhizosphere soil are significantly different from those in non-rhizosphere soil. Rhizosphere effect is greatly affected by soil types and plant species, etc., and has been widely studied and used in agricultural production and forestry protection. In recent years, some progress had been made in the research of rhizosphere effect on soil remediation, but systematic understanding of its remediation mechanism and influencing factors still needed to be further improved. In this study, the remediation mechanism and influencing factors of rhizosphere effect in heavy metal contaminated soil were reviewed and analyzed, and the measures to strengthen the remediation effect were proposed to improve the soil bioremediation efficiency by rhizosphere effect. The review indicated that the rhizosphere effects drove the significant differences in the form and distribution of heavy metals between the rhizosphere and non-rhizosphere soils. Affected by soil types, plant functional traits, heavy metal properties and other factors, soil improvement and inoculation of exogenous microorganisms could enhance the remediation effect of plant rhizosphere on heavy metals contaminated soil. However, current studies were in short term and small scale, and had neglected the rhizosphere effects at different growth stages of perennial plants on heavy metal remediation, and the long cycle of plant growth and development set a challenge for screening of specific remediation plants. With the deeper study of rhizosphere effect in the field of soil remediation, it was necessary to carry out more systematic, comprehensive and long-term index monitoring researches to identify the primary and secondary factors affecting the restoration of heavy metals by rhizosphere effect. At the same time, specific remediation plants of different heavy metal contaminated soil types收稿日期：2021-09-13基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0501101-3）作者简介：景文杰（1995—），女，硕士研究生，主要从事矿山生态修复根际土壤研究，*****************.cn* 责任作者：马俊勇（1991—），男，助理研究员，博士，主要从事全球气候变化生态学相关研究，*******************Vol.12，No.1环 境 工 程 技 术 学 报第 12 卷，第 1 期Jan.，2022Journal of Environmental Engineering Technology2022 年 1 月景文杰，全占军，韩煜，等.重金属污染土壤修复中的根际效应研究进展[J].环境工程技术学报，2022，12（1）：153-160.JING W J,QUAN Z J,HAN Y,et al.Research progress of rhizosphere effect in the remediation of heavy metal contaminated soil[J].Journal of Environmental Engineering Technology ，2022，12（1）：153-160.were needed to be selected to facilitate the establishment of soil bioremediation plant resource bank. Key words rhizosphere effect; heavy metal; soil; rhizoremediation根际是指植物根系与植物-微生物-土壤之间相互作用的狭窄而敏感的土壤微环境区域，其物理、化学、生物特性与原土体显著不同。
土壤污染防治与修复技术研究随着工业化和城市化进程的加速，土壤污染问题日益突出，对人类健康和生态环境造成了严重威胁。
为了保护土壤资源、保障人民群众的身体健康以及促进可持续发展，土壤污染防治与修复技术的研究变得尤为重要。
本文将从土壤污染的现状入手，介绍相关防治与修复技术的研究进展与应用前景。
一、土壤污染的现状目前，土壤污染种类繁多，主要分为重金属污染、有机污染、农药污染等。
这些污染物在土壤中积累，不仅影响作物生长和品质，还会通过食物链进入人体，对健康造成潜在威胁。
据统计，全球范围内，超过3亿公顷的农田受到不同程度的污染，土壤污染已成为全球性的环境问题。
二、土壤污染防治技术研究进展1.污染源控制技术污染源控制是土壤污染防治的首要任务。
通过加强废水处理、工业排放控制以及农药农化品的安全使用等措施，减少有害物质对土壤的直接输入，达到预防土壤污染的目的。
2.生物修复技术生物修复技术利用微生物、植物和动物等生物体的代谢活动，将污染物转化为无害物质或稳定在土壤中，以达到修复土壤环境的目的。
比如利用微生物菌剂对土壤进行生物修复，可以降解有机污染物，减少土壤中的重金属含量。
3.物理修复技术物理修复技术主要依靠土壤中的物理性质变化来修复污染土壤，如电动修复技术、热解技术等。
这些技术可以有效地改变土壤中污染物的迁移和转化规律，提高土壤的环境质量。
4.化学修复技术化学修复技术是指利用化学方法对土壤中的有害物质进行去除或转化。
常见的化学修复技术包括土壤酸碱调整、氧化还原修复和吸附剂修复等。
这些技术在修复重金属污染和农药残留等方面具有较高的效果。
三、修复技术的应用前景与挑战土壤污染防治与修复技术的研究取得了一定的进展，但仍存在一系列挑战。
首先，修复技术的可行性和适用性有待进一步验证。
不同地区的土壤污染类型和程度各异，需要根据具体情况选择适宜的修复方法。
其次，修复技术的经济性和可持续性需要加强研究。
目前一些高效修复技术的成本较高，还需要进一步优化和降低成本。
