根际微生物研究进展(3)

　　不同于有机污染物，重金属难以被土壤微生物降解，因此重金属污染的一个重要修复途径是通过超积累植物浸提去除土壤中重金属。提高植物浸提效率是植物修复技术的关键。发达的植物根系往往有利于植物吸收土壤重金属，因此在根际接种能促进植物根系生长的细菌，将有助于提高植物修复效率。Bosco  和  Picard  从重金属超积累植物香蓍草根系分离到200个产  auxin  细菌。通过  rDNA  扩增和限制片断分析，发现产  auxin  细菌的生物多样性丰富，其中一组丰度较高的荧光假单孢菌属在整个植物生长季节都能检测到，有潜在的纯化和应用价值。增加植物对重金属的移动性是提高植物浸提效率的另一有效途径，促进根系和根际微生物对重金属螯合物的分泌作用有助于达到这一目的。Puschenreiter  等从  Ni  超积累植物遏蓝菜分离和鉴定外生和内生细菌，发现其中一个内生甲基杆菌  iEⅡ1  能耐高浓度  Ni、生产铁运载体(  Siderophores  )、并促进植物生长，其接种应用价值有待进一步开发。菌根菌能增强植物对  P  和其他养分的吸收能力，As  和  P  有相似的化学性质，因此菌根菌接种有可能提高超积累植物对  As  污染土壤的修复效率。Sy1via  和  Alagely  把从污染土壤中分离的菌根菌接种到超积累植物蜈蚣草，发现菌根菌接种显著增加了植物  As  吸收和植物含  As  量。

4.2  有机物污染

　　由于工业、农业和城市污染，一些土壤的持久性有机污染物如多环芳烃类浓度不断升高。根际生物修复技术因其高效低耗而受到普遍欢迎。但是对植物如何激发根际生物降解的机理目前了解很少，对降解微生物的种类、根际生态过程、降解基因和降解途径的多样性也只有零星了解。一般认为根系分泌物促进根际微生物的生长和代谢过程，从而加强有机物的生物降解。如  Mackova  等将3种不同植物种在多氯联苯长期污染的土壤上，6个月后，土壤多氯联苯含量显著降低，其中烟草土壤的多氯联苯降低最多，他们发现植物显著增加了土壤细菌总数，其中烟草和龙葵植物显著增加了多氯联苯降解细菌数。根际共生菌根菌有助于植物养分吸收，增加植物生长和根系生物量。Leyva1  等认为菌根菌接种促进多环芳烃降解的原因是菌根菌增加了根系生物量、促进了根际降解细菌的生长。他们将  VA  菌根真菌接种到工业污染土壤和多环芳烃加富土壤，发现多环芳烃浓度在菌根菌接种的土壤低于非接种土壤，多环芳烃浓度随着根距增加而增加。

　　根际不仅分泌一般性有机物，而且可能产生特殊化合物，作为降解细菌的底物，促进降解细菌生长。Leigh  等通过实验室和温室根箱试验证实从树根释放的芳香类化合物可作为多氯联苯降解菌的底物，激发它们的生长。所以一般在多年生植物土壤上，多氯联苯降解菌的丰度较高。他们在5类植物根际研究多氯联苯降解菌的动态，发现植树土壤的多氯联苯降解菌显著高于非植树土壤。丰度最高、多氯联苯降解潜力最大的细菌是  G+  的红球菌(  Rhodococci  )。他们还发现某些树种特别能激发多氯联苯降解细菌的生长。树根化学组成和周转速率可能起重要作用。

　　在不少情况下，根际和根外土壤含有大量能降解有机污染物的细菌，但是有机污染物常常与土壤颗粒和有机物质结合在一起，其生物有效性很低。所以在实施微生物生物修复时，首先必须提高有机污染物的生物有效性。有些植物根际能产生鼠李糖脂(  rhamnolipids  )和生物表面活性剂，这些物质可增加有机污染物的溶解性和移动性，从而促进微生物降解。

　　植物和微生物还可能进行协同代谢过程，如植物释放某种特殊底物，诱导在降解过程中起重要作用的双氧酶或其他酶的合成。Rugh  等将18种植物种在多环芳烃处理土壤上，发现与对照比，植物显著增加了多环芳烃的生物降解，总细菌数和菲(  Phenanthrene  )降解菌也显著增加；分离到的降解菌比对照土壤的降解菌有更强的降解能力。Francova  等从污染土壤分离到2个细菌：睾酮假单孢菌(  Comamonas  testosteroni  )B-356和伯克霍德氏菌  LB400。用几种多氯联苯衍生物测试细菌的分解能力和代谢产物，发现多氯联苯降解产生过渡产物氯苯酸，烟草和山葵等植物具有氯苯酸降解能力，所以植物和微生物可联合加强多氯联苯的降解。但大多数情况下，污染物的降解往往有一组微生物联合进行，对这些微生物组合如何在根际进行空间分布并联合代谢目前尚缺乏研究。微点取样方法结合分子生物学技术可能为原位测定微生物群体、研究基因表达提供新的途径。

　　共生菌根菌能促进植物生长和植物抗胁迫能力，常被用于植物生物修复技术。Sainz  等研究了有机氯农药对根际菌根菌的影响，发现有机氯农药对菌根菌在根表面的定植范围没有影响，但显著降低了根际土壤菌根菌的孢子数和菌丝体密度，说明内生菌根菌可能受到植物保护，免受农药的毒害。Volante  等研究了菌根菌对单环芳烃降解的影响，把3个