第３２卷㊀第８期２０１９年８月环㊀境㊀科㊀学㊀研㊀究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ.３２ꎬＮｏ.８Ａｕｇ.ꎬ２０１９收稿日期:２０１８￣１２￣０６㊀㊀㊀修订日期:２０１９￣０３￣０８作者简介:杨茹月(１９９４￣)ꎬ女ꎬ河北秦皇岛人ꎬ１５７３１３６２８４７ｍ＠ｓｉｎａ.ｃｎ.∗责任作者:①王雷(１９８６￣)ꎬ男ꎬ黑龙江大庆人ꎬ工程师ꎬ博士ꎬ主要从事环境污染控制研究ꎬｗａｎｇｌｅｉ０１＠ｃｒａｅｓ.ｏｒｇ.ｃｎꎻ②吕宁磬(１９８６￣)ꎬ男ꎬ山西忻州人ꎬ助理研究员ꎬ硕士ꎬ主要从事环境污染控制研究ꎬｌｖｎｑ＠ｃｒａｅｓ.ｏｒｇ.ｃｎ基金项目:国家科技重大专项项目(Ｎｏ.２０１６ＺＸ０５０４０００１￣００３)ꎻ中央级公益性科研院所基本科研业务专项(Ｎｏ.２０１４０９０３０)ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.２０１６ＺＸ０５０４０００１￣００３)ꎻＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｓｆｏｒＣｅｎｔｒａｌＰｕｂｌｉｃＷｅｌｆａｒｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｓｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.２０１４０９０３０)植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展杨茹月１ꎬ２ꎬ李彤彤２ꎬ杨天华１ꎬ李艳平２ꎬ刘㊀慧２ꎬ王㊀雷１∗ꎬ吕宁磬２∗１.沈阳航空航天大学能源与环境学院ꎬ辽宁省清洁能源重点实验室ꎬ辽宁沈阳㊀１１０１３６２.中国环境科学研究院ꎬ北京㊀１０００１２摘要:土壤重金属污染植物修复技术应用广泛ꎬ但超富集植物的寻找耗时费力ꎬ现存超富集植物通常生长缓慢㊁生物量低㊁地域限制较大ꎬ导致植物修复效果不能达到预期.基因工程在植物修复中的应用ꎬ为提高植物修复土壤重金属污染的效率提供了新的思路.通过综述基因工程强化植物修复土壤重金属污染的研究进展ꎬ着重关注植物修复关于重金属转运㊁储存㊁解毒过程的调控过程ꎬ主要包括:①控制植物体内重金属由胞外运移至胞内的关键基因ꎬ主要有锌铁调控蛋白㊁黄色条纹样蛋白㊁天然抗性相关巨噬细胞蛋白ꎬ作为载体参与重金属在植物体内的不同组织的转运.②改变重金属在细胞内储存位置㊁提高植物耐受能力的关键基因ꎬ主要调控ＡＴＰ结合盒转运器㊁阳离子扩散促进器和Ｐ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅｓꎬ通过增强植物对重金属的区隔化能力来实现储存功能.③降低重金属对植物毒害作用的关键基因ꎬ主要调控植物体内植物络合素㊁金属硫蛋白的大量合成ꎬ并络合重金属形成螯合物.根据植物基因对重金属超耐性和超富集的作用机制ꎬ建议后续研究可利用基因工程向目标植物导入相关功能基因ꎬ使其在目标植物中高效表达ꎬ并在实际环境中进行植物生长测试应答机制ꎬ最终更好地调控植物体内重金属含量平衡关系ꎬ以克服超富集植物与环境适配性差的缺陷.关键词:土壤ꎻ重金属ꎻ植物修复ꎻ超富集植物ꎻ基因工程中图分类号:Ｘ５３㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００１￣６９２９(２０１９)０８￣１２９４￣１０文献标志码:ＡＤＯＩ:１０ １３１９８∕ｊ ｉｓｓｎ １００１￣６９２９ ２０１９ ０３ １９ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＥｎｈａｎｃｅｄＰｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｂｙＧｅｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＨｅａｖｙＭｅｔａｌＰｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎＳｏｉｌＹＡＮＧＲｕｙｕｅ１ꎬ２ꎬＬＩＴｏｎｇｔｏｎｇ２ꎬＹＡＮＧＴｉａｎｈｕａ１ꎬＬＩＹａｎｐｉｎｇ２ꎬＬＩＵＨｕｉ２ꎬＷＡＮＧＬｅｉ１∗ꎬＬÜＮｉｎｇｑｉｎｇ２∗１.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙｏｆＬｉａｏｎｉｎｇꎬＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１３６ꎬＣｈｉｎａ２.ＣｈｉｎｅｓｅＲｅｓｅａｒｃｈＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００１２ꎬＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｆｏｒｈｅａｖｙｍｅｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｏｉｌ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｓｌｏｗｇｒｏｗｔｈｒａｔｅꎬｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗｂｉｏｍａｓｓａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｔｙｐｅｏｆｐｌａｎｔｓｏｆｔｅｎｌｉｍｉｔｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｅｘｉｓｔｉｎｇｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓꎬｓｅａｒｃｈｉｎｇｂｅｔｔｅｒｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｉｓｔｉｍｅ￣ｃｏｎｓｕｍｉｎｇａｎｄｌａｂｏｒｉｏｕｓ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｖｉｄｅｓｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｈｅａｖｙｍｅｔａｌｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｓｏｉｌｂｙｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ.Ｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｇｅｎｅｓｆｏｒｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓ:(１)Ｔｈｅｋｅｙｇｅｎｅｓꎬｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｍｉｇｒａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｆｒｏｍｔｈｅｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｔｏｔｈｅｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒꎬａｒｅｏｆｔｅｎｒｅｌａｔｅｄｔｏｚｉｎｃ￣ｉｒｏｎｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｐｒｏｔｅｉｎｓꎬｙｅｌｌｏｗｓｔｒｉｐｅ￣ｌｉｋｅｐｒｏｔｅｉｎｓꎬａｎｄｎａｔｕｒａｌ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ￣ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｍａｒｏｐｈａｇｅｐｒｏｔｅｉｎ.Ｔｈｅｙｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅａｓｃａｒｒｉｅｒｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｕｐｔａｋｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｓｓｕｅｓｏｆｐｌａｎｔｓ.(２)ＴｈｅｋｅｙｇｅｎｅｓꎬｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｃｅｌｌｓꎬｏｆｔｅｎｒｅｇｕｌａｔｅＡＴＰ￣ｂｉｎｄｉｎｇｃａｓｓｅｔｔｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒꎬｃａｔｉｏｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔａｔｏｒｆａｍｉｌｙａｎｄＰ１ＢｔｙｐｅＡＴＰａｓｅ.Ｔｈｅｙｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｌａｎｔｓｔｏｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｔｒａｎｓｐｏｒｔｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ.(３)Ｔｈｅｋｅｙｇｅｎｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｈｙｔｏｃｈｅｌａｔｉｎｓａｎｄｍｅｔａｌｌｏｔｈｉｏｎｅｉｎꎬｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｔｈｅｔｏｘｉｃｉｔｙｔｏｐｌａｎｔｓｂｙｆｏｒｍｉｎｇｓｔａｂｌｅｃｈｅｌａｔｅｓｗｉｔｈｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ.Ａｌｌｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｇｅｎｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅｒｅｖｅａｌｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｈｙｐｅｒｔｏｌｅｒａｎｃｅａｎｄｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｈｅｎｃｅｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｒｅｖｅｒｓｅｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｅｎｅｓｉｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｌａｎｔｓｍｉｇｈｔｂｅ第８期杨茹月等:植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展㊀㊀㊀ｂｅｔｔｅｒｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅꎬｗｈｉｃｈｉｓｅｎａｂｌｅｐｌａｎｔｓｔｏｇｒｏｗｉｎｔｈｅｎａｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｗｏｕｌｄｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｂａｌａｎｃｅｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｃｏｎｔｅｎｔｉｎｐｌａｎｔｓꎬｓｏａｓｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｐｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｏｉｌꎻｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓꎻｐｈｙｔｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎꎻｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒꎻｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀随着我国工业化㊁城市化进程的不断推进ꎬ在矿产开发㊁电镀冶炼㊁污水灌溉㊁农业施肥等过程中存在管理制度不完善的问题ꎬ导致土壤重金属污染严重[１].据统计ꎬ目前我国耕地面积约１ˑ１０８ｈｍ２ꎬ重金属污染的耕地面积约２ˑ１０７ｈｍ２ꎬ受重金属污染的粮食达１ ２ˑ１０７ｔꎬ经济损失高达２ˑ１０１０元[２].儿童 血铅 超标ꎬ 镉米 事件无时无刻不在向人类敲响警钟ꎬ重金属污染对人类的生产生活产生了巨大影响ꎬ关于土壤重金属污染修复的研究成为当今重点. 十三五 规划以来ꎬ我国加大了对土壤修复的力度ꎬ原环境保护部组织编制了«重金属及有毒有害化学物质污染防治 十三五 规划纲要(征求意见稿)»ꎬ为保障人类的身体健康ꎬ急需研发经济㊁高效㊁实用的土壤重金属修复技术[３].目前常见的土壤重金属污染修复技术主要包括物理修复㊁化学修复㊁生物修复ꎬ生物修复中的植物修复因技术成本低㊁操作简便㊁应用范围广㊁无二次污染以及可以回收植物体中重金属等优点[４]ꎬ被学术界以及各国和地区的环境保护部门广泛接受.近年来ꎬ美国㊁法国等均在植物修复方面的研究投入了大量资金ꎬ随着经济的快速发展ꎬ植物修复的应用前景将会越来越广泛[５].植物修复技术的关键是超富集植物的筛选ꎬ但因其过程耗时费力㊁获得的植株矮小㊁环境适配性差等缺点ꎬ严重阻碍了植物修复在土壤重金属污染修复中的应用[６].有研究[７￣８]指出ꎬ在烟草中加入ＭＴｓ基因ＣＵＰ１ꎬ可以有效促进烟草对Ｃｕ的吸收和富集ꎬ提高植物对土壤重金属污染的修复效率ꎻ引入对Ｈｇ富集有益的基因ꎬ不仅可以有效提高植物对Ｈｇ的富集量和富集速度ꎬ而且还可以提高植物对Ｈｇ的耐性ꎬ进而提高植物对重金属土壤的修复能力.转录组测序可以克服传统分析检测方法中的缺点ꎬ提高分析检测的速度和结果的准确度㊁完整性ꎬ目前已广泛应用于生物基因结构的分析工作中ꎬ利用转录组测序寻找控制植物超富集和超耐性的关键基因.Ｇｒｉｃｈｋｏ等[９]将细菌中的１￣氨基环丙烷￣１￣羧酸脱氨基酶基因导入番茄中ꎬ发现转基因番茄对Ｃｄ㊁Ｃｏ㊁Ｃｕ㊁Ｎｉ㊁Ｐｂ㊁Ｚｎ的耐性都有不同程度的提高ꎬ同时在各组织中的富集量也得到了提高.Ｐｉｌｏｎ等[１０]将老鼠的ｓｅ￣ｃｙｓ裂解酶基因导入拟南芥中ꎬ转基因拟南芥地上部的硒含量是野生型的１ ５倍.以上试验说明ꎬ在植物修复过程中利用基因工程技术突破了物种之间的界限ꎬ将某些异源(来源于植物㊁细菌或动物等)目的基因转移到目标植物体内并充分表达[１１]ꎬ可有效提高植物对重金属的耐性和富集能力ꎬ针对土壤重金属污染获得更高效的修复植物.因此ꎬ利用基因工程强化植物修复土壤重金属污染成为广大学者当今研究的重点和热点ꎬ具有广阔的发展潜力.该文针对土壤重金属污染问题ꎬ主要介绍植物修复技术关于重金属转运㊁储存㊁解毒过程主要调控基因的研究进展ꎬ同时对未来的研究方向进行展望ꎬ以期为基因工程培育高效修复植物以及提高植物修复土壤重金属污染效率提供参考.１㊀调控重金属向细胞内转运能力的主要基因植物体内重金属的转运行为主要与重金属吸收蛋白相关ꎬ该蛋白主要位于细胞质膜上ꎬ主要作用是将细胞质以外的重金属运输到细胞质.近年来ꎬ随着转录组测序技术的发展ꎬ许多金属转运蛋白基因被鉴定ꎬ主要有锌铁调控蛋白(ｚｉｎｃ￣ｉｒｏｎｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｐｒｏｔｅｉｎｓꎬＺＩＰ家族蛋白)㊁黄色条纹样蛋白(ｙｅｌｌｏｗｓｔｒｉｐｅ￣ｌｉｋｅꎬＹＳＬ家族蛋白)㊁天然抗性相关巨噬细胞蛋白(ｎａｔｕｒａｌ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ￣ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｍａｒｏｐｈａｇｅｐｒｏｔｅｉｎꎬＮｒａｍｐ家族蛋白)等.１ １㊀锌铁调控蛋白(ＺＩＰ家族)ＺＩＰ家族是Ｚｎ转运蛋白家族(ＺＲＴ)和Ｆｅ转运蛋白家族(ＩＲＴ)的合称(见表１)ꎬ主要用于重金属从胞外到胞内的运输[２７].其中ꎬＨｖＺＩＰ５蛋白(ＺＲＴ家族一员)是Ｚｎ的转运体ꎬ在大麦缺乏Ｚｎ元素时参与大麦根部Ｚｎ的平衡ꎻ而ＩＲＴ是Ｆｅ２＋的转运蛋白ꎬ作用原理是诱导根际释放Ｈ＋酸化土壤从而增强Ｆｅ３＋的可溶性ꎬ而后通过铁氧化还原酶(ＦＲＯ)将Ｆｅ３＋还原成Ｆｅ２＋ꎬ在植物缺Ｆｅ情况下ＩＲＴ１将Ｆｅ２＋转运至细胞内ꎬＩＲＴ的转运功能仅针对双子叶植物和非禾本科单子叶植物.目前在拟南芥㊁水稻㊁苜蓿㊁番茄和大豆等植物中发现了１００多个ＺＩＰ家族基因ꎬ现已克隆了６个植物ＺＩＰ家族基因铁载体基因ꎬ其中有２个来源于拟南芥基因ＩＲＴ１㊁ＩＲＴ２ꎬ２个来源于番茄铁载体基因ＬｅＩＲＴ１和ＬｅＩＲＴ２[２８]ꎬ１个来源于水稻铁载体基因ＯｓＩＲＴ１[２９]ꎬ１个来源于豌豆铁载体基因ＰｓＲＩＴ１[３０]ꎬ有关玉米㊁大豆㊁大麦等农作物中Ｚｎ转运蛋白基因的鉴定与克隆还处于起步阶段.５９２１㊀㊀㊀环㊀境㊀科㊀学㊀研㊀究第３２卷表１㊀ＺＩＰ家族基因在不同植物中的表达情况Ｔａｂｌｅ１ＥｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆＺＩＰｆａｍｉｌｙｇｅｎｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｎｔｓ植物种类ＺＩＰ家族基因胁迫条件部位功能数据来源水稻拟南芥ＯｓＺＩＰ１缺Ｚｎ根转运Ｚｎ文献[１２￣１３]ＯｓＺＩＰ４缺Ｚｎ根∕地上部转运Ｚｎ文献[１４￣１６]ＯｓＺＩＰ６缺Ｚｎ㊁Ｆｅ㊁Ｍｎ根∕地上部Ｚｎ向地上部转运文献[１６]ＯｓＩＲＴ１缺Ｆｅ根∕茎吸收和转运Ｆｅ㊁Ｚｎ㊁Ｃｄ文献[１７￣１８]ＯｓＩＲＴ２缺Ｆｅ根吸收ＦｅꎬＣｄ转运Ｃｄ文献[１９]ＡｔＺＩＰ１缺Ｚｎ根∕茎Ｚｎ地上部运输文献[２０]ＡｔＺＩＰ２缺Ｚｎ根Ｚｎ地上部运输文献[２０]缺Ｃｕ根转运Ｃｕ文献[２１]ＡｔＺＩＰ３缺Ｚｎ根∕茎转运Ｚｎ文献[２２￣２３]ＡｔＺＩＰ４缺Ｚｎ根∕地上部转运Ｚｎ文献[２４]ＡｔＺＩＰ５缺Ｃｕ根转运Ｃｕ文献[２５]缺Ｚｎ根∕地上部转运Ｚｎ文献[２０]ＡｔＺＩＰ９缺Ｚｎ根∕地上部转运Ｚｎ文献[２２]ＡｔＩＲＴ１缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献[２５]ＡｔＩＲＴ２缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献[２６]㊀㊀通常地ꎬＺＩＰ家族蛋白转运对象具有专一性ꎬ主要针对Ｚｎ㊁Ｆｅ两种元素.但近期研究表明ꎬＺＩＰ家族蛋白对Ｃｄ２＋㊁Ｃｕ２＋㊁Ｍｎ２＋也具备较好的转运效果ꎬ如位于大麦根部细胞膜上的ＨｖＩＲＴ１蛋白有利于Ｍｎ２＋的吸收和转运[３１]ꎻＯｓＩＲＴ１㊁ＯｓＩＲＴ２蛋白不仅能转运Ｚｎ２＋还能转运Ｃｄ２＋ꎬ且ＯｓＩＲＴ１转运能力远高于ＯｓＩＲＴ２[３２].研究发现ꎬ当植物缺失不同元素时ꎬ表达基因的种类和部位都有所不同ꎬ处于缺Ｃｕ２＋情况下ꎬＡｔＺＩＰ２和ＡｔＺＩＰ５基因在根部过量表达ꎻ缺Ｚｎ２＋时ꎬＯｓＺＩＰ５基因在根部和地上部表达量升高ꎬ缺Ｆｅ２＋和Ｍｎ２＋时该基因只在根中过量表达[３３]ꎬ说明ＺＩＰ蛋白家族参与了多种重金属在植物不同组织的转运.此外ꎬ该家族基因参与重金属在植物体内的再分配[３４]ꎬ因此重金属含量过高或过低时ꎬ基因的表达情况又有所不同.通过对拟南芥的研究发现ꎬ当Ｚｎ２＋含量较少或者缺乏时ꎬＡｔＺＩＰ１~ＡｔＺＩＰ４和ＡｔＩＲＴ１~ＡｔＩＲＴ３基因会过量表达[３５]ꎬＺｎ２＋充足或者过量时ꎬＡｔＺＩＰ１~ＡｔＺＩＰ５㊁ＡｔＺＩＰ９~ＡｔＺＩＰ１２和ＡｔＩＲＴ３基因表达量会增加[３６].ＺＩＰ家族蛋白的独特性质影响着Ｚｎ２＋㊁Ｃｄ２＋等重金属离子在植物体内的运移与分布ꎬ尤其对于水稻这种重要的农作物ꎬ是否会增加有毒重金属在籽粒中累积的研究还需要进一步明确.为了更好地研究ＺＩＰ家族基因ꎬ还需要进一步了解各成员的特异性以及它们之间的关联性ꎬ寻找ＺＩＰ家族基因在不同重金属浓度处理下各组织中的表达和分配规律ꎬ筛选出有利于提高作物中Ｚｎ含量㊁降低有毒重金属含量平衡关系的控制基因ꎬ以提升植物修复重金属累积能力㊁降低农作物重金属毒性.１ ２㊀黄色条纹蛋白(ＹＳＬ家族)ＹＳＬ家族蛋白属于重金属的吸收蛋白ꎬ主要位于质膜上ꎬ少数位于细胞器膜上.该基因最早在玉米根部发现ꎬ作为载体参与Ｆｅ￣ＰＣ螯合物的运输ꎬ为作物提供生长必需的Ｆｅ元素.ＹＳＬ家族蛋白的作用原理是ꎬ在缺Ｆｅ环境中ꎬ植物体内合成大量麦根酸(ＭＡｓ)类物质并分泌至根部ꎬ麦根酸类物质与Ｆｅ３＋螯合形成络合物ꎬ最终ＹＳＬ家族蛋白将络合物转运至细胞内ꎬ该功能只能在禾本科植物中实现.研究发现ꎬ在缺Ｆｅ条件下ꎬ水稻ＯｓＹＳＬ２㊁ＯｓＹＳＬ６㊁ＯｓＹＳＬ８㊁ＯｓＹＳＬ９㊁ＯｓＹＳＬ１３㊁ＯｓＹＳＬ１５㊁ＯｓＹＳＬ１６㊁ＯｓＹＳＬ１８等基因表达水平上调ꎬ增强了植物对Ｆｅ２＋或Ｆｅ３＋的吸收和转运能力[３７￣３９].目前ꎬ已经发现了许多ＹＳＬ家族蛋白成员在不同植物体内㊁不同组织间转运重金属的情况(见表２).如今随着ＹＳＬ家族基因成员相继被发现ꎬ研究者逐渐意识到ＹＳＬ家族基因不仅参与Ｆｅ￣ＰＣ的转运ꎬ还可以转移其他重金属螯合物(Ｃｕ㊁Ｎｉ㊁Ｚｎ等).有研究者对ｙｓｌ１㊁ｙｓｌ３突变体以及ｙｓｌ１和ｙｓｌ３双突变体突变植物研究发现ꎬｙｓｌ１或ｙｓｌ３突变体植株表型没有显著改变ꎬ但是ｙｓｌ１和ｙｓｌ３双突变体的叶片中Ｆｅ６９２１第８期杨茹月等:植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展㊀㊀㊀㊀㊀㊀表２㊀ＹＳＬ家族基因在不同植物中的表达情况Ｔａｂｌｅ２ＥｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆＹＳＬｆａｍｉｌｙｇｅｎｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｎｔｓ植物种类ＹＳＬ家族基因胁迫条件部位功能数据来源拟南芥水稻玉米缺Ｆｅ地上部转运Ｆｅ文献[４０]ＡｔＹＳＬ２缺Ｆｅ高Ｃｕ根∕地上部转运Ｆｅ㊁Ｃｕ文献[４１]缺Ｆｅ缺Ｚｎ根∕地上部转运Ｆｅ㊁Ｚｎ文献[４２]ＯｓＹＳＬ６缺Ｆｅ叶转运Ｆｅ㊁Ｍｎ文献[４３]ＯｓＹＳＬ１２缺Ｚｎ根∕茎转运Ｚｎ文献[４１￣４２]ＯｓＹＳＬ２缺Ｆｅ叶转运Ｆｅ㊁Ｍｎ文献[４３]ＯｓＹＳＬ６正常根∕地上部转运Ｍｎ文献[４４]ＯｓＹＳＬ１５缺Ｆｅ根∕地上部转运Ｆｅ文献[４５￣４６]ＯｓＹＳＬ１６缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献[４７]缺Ｆｅ缺Ｚｎ根转运Ｃｕ文献[４８]ＯｓＹＳＬ１８正常条件花转运Ｆｅ文献[４９]缺Ｆｅ根转运Ｆｅ文献[５０]ＺｍＹＳＬ缺Ｆｅ根∕地上部转运Ｆｅ㊁Ｚｎ㊁Ｃｕ㊁Ｎｉ㊁Ｍｎ㊁Ｃｄ文献[５１￣５３]的含量明显下降ꎬ而Ｍｎ㊁Ｚｎ㊁Ｃｕ的含量显著提高ꎬ种子中Ｆｅ㊁Ｚｎ和Ｃｕ的含量却降低[５４]ꎬ表明ＡｔＹＳＬ１和ＡｔＹＳＬ３蛋白的协同作用与植物体内多种重金属在不同组织之间的运输有关.另有研究[５５￣５６]发现ꎬＹＳＬ家族基因还参与了植物体内重金属的稳态平衡ꎬ如在缺Ｆｅ条件下ꎬ拟南芥ＡｔＹＳＬ１~ＡｔＹＳＬ３基因过量表达ꎬ此时植物对Ｆｅ的吸收和转运能力有一定提高ꎻ在高Ｆｅ条件下ꎬＡｔＹＳＬ４和ＡｔＹＳＬ６基因表达水平上调ꎬ植物对重金属的耐性有显著改善.以上研究说明ꎬＹＳＬ家族基因不仅调控植物体内多种重金属在不同组织的转运ꎬ同时还参与了重金属在植物体内不同组织的分配过程ꎬ有利于植物对重金属的吸收与转运ꎬ可以有效提高植物对重金属的吸收效率.近年来ꎬＹＳＬ家族基因在调控重金属在植物体内转运以及维持重金属在植物体内平衡的研究已经取得了一定进展ꎬ但是研究还仅停留在亚细胞定位㊁基因表达模式等初步阶段ꎬ有关家族成员克隆鉴定的研究还鲜见报道ꎬ各成员之间协同以及对重金属的调配机制尚不明确ꎬ因此对于该基因的深入研究任重而道远.１ ３㊀天然抗性相关巨噬细胞蛋白(Ｎｒａｍｐ家族)Ｎｒａｍｐ家族蛋白是一个膜整合蛋白家族ꎬ同样位于细胞膜上ꎬ与重金属的转运密切相关.Ｓｕｐｅｒ等[５７]提出了一种作用机理模型ꎬ即细胞内吞细菌形成内吞小体ꎬ随后细胞产生活性氧和∕或氮的中间产物(ＮＯ２－㊁ＮＯ３－等)以杀死细菌ꎬ此时细菌会以Ｆｅ２＋㊁Ｍｎ２＋或其他金属离子为辅助因子ꎬ合成自身的活性氧清除系统来去除活性氧而得以生存.Ｎｒａｍｐ１基因则通过将这些金属离子运出内吞小体使细菌无法合成防御酶系ꎬ再利用活性氧杀死细菌ꎬ使细胞抗菌.Ｓｕｐｅｒ等[５７]的研究开辟了Ｎｒａｍｐ家族基因转运金属离子的研究ꎬ后来陆续在酵母㊁果蝇㊁人类和植物体内发现该家族基因ꎬ为植物修复土壤中重金属的研究提供了新的思路.目前ꎬ已经有学者在西红柿㊁卷心菜㊁菜豆㊁小麦㊁玉米以及一些杂草中发现了Ｎｒａｍｐ家族基因ꎬ发现ＯｓＮｒａｍｐ１基因主要在根中表达ꎬＯｓＮｒａｍｐ２基因主要在叶中表达ꎬＯｓＮｒａｍｐ３基因在两种组织中都会表达[５８]ꎬＮｒａｍｐ家族基因在植物不同组织中的表达正说明它们在调控以及在特定环境中行使功能的能力存在差异.Ｎｒａｍｐ２基因与生物体内Ｆｅ的代谢有着密切联系ꎬ是迄今为止第一个克隆的跨膜铁转运体ꎬ缺少Ｎｒａｍｐ２基因可能会导致生物缺铁性贫血.之前一直认为Ｎｒａｍｐ家族基因只能转运Ｆｅ２＋ꎬ但后来有研究发现ꎬ植物体内该家族基因不仅能够转运Ｆｅꎬ而且对Ｍｎ２＋㊁Ｚｎ２＋㊁Ｃｏ２＋㊁Ｃｄ２＋㊁Ｃａ２＋㊁Ｃｕ２＋㊁Ｎｉ２＋和Ｐｂ２＋等阳离子[５９￣６０]的转运也起着重要的调控作用ꎬ但其具体机制尚未发掘.有关Ｎｒａｍｐ家族基因结构与组织表达的研究一直处于对动物的抗病原微生物的侵染上ꎬ有关植物体内Ｎｒａｍｐ家族基因的研究还处于起步阶段ꎬ家族基因在植物体内的具体定位㊁应答机制还有待验证ꎬ与其他转运铁离子的蛋白不同ꎬ该家族基因可能与铁代谢相关疾病的产生有关ꎬ从以往的研究可以看出ꎬＮｒａｍｐ家族基因不仅能实现植物体内金属离子的高７９２１㊀㊀㊀环㊀境㊀科㊀学㊀研㊀究第３２卷效吸收与转运ꎬ还能提高植物的抗病能力.因此ꎬ该基因的深入研究很可能为植物修复土壤重金属污染提供新的思路.２㊀调控重金属在细胞内储存能力的主要基因与重金属储存相关的蛋白是重金属排出蛋白ꎬ该蛋白主要定位于细胞器膜上ꎬ能将重金属运出细胞质或运送至特殊细胞器(如液泡)ꎬ在植物重金属区室化过程起着重要作用.目前研究较多的主要包括ＡＴＰ结合盒(ＡＢＣ转运器)(ＡＴＰ￣ｂｉｎｄｉｎｇｃａｓｓｅｔｔｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ)㊁阳离子扩散促进器(ｃａｔｉｏｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔａｔｏｒｆａｍｉｌｙꎬＣＤＦ)和Ｐ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅｓ(Ｐ１ＢｔｙｐｅＡＴＰａｓｅ).２ １㊀ＡＴＰ结合盒(ＡＢＣ型转运器)ＡＢＣ型转运器是实现底物跨膜运输的重金属排出蛋白ꎬ可以将重金属转移到液泡中储存起来.Ｂｏｖｅｔ等[６１]发现ꎬ阿拉伯芥菜在Ｃｄ２＋胁迫下ＡｔＭＲＰ３基因过量表达ꎬ且该基因表达水平受Ｃｄ２＋浓度调控ꎬ从而发现了其作用机理ꎬ即基因表达产物充当了Ｃｄ及Ｃｄ结合物的流出泵ꎬ在Ｃｄ２＋浓度升高时ꎬ将细胞吸收的Ｃｄ及Ｃｄ结合物泵出细胞质ꎬ储存到液泡等细胞器中ꎬ增强植物对重金属的耐性.目前已经鉴定了超过１３０种该家族基因[６２]ꎬ在庞大的家族基因中ꎬＭＲＰ和ＰＤＲ是目前研究最为深入的调控Ｃｄ２＋储存的蛋白亚族[６３].如ＡｔＡＢＣＣ３(ＭＲＰ)蛋白参与植物体内ＰＣ￣Ｃｄ运输到液泡储存的生物过程[６４]ꎬＫｉｍ等[６５]发现ꎬＣｄ胁迫下ꎬ根部表皮细胞质膜中ＡｔＡＢＣＧ３６或ＡｔＰＤＲ８基因会过量表达ꎬ将Ｃｄ２＋或Ｃｄ的络合物泵出细胞质膜ꎬ在其他细胞器中储存从而降低细胞内重金属含量.另外ꎬ研究发现ꎬＰＤＲ蛋白不仅调控了Ｃｄ２＋的储存ꎬ还参与了Ｐｂ２＋在植物体内的储存.如Ｌｅｅ等[６６]研究发现ꎬＡｔＡＢＣＧ４０或ＡｔＰＤＲ１２(ＰＤＲ)基因在Ｐｂ胁迫下会过量表达ꎬＡｔＡＢＣＧ４０蛋白能将Ｐｂ或Ｐｂ的衍生物运出细胞质ꎬ增强拟南芥对Ｐｂ的耐性.由于ＡＢＣ家族基因广泛存在于植物体内ꎬ且Ｃｄ㊁Ｐｂ污染往往相伴而生ꎬ这一发现或可实现修复植物同时去除两种重金属的构想ꎬ解决现存超富集植物修复重金属单一的问题.ＡＢＣ转运蛋白影响着植物对重金属的储存过程ꎬ虽然相关研究已经有了一定进展ꎬ但是由于该家族基因庞大ꎬ功能多样ꎬ且不同植物的代谢途径不同ꎬ转运蛋白的结构功能也千差万别ꎬ所以无法将单一生物体的科研成果直接运用到其他植物中.因而ꎬ面对庞大的蛋白家族ꎬ还远不能系统地观察ＡＢＣ家族基因的作用机制ꎬ今后工作中应多借助生物信息学㊁遗传学等方法研究ＡＢＣ家族基因的功能ꎬ也可以利用基因工程在其他植物种中使该基因异源表达ꎬ提高重金属的转移能力ꎬ或者通过基因序列比对来挖掘基因功能的相关性.２ ２㊀阳离子扩散促进器(ＣＤＦ)阳离子扩散进器(ＣＤＦ)能将重金属从细胞质中外排到细胞外或将其运输到细胞器或储存室中ꎬ增加植物对重金属的耐性ꎬ其作用原理是通过结合组氨酸残基㊁天冬氨酸残基和谷氨酸残基调节底物和质子的储存.Ｋｏｂａｅ等[６７]研究证实了ＣＤＦ家族基因的功能ꎬ发现ＡｔＭＴＰ１蛋白位于叶片和根部细胞的液泡膜上ꎬ验证了ＡｔＭＴＰ１基因在细胞内的瞬时表达情况ꎬ推测出其作用可能是运载Ｚｎ２＋至液泡储存ꎬ从而增强了植物对重金属的耐性.目前ꎬ现已发现的ＣＤＦ家族蛋白成员为１１０个ꎬ其中对ＭＴＰ１蛋白的研究较为广泛ꎬＭＴＰ１蛋白存在于植物所有组织中ꎬ能转运Ｚｎ２＋㊁Ｃｄ２＋ꎬ当ＭＴＰ１基因过量表达时ꎬ拟南芥对Ｚｎ的耐性增强[６８].以往研究认为ꎬＣＤＦ主要影响Ｚｎ２＋㊁Ｃｄ２＋在液泡中的储存ꎬ但是有研究[６９]表明该家族基因对Ｃｏ２＋㊁Ｍｎ２＋㊁Ｎｉ２＋㊁Ｆｅ２＋的储存也有一定的调控作用.如来自柱花草的ＳｈＭＴＰ１基因在拟南芥中表达ꎬ可以使Ｍｎ被隔离到植物细胞器中ꎬ增强拟南芥对Ｍｎ的耐性[６９]ꎻ在遏蓝菜相关研究中发现ꎬＣＤＦ基因过量表达后有利于Ｎｉ２＋转运与储存[７０].随着土壤重金属污染程度加剧ꎬ上述发现或可为植物修复土壤中重金属的研究提供一定依据.ＣＤＦ家族蛋白普遍存在ꎬ相关研究也在不断深入ꎬ但是关于它们的结构和功能机制尚未明确ꎬ主要包括:①大多数与ＣＤＦ相关的研究都是在植物体外进行ꎬ在植物体内㊁体外的效应是否相同?②不同植物体ＣＤＦ具体定位还未明确ꎬ现有研究对于其处于细胞质还是细胞器存在质疑ꎻ③底物运转机制以及此类蛋白未来的开发利用等.这些都是目前研究的热点和难点ꎬ也是今后的工作中亟待解决的问题.２ ３㊀Ｐ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅｓＰ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅ蛋白利用ＡＴＰ水解产生的能量ꎬ作为离子跨膜运输的离子泵ꎬ其家族成员由多个重金属ＡＴＰａｓｅｓ(ＨＭＡ)组成.目前已经发现的该家族基因主要包括:拟南芥中８个ＨＭＡ基因(ＡｔＨＭＡ１~ＡｔＨＭＡ８)ꎬ水稻中９个ＨＭＡ基因(ＯｓＨＭＡ１~ＯｓＨＭＡ９)ꎬ大麦中１０个ＨＭＡ基因(ＨｖＨＭＡ１~ＨｖＨＭＡ１０)ꎬ大豆中９个ＨＭＡ基因(ＧｍＨＭＡ１~８９２１第８期杨茹月等:植物基因工程修复土壤重金属污染研究进展㊀㊀㊀ＧｍＨＭＡ９)ꎬ绿藻中３个ＨＭＡ基因(ＣｒＨＭＡ１~ＣｒＨＭＡ３)ꎬ红藻中２个ＨＭＡ基因(ＣｍＨＭＡ１~ＣｍＨＭＡ２)[７１￣７３].Ｐ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅ家族基因在拟南芥中的研究相对成熟ꎬＡｔＨＭＡ３蛋白的ｍＲＮＡ广泛分布在拟南芥的不同组织中ꎬ位于液泡膜上ꎬ可以将Ｃｄ运进液泡ꎬ起到区隔化Ｃｄ的功能.在其他植物中转该基因ꎬ发现转基因植物对Ｃｄ的富集量比野生型增加了２~３倍ꎬ证明了ＡｔＨＭＡ３蛋白有利于植物对Ｃｄ的储存[７４].此外ꎬ研究人员[７５]发现ꎬ过量表达ＡｔＨＭＡ３基因还影响着Ｃｏ㊁Ｐｂ和Ｚｎ的区隔化过程ꎬ因此ＡｔＨＭＡ３蛋白可能参与多种重金属在液泡中的储存过程.随着二代测序技术的发展以及转基因技术的成熟ꎬＰ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅ家族基因成员不断被发现ꎬ且少部分亚家族已经被克隆出来(如ＨＭＡ１基因)ꎬ并且验证了其在Ｚｎ㊁Ｃｄ㊁Ｐｂ㊁Ｃｏ等离子的运输储存过程中起着关键作用.但是还有许多亚家族的具体组织分布㊁亚细胞的定位㊁分子调控机制等还需进一步阐明ꎬ今后还需继续深入解析Ｐ１Ｂ型ＡＴＰａｓｅｓ家族基因对植物重金属储存的调控作用ꎬ为基因工程在植物修复中的应用提供可靠的研究基础.３㊀调控重金属在植物体内毒性的主要基因重金属毒性是植物吸收重金属的主要障碍ꎬ植物通过产生多肽与重金属形成螯合物固定金属离子ꎬ进而降低其生物毒性ꎬ增强植物对重金属的耐性.目前研究较多的对重金属有螯合作用的物质主要包括植物络合素(ｐｈｙｔｏｃｈｅｌａｔｉｎｓꎬＰＣｓ)和金属硫蛋白(ＭｅｔａｌｌｏｔｈｉｏｎｅｉｎꎬＭＴｓ).３ １㊀植物络合素(ＰＣｓ)ＰＣｓ是植物体内螯合重金属的重要物质ꎬ在植物解毒机制中占有重要地位.在某些重金属离子胁迫下ꎬ植物体内的谷氨酸和半胱氨酸在谷氨酰半胱氨酸合成酶㊁植物螯合酶的作用下形成ＰＣｓꎬＰＣｓ通过巯基与金属离子螯合形成无毒络合物ꎬ这些络合物通过转运蛋白被运输到胞外或将其储存在细胞壁㊁液泡以及叶片表皮毛等部位ꎬ减少细胞内游离的金属离子ꎬ解除重金属的毒害作用从而提高植物对重金属的耐性.因此ꎬ目前对合成ＰＣｓ相关基因的鉴定和克隆成为分子生物学研究的热点之一[７６].ＰＣｓ不是基因的直接翻译产物ꎬ而是以谷胱甘肽(ＧＳＨ)为底物ꎬ在植物络合素合成酶(ＰＣＳ)基因的催化下合成的小分子多肽[７７].因此ꎬ若想通过增加植物体内ＰＣｓ的含量来降低植物对重金属的毒害作用ꎬ只需使ＰＣＳ基因在植物体内过量表达即可实现.如在粉蓝烟草中表达小麦中编码植物络合素的基因(ＴａＰＣＳ１)ꎬ能够显著增加粉蓝烟草对Ｐｂ和Ｃｄ的耐受性[７８].随着转基因技术的逐渐成熟ꎬ多种生物的ＰＣＳ基因在烟草中表达ꎬ试验结果表明ꎬ转线虫[７９]㊁拟南芥[８０]㊁狗牙根[８１]的ＰＣＳ基因烟草对Ｃｄ的耐性都有不同程度的提高.随着ＰＣＳ基因被克隆表达ꎬ人们逐渐深入研究如何使ＰＣＳ基因活化达到大量合成ＰＣｓ的目的ꎬ研究[８２]表明ꎬ所有能诱导ＰＣｓ合成的金属离子都能增强ＰＣＳ蛋白的活性ꎬ只是不同金属离子之间存在较大差异ꎬ如Ｐｂ２＋的激活能力是Ａｇ＋的近５０倍.以上试验结果说明ꎬＰＣＳ基因可以控制ＰＣｓ的合成ꎬＰＣｓ能有效螯合重金属ꎬ降低重金属毒性ꎬ提高植物对重金属的耐性.目前多种ＰＣＳ基因被克隆ꎬ但是仅局限于少数物种的分析ꎬ相应的结果并不适用于所有类别的植物.试验中采用的重金属(如Ｃｄ)的浓度㊁不同理化性质的土壤对ＰＣｓ的产生都有一定影响ꎬ试验中重金属浓度大多超过环境中实际发生的情况ꎬ该条件会引起重金属对植物的急性胁迫ꎬ与植物真正的生长状况有一定区别ꎬ因此这些都是以后在研究中需要考虑的因素.另外ꎬ研究中各种模拟试验条件获得的结果是否具有普遍性和实用性也是今后试验中需要考虑的问题.３ ２㊀金属硫蛋白(ＭＴｓ)金属硫蛋白(ＭＴｓ)存在于植物的根㊁茎㊁叶㊁花㊁果实和种子等组织中ꎬ可以显著提高植物对Ｃｄ㊁Ｃｕ等重金属的耐受性.ＭＴｓ主要通过半胱氨酸残基上的巯基与重金属结合形成无毒或低毒的络合物ꎬ最终通过转运蛋白将复合物转运到细胞器中储存ꎬ提高植物对重金属的耐性.根据半胱氨酸残基的种类ꎬ可将ＭＴｓ分为４类 ＭＴ１㊁ＭＴ２㊁ＭＴ３㊁ＭＴ４ꎬ它们均对Ｃｕ有很强的亲和力ꎬ同时可以固定Ｃｄ㊁Ｃｕ㊁Ｚｎ等ꎬ甚至可以改变Ｃｄ和Ｃｕ的致死剂量[８３].有研究[８４]表明ꎬ牧豆中ＰｊＭＴ１和ＰｊＭＴ２基因可以被Ｃｕ２＋和Ｚｎ２＋诱导表达ꎬ而ＰｊＭＴ３基因可以被Ｃｕ２＋㊁Ｚｎ２＋㊁Ｃｄ２＋诱导.杨柳[８５]㊁龙葵[８６]㊁亚麻[８７]等在Ｃｄ２＋胁迫下ＭＴｓ基因得到高效表达ꎬ为了验证ＭＴｓ的功能ꎬ研究者[８８]将不同的ＭＴ基因转入拟南芥中ꎬ发现转基因植物对Ｃｕ的忍耐能力比对照组提高了２０倍ꎬ但是植物对重金属的吸收没有明显变化.将酵母的ＭＴ基因转入花椰菜中ꎬ发现转基因花椰菜对Ｃｄ的耐性和吸收能力较野生花椰菜均有显著提高[８９].上述试验结果说明ꎬＭＴ基因过量表达有利于ＭＴｓ的合成ꎬ而ＭＴｓ可以有效与重金属螯合ꎬ降低重金属毒性ꎬ从而增强植物对重９９２１。
278区域治理ON THE W AY作者简介：张文辉，生于1988年硕士研究生，中级工程师，研究方向为土壤与地下水修复。
生物修复技术处理重金属污染土壤的研究进展张文辉1，王宁21.山东省环境保护科学研究设计院有限公司；2.中科华鲁土壤修复工程有限公司摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，土壤重金属污染越来越严重，已经成影响生态环境的重要因素。
本文通过对造成土壤重金属污染的因素进行介绍，进而对重金属污染土壤的生物修复技术进行研究，并提出相关的解决措施，为治理重金属污染土壤的工作人员提供一些借鉴。
关键词：生物修复技术；重金属污染；土壤；进展中图分类号：P618.5文献标识码：A文章编号：2096-4595（2020）34-0278-0001土壤是农业生产的重要物质基础,也是生态环境的重要组成部分。
随着社会经济快速发展,我国土壤环境面临严重的重金属污染问题。
重金属在环境中不会降解、消失,土壤中有毒有害重金属物质的含量超过土壤的自净能力,进而导致土壤的物理、化学和生物学性质发生改变,使农作物的产量和质量降低，并通过食物链进入人体从而危害人类健康。
近年来,重金属污染的生物修复技术正在兴起。
生物修复技术是利用特定的生物(植物、微生物或原生动物)将重金属吸收、转化、降解、富集、转移,进而恢复土壤系统正常生态功能的过程,是实现环境净化、生态效应恢复的生物措施,是重金属污染土壤的环境友好型治理技术。
一、重金属污染与生物修复技术概述重金属污染主要指对生态环境造成的污染来源物的密度在5以上的金属或者一些化合物，而造成土壤重金属污染基本都来源于人类的活动。
在我国重金属对土壤的污染以铬与铅等物质为主。
重金属对我国的土壤造成巨大污染，对依附于土壤的相关工农业活动造成巨大影响。
生物修复技术的出现为治理环境带来新的契机，而其修复原理主要是对生物分解有害物质的能力进行有效利用，将土壤中的污染物进行清除，从而达到治理环境的目的。
通过对该技术在石油污染治理中的实践，证明其具有可行性与应用价值，且在清理土壤中的重金属污染具有重要作用。
土壤重金属污染与修复措施研究进展学生姓名：王继宇学号： 201172136班级：作物(zyxw)S111学院：农学院课程：环境生态学指导教师：周建利二○一二年六月土壤重金属污染与修复措施研究进展摘要：本文首先综述了国内外土壤重金属污染的现状，揭示了目前土壤重金属污染问题日益严重，然后论述了土壤重金属污染的内涵、污染物的来源，以及土壤重金属污染的特点和危害，最后阐述了土壤重金属污染的修复措施。
关键字：土壤污染重金属来源特点修复措施近年来随着社会经济的快速发展，土壤中重金属含量不断增加，土壤重金属污染已成为普遍的环境问题，越来越受到人们的关注。
据统计，1980年我国工业三污染耕地面积266.7万公顷，1988年增加到666.7万公顷，1992年增加到1000万公顷。
目前，全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2000万公顷，约耕地面积的1/5。
我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1000万吨，被重金属污染的粮食多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元[1]。
据农业部环监测系统近年的调查，我国24个省（市）城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展快地区的320个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积为60.6万公顷，占调查总面积的20%。
其中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与总面积的80%以上，尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其复合污染最为突出。
当前我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，其中Cd污染较普遍，污染面积近1000万公顷，其次是Pb、Zn、Cu、Hg等。
有许多地方粮食、蔬菜水果等食物中Cd、Cr、As、Pb等重金属含量超标和接近临界值。
据粗略统计，过去50年中，排放到全球环境中的Cd达到2.2万吨、Cu 93.9万吨、Pb78.3万吨、Zn13.5 万吨。
其中有相当部分进入了土壤，对土壤造成严重污染[2]。
1、土壤重金属污染的内涵重金属系指密度4.0以上约60种元素或密度在5.0以上的45种元素。
土壤重金属污染源溯源与修复技术研究 摘要：土壤重金属污染已成为全球性环境问题，对人类健康和生态系统构成严重威胁。本研究旨在通过综合分析土壤样品，追溯污染源，并探索有效的修复技术。采用ICP-MS技术对土壤中铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)等重金属含量进行定量分析，结合地理信息系统(GIS)技术确定污染分布。研究结果表明，工业活动是导致土壤重金属污染的主要原因，而植物修复和微生物修复技术显示出良好的修复潜力。本研究为土壤重金属污染的防治提供了科学依据和实用技术。
关键词：土壤污染；重金属；污染源溯源；修复技术；环境治理 引言 近年来，随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重。重金属如铅、镉、铬等，因其难以降解且具有生物累积性，一旦进入土壤，便可能通过食物链对人类健康造成长期影响。开展土壤重金属污染源的溯源工作，探索有效的修复技术，对于保护环境、保障人民健康具有重要意义。本文通过实地调查、实验室分析和GIS技术应用，旨在揭示污染源并提出切实可行的修复策略，以期为相关领域的研究和实践提供参考。
一、土壤重金属污染现状与危害 土壤重金属污染是一个全球性的环境问题，它不仅破坏了土壤的结构和功能，还对人类健康和生态系统造成了严重的威胁。重金属如铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)等，因其不易被生物降解且具有高度的生物累积性，一旦进入土壤环境，便可能通过食物链累积在人体中，引发各种健康问题。据世界卫生组织(WHO)报告，全球每年约有120万人因重金属污染导致的疾病而死亡。在中国，随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染问题也日益凸显。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤污染点位超标率为16.1%，其中重度污染点位占1.1%，而镉、汞、砷、铅、铬等重金属污染问题尤为严重。 土壤重金属污染的危害主要表现在以下几个方面：它直接影响农产品的质量安全。重金属可以通过作物根系吸收，累积在作物体内，进而通过食物链进入人体，对人体健康造成威胁。土壤重金属污染还会影响土壤微生物的多样性和活性，破坏土壤的生物功能，降低土壤的生产力。重金属污染还可能导致地下水污染，影响水资源的安全。为了更准确地评估土壤重金属污染的现状，研究人员通常会采用土壤样品采集和分析的方法。例如，通过使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术，可以对土壤中的重金属含量进行精确测定。根据2018年的一项研究，某工业区土壤中铅的含量高达320 mg/kg，远超国家土壤环境质量标准(GB 15618-2018)中规定的二级标准限值（铅含量不超过70 mg/kg）。
重金属污染土壤修复技术重金属污染土壤修复技术土壤重金属污染是指土壤中某些重金属元素如铅、镉、汞、铬等的含量超过了土壤环境背景值或土壤环境质量标准，导致土壤环境质量下降，生态系统功能受损，对人类健康和农业生产构成威胁。
随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重。
因此，研究和开发有效的重金属污染土壤修复技术具有重要意义。
一、重金属污染土壤修复技术概述重金属污染土壤修复技术是指通过物理、化学或生物等方法，将土壤中的重金属元素去除或稳定化，使其达到安全水平，以恢复土壤生态功能和农业生产能力。
这些技术可以根据其作用原理和应用方式的不同，大致分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。
1.1 物理修复技术物理修复技术主要包括土壤挖掘、土壤置换、土壤淋洗等方法。
这些方法通过物理作用将土壤中的重金属元素去除或迁移到其他介质中，从而达到修复土壤的目的。
物理修复技术的优点是处理速度快，效果明显，但缺点是成本高，且可能对土壤结构和生态环境造成破坏。
1.2 化学修复技术化学修复技术主要包括土壤固化稳定化、土壤化学淋洗、土壤氧化还原等方法。
这些方法通过化学反应将土壤中的重金属元素转化为低毒性或不溶性形态，从而降低其生物可利用性。
化学修复技术的优点是处理效果好，适用范围广，但缺点是可能产生二次污染，且成本较高。
1.3 生物修复技术生物修复技术主要包括植物修复、微生物修复等方法。
这些方法利用生物体的代谢作用，将土壤中的重金属元素吸收、转化或固定，从而达到修复土壤的目的。
生物修复技术的优点是环境友好，成本相对较低，但缺点是处理周期长，且受环境条件影响较大。
二、重金属污染土壤修复技术的应用重金属污染土壤修复技术的应用需要根据污染程度、土壤类型、气候条件等因素综合考虑，选择合适的修复技术或技术组合。
以下是一些常见的重金属污染土壤修复技术的应用案例。
2.1 物理修复技术的应用在一些重金属污染严重的城市工业区，土壤挖掘和置换是一种常用的修复方法。
镉污染土壤修复技术研究进展摘要简单描述了镉污染对粮食安全、生活环境和人体健康的危害；详细介绍了国内外包括农业生态修复、物理修复、化学修复和生物修复在内的镉污染土壤修复技术的概念、优势及制约因素；着重阐明了植物修复技术的研究现状和应用前景，为镉污染土壤修复提供参考和基础。
关键词镉污染；土壤修复；生物修复；研究进展镉是环境中毒性最强的重金属元素之一，位于元素周期表中第二副族，也是《重金属污染综合防治“十二五”规划》重点监控与污染物排放量控制的5种重金属之一；具有生物迁移性强、极易被植物吸收和积累的特点，对动植物和人体均可产生毒害作用[1]，严重时甚至会造成骨痛病、高血压、肾功能紊乱、肝损害、肺水肿等疾病[2]；据统计，我国每年生产的镉含量超标农产品和动物造成累积性毒害品达146万t[3]，镉污染的农田面积已超过28万hm2，年产镉超标农产品达150万t[4]，我国市场上常见的市售大米约10%存在镉超标[5]，对环境经济和人类的身体健康造成了极大的隐患。
近年来湖南浏阳、云南曲靖以及广西河池地区先后发生的镉污染事件[6]造成了极大的影响，因此控制镉污染，加大对镉污染土壤修复力度已经势在必行，笔者对目前最新镉污染土壤修复的方法予以全面概述，着重于镉污染土壤的生物修复，旨在为后续的研究提供参考。
1 农业生态修复农业生态修复措施是指因地制宜选择耕作管理制度来减轻重金属危害，主要包括农艺修复措施和生态修复措施。
农艺修复措施一般是通过耕作制度的改变，辅以多种植物组合间作、轮作以及套作或者通过向镉污染土壤中加入能结合游离态的镉形成有机络合物的有机肥，从而达到有效减少土壤中镉的含量、降低植物对镉的吸收的目的，实现土壤中镉的迁移、吸收和降解[7-8]。
我国在生态修复措施方面研究较多，一般通过调节包括土壤水分等在内的生态因子来实现对污染物所处环境介质的调控[9]。
农业生态修复措施既能保持土壤的肥力，又能促进自然生态循环和系统协调的运作，但存在着修复时间长、见效慢等不利因素。
重金属污染土壤修复生物炭对重金属污染土壤修复的研究1.土壤重金属污染现状重金属就是指比重大于5.0g/cm3的金属元素，主要包含锌（zn）、银（pb）、镉（cd）、铜（cu）、铬（cr）、镍（ni）、汞（hg）和科东俄金属砷（as）等。
近年来，随着工业化、城市化的不断发展，工业活动、矿产的采矿和炼钢、城市垃圾的处置、污水烧概、农药和化肥的不合理杀灭、机动车尾气的排放量等人类活动引致大量重金属以各种相同的形式步入土壤，引发环境质量轻微转差。
由于重金属难于在生物物质循环和能量互换中水解，土壤重金属污染不仅遏制作物生长发育，催生作物早衰，减少产量，并且还可以通过食物链的天然、传达，危害人体身心健康。
尤为轻微的就是，有害重金属在土壤系统中所产生的污染过程具备隐蔽性、长期性和不可逆性等特点,一旦有害污染物步入土壤，则极难清扫出。
随着土壤重金属污染不断激化，因土壤重金属污染导致的病原体事件频发，重金属污染土壤的复原问题逐渐引发了人们的高度关注，逐渐沦为土壤及环境领域的研究热点和难点。
目前，人类活动是造成重金属在土壤中累积的主要来源。
比如，金属矿产资源的开发利用通常会使矿区及周边地区土壤重金属含量累积；农业活动中肥料和农药的不合理施用也会造成土壤污染，以磷肥为例，由于磷矿石成分复杂，含有多种重金属，比如zn、cr、pb、cu等，在施入过程中一同被带入土矗进而在土壤中富集。
2.重金属污染土壤修复研究进展土壤重金属的生物有效性及其对环境危害程度不仅与其总量相关，还与其在土壤中的赋存形态有关。
而重金属污染土壤修复的主要技术手段是更大程度的减少土壤中重金属的总量和降低其在环境中的有效性。
根据修复手段，土壤重金属修复技术大致可以分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。
其中，物理修复是指通过物理手段对土壤重金属进行稀释、热挥发或者移除等，比如客土法、电热法等；化学修复是指通过外源添加修复材料或土壤自身物质改变土壤环境引起化学反应来达到治理的效果，比如淋洗法、添加改良剂等（凯迪电厂的炭化物就属改良剂的一种，属生物炭）；生物复原即为利用生物体去同时实现土壤重金属的搬迁转变，比如说微生物复原、植物复原等。
微生物对重金属污染物修复技术的研究进展重金属污染是当前环境问题中的一个重要方面，不仅影响人类健康，也会对环境造成损害。
生物修复是一种有效的方法，而微生物是一种重要的生物修复手段。
本篇文章将从微生物在重金属修复中的作用、重金属污染物修复技术的种类和微生物在重金属修复中的应用前景等方面进行介绍和探讨，以期为读者提供关于微生物修复技术在重金属污染物治理方面的科技前沿。
一、微生物在重金属修复中的作用微生物在环境修复中扮演着重要的角色，它们具有能够代谢重金属的能力，能够将重金属离子还原成元素状态和吸附重金属离子的能力。
此外，在生物修复过程中，微生物可以利用自身代谢能力将重金属离子转化为无毒或低毒的物质，减少了重金属对环境和生物的危害。
由于其代谢能力和吸附能力，微生物已成为一种有效的生物修复重金属污染的手段。
二、重金属污染物修复技术的种类1、菌株活化技术菌株活化技术是利用微生物对重金属污染物的吸附和还原作用，使中含重金属的水体、土壤等有机底质和其他适合生物生长的成分，在一定条件下经过强化处理后，进而利用污染汇和菌种繁殖，实现对重金属污染的修复。
这种技术代价较小，可持续利用，因此更适合在一些小型区域的重金属污染地区使用。
但这种技术仍然受到菌株活化技术因苦难环境生存能力较弱，治理面积小，不能扩大应用范围、修复效果不稳定等限制。
2、生物堆肥技术生物堆肥技术也可以用来生物修复重金属污染环境。
其主要工作原理是将不同的厌氧微生物群体用不同能量浓度进行筛选，使得这些微生物能够吸附和还原重金属离子，从而刺激菌群繁殖，在粪肥、垃圾堆等污染物中生存，并将重金属污染物转化为其他无害的物质，通过其他生物的代谢处理最终完成重金属污染物的修复。
3、植物菌根修复技术植物-菌根修复技术是一种利用植物根系在与微生物共生的情况下，不断地吸收并去除环境中的重金属与有害物质，将其固定在根系及地下微生物团块中，有效地减少重金属对环境的危害。
这种技术较为成熟，可以适应不同的污染程度和区域，修复效率高，应用范围广，是目前较为有效的重金属污染修复技术之一。
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应用技术土壤重金属污染修复技术研究进展
张聪，张弦（云南省普洱市环境监测站，云南 普洱 665099）
摘要：本文概述了国内外重金属污染土壤修复技术，分析了不同修复技术的特点，并针对各种修复方法，阐述了其修复条件、原理、应用实例，提出了植物-微生物联合修复将是土壤重金属污染修复技术的趋势。关键词：重金属污染；植物修复；植物-微生物联合修复；根瘤菌中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X(2018)02-0087-01DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.02.048
Research progress on remediation technology of heavy metal pollution in soilZhang Cong, Zhang Xian(Puer Environmental Monitoring Station,Puer Yunnan 665099,China)
Abstract: This paper summarizes on heavy metals contaminated soil remediation technologies, analyzes the characteristics of different techniques, and for a variety of repair methods, expounds its repair condition, principle, application, proposed plant microbial remediation will be heavy metal contaminated soil remediation technology trends.Keywords: Heavy metal pollution; Phytoremediation; Plant microbial combined repair; Rhizobium
随着工业进程化的加速，人类活动范围的扩大，日常的生活垃圾，工业废气物的排放，以及农业上化学药剂的使用，都加速了重金属物质在土壤中的堆积，扰乱了土壤微生物群落的平衡，导致土壤中有机物质的含量的降低。从长远来看，由于土壤本身自我净化重金属的能力是极其有限的，重金属污染物一旦进入到土壤中就会长期存在，不仅对周围的生态环境造成威胁，而且可以通过食物链或生物圈等途径，直接或间接的威胁人类的生命，对人类的生存发展存在着极大的安全隐患，一旦爆发，其造成的污染后果基本上是不可逆转的。金属含量超过5g/m3，我们都统称为重金属。而实际生活中，通俗的说法指的是、汞、镉、铅以及类金属砷等，也包含一些相对来说毒性较小的重金属，如锌、铜等。目前，国内外研究较多的重金属为汞、镉、铅、铬、砷。而目前应用较多的土壤重金属污染修复技术包括物理修复、化学修复、植物修复、微生物修复、联合修复等。1 物理修复技术传统的物理修复技术有客土法、换土法、深耕翻土法（又称旋耕法）、电动修复。客土法指将已污染的土壤和未被污染的土壤混合在一起，使得被污染的土壤中的重金属含量降低到标准限度以下，从而减少污染物和植物根系的有效接触，增强被污染土壤的自我修复速度，从而达到控制污染的目的。但该方法的局限是仅适用于污染范围较小的大棚类土质。换土法是指用未被污染的洁净土壤替代被污染的土壤，该方法相对客土法成本较大，因而也仅仅适合于小范围的土壤污染，特别适合用于处理一些易扩散且难分解的土壤污染物。深耕翻土法又可以称为“旋耕法”，其具体方法只需采用深耕技术将土壤的上下耕作层的土层打碎、拌匀、翻动，以达到降低土壤中重金属含量的目的，该方法适用于污染程度较小、土壤耕作层较厚的重金属污染。电动修复则是目前应用较多的物理原位修复法，其方法为在外部电场的作用下，以水作为导体，直接在被污染土壤中插上电极，利用电场力作用使得重金属离子沿一定方向移动，最后到达污染物收集处集中处理，此法与以往的物理修复法有所不同，相对其他修复法具有高效、节能、原位修复等优势，故被称为“绿色修复技术”[1]。2 化学修复技术化学修复技术主要指土壤淋洗技术，其主要方法是利用清水或化学溶剂清洗土壤污染物，通过溶解、吸收或鳌和等方法将土壤中的重金属转移到清水或化学溶剂中。目前常用的淋洗剂主要包括无机酸、有机酸、碱性物质、螯合剂、表面活性剂类等。3 现代生物修复技术土壤重金属污染的生物修复是指通过动植物、微生物的新陈代谢等活动，从而达到降低或减少土壤中重金属的含量的目的。而目前比较热门的生物修复技术包括植物修复、微生物修复以及植物-微生物联合修复。3.1 植物修复植物修复技术主要指利用植物对土壤中重金属污染物质的吸收、分解、然后转移到植物的地上部分，通过对植物上部的收割出来，从而达到去除重金属污染物的目的。目前与重金属污染土壤有关的植物修复技术主要包括植物提取、植物固定和植物挥发。植物修复过程实际上是一个植物、土壤、重金属物质综合反应的过程，其修复过程受植物类型、土壤特性以及重金属特性等多种因素影响。例如，三叶鬼针草能够有效的吸收土壤中的Cd；植物商陆对Mn着有较好的吸收效果；通过温室砂培和土培的方法发现苍耳可富集土壤中的Pb。 植物修复技术与传统的物理、化学修复技术相比有着经济上和安全上的双重优势，主要体现在以下几个方面：（1）植物在修复被污染的土壤的同时可以对周边的相关水体环境进行修复，有着一举两得的作用；（2）一般重金属污染环境中能够生存的植物其价格较低廉，从经济的角度来说更加实用；（3）植物可提高土壤的有机物含量，增强土壤肥沃程度，生态效益显著。但是植物修复技术也有缺点，如植物对土壤中重金属含量的耐受性有限，植物修复不适合重度污染程度的土壤修复；土壤重金属污染往往是两种或两种以上重金属物质的混合污染，而一般一种植物只能单纯的修复被某一特定的重金属污染土壤。3.2 微生物修复(下转第89页)▲HUANJINGYUFAZHAN
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应用技术效弥补传统污水处理不足的问题，达到较好的处理效果。3 在污水处理中的运用优势与不足3.1 在污水处理中的运用优势膜生物反应技术，不需要另外配置沉淀池或过滤单元，就能高效分离污水与沉淀物。所以，它节约了使用面积，可以更少的占用土地，避免了污泥沉降。膜生物反应系统具备良好的抗负荷性能，能适用于处理各类有机废水，实效性较高。污水反应池中，一般MLSS的浓度能达到每升10000mg，能彻底处理有机废水，降低水体悬浮物浓度。另外，膜生物反应还能较好地将微生物从废水中分离，特别适合运用在分离活性污泥方面。生物膜的腔体内部，废水流动缓慢，出水槽与进水槽连接紧密。但外部生物菌流动非常顺利，有效将微生物分离出来。膜生物反应器装置在内部设置了透气性的生物膜，能提高传氧效率，能较好地处理高压污水，将污泥完全堵住，达到零排放标准。3.2 在污水处理中现存的不足现阶段，虽然很多企业已经开始慢慢接受并认可污水处理中的膜生物反应技术，发现这种处理污水的技术能产生较好的效果，实效性较高，整体出水质量也较好。但是站在另一层面分析，膜生物反应技术加入了生物技术与方法，属于一种新兴的污水处理技术。在实际污水处理过程中，依旧存在一些问题与不足，需要改进。因为生物膜较容易将混合颗粒及一些有害的元素吸附进来，所以需要特别注意生物膜的清洁程度。而若采取相应的处理，却会污染生物膜，降低处理过程中的透水量。技术人员在这方面加大了技术研发力度，希冀解决这方面问题，将延长生物膜的使用期限作为关键点，进行改进优化。希望能达到即使生物膜受到了一定程度的污染，也能保持原有的通水量的目的。站在现在的技术层面分析，这依旧是一个有待解决的难题，需要引起更多关注。4 结语膜生物反应技术能有效提升出水水质，提升污水处理的实效性。环境工程污水处理时，可以适当运用膜生物反应技术，进行推广和广泛使用。但针对一些还没有解决的问题，也需要进一步研发和改进技术，通过不断探索，优化技术手段，为环境保护奠定基础。
参考文献[1]李智娟.膜生物反应技术在环境工程污水处理中的运用[J].中国新技术新产品,2017,(7):102-103.[2]李珂,葛晶晶.膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用[J].低碳世界,2016,(6):25-26.[3]关万里,韩文萍,刘小惠.膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用分析[J].低碳世界,2016,(28):11-12.[4]孔祥静.膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用研究[J].工程技术:全文版,2016,(12):00213.收稿日期：2017-12-21作者简介：庄治国（1977-），男，本科，沭阳县环境监察大队中队长职务，中级职称，研究方向为环境工程。
（上接第87页）近年来，利用微生物对重金属污染的土壤进行生物处理技术成为重金属污染物修复技术的导向，微生物作为土壤中最活跃的群体，在治理重金属污染问题上发挥着重要的作用，可以说只要能找到合适的微生物，并在适合的环境下培养，所有的重金属污染物都可以得到降解和转化。土壤中的细菌、真菌以及藻类对重金属物质具有吸附、沉淀、分解等作用，从而达到降低土壤中重金属含量的目的。研究发现，蜡状芽孢杆菌通过提高细菌表面基团去除Cd污染能力，从而提高对蜡样芽孢杆菌对Cd的富集能力；伯克霍尔德氏菌的表面的活性基团可与Mn 2+、Zn2+结合成为螯合物，达到修复重金属物污染土壤的目的，其对重金属的修复效率分别为 52.2%和 44%。微生物可从土壤溶液中直接和重金属物质结合，也可通过自身的新陈代谢释放出代谢产物，代谢产物与重金属污染物发生反应，使得重金属物质得以固定，实现重金属物质不同形态间的相互转换。如硫弧和脱硫肠状菌通过产生H2S和有机酸固定金属，将重金属物质还原成可溶性的或挥发性的形态；生枝动胶菌可产生很可溶性糖类，能够有效地和重金属结合；研究表明微生物还可通过各种活动方式改变重金属的活跃度，使重金属在其活跃性相与非活跃性相之间转化，从而影响重金属的生物有效性。3.3 植物-微生物联合修复植物-微生物联合修复技术不仅具备植物修复的环保、经济优势，还解决了植物修复中治理时间长、效率低下的问题，提升了植物在胁迫环境下的生存能力，这就使得植物-微生物联合修复技术成为土壤重金属修复研究领域的热门。由于微生物长期生活在含有高浓度的重金属土壤环境中，微生物对重金属有着较高的耐受性，而研究表明微生物通过促进植物在胁迫环境下的营养吸收、生长发育、完成植物将土壤中的重金属污染物吸收、分解的过程。最近几年，国内外学者加大了对植物-微生物联合修复重金属污染土壤方面的研究，并取得了丰富的研究成果。目前与植物修复技术密切相关的微生物有根际微生物、根瘤菌、丛枝菌根真菌和植物内生菌。研究结果显示，植物根际促生细菌 不仅能促进苜蓿的生长、增加苜蓿根、茎长度及植株重量外，在促进植物吸收重金属 Ni 方面的作用也非常显著的效果，与未接种的对照组相比，经过根际促生细菌处理后的苜蓿对Ni的吸收率提高了46%。也有研究表明，有些根瘤菌可通过降低可溶性重金属的含量和累积，抑制其在植物体内的活动范围，从而减轻植物地上部分对重金属的吸收，从而促进植物的生长。土壤中重金属污染的微生物-植物修复是目前较为安全的修复方法，在其修复过程中完全没有二次污染产生，如果在未来的研究过程中能够保证微生物的稳定性，并发挥其作用，这一修复技术将是未来土壤重金属污染修复技术的趋势。参考文献[1]陈梦舫.我国工业污染场地土壤与地下水重金属修复技术综述[J].中国科学院院刊，2014，29（3）：327-335.[2]罗辉,朱易春,冯秀娟.重金属污染土壤的生物修复技术研究进展[J].安徽农业科学,2015,43(05):224-227.[3]徐剑锋,王雷,熊瑛,席北斗,张列宇,毛旭辉,杨天学,吴明红,李彤彤.土壤重金属污染强化植物修复技术研究进展[J].环境工程技术学报,2017,7(03):366-373.[4]孙鹏轩.土壤重金属污染修复技术及其研究进展[J].环境保护与循环经济,2012,32(11):48-51+75.收稿日期：2018-01-25作者简介：张聪（1987-），女，本科，助理工程师，研究方向为环境监测方向。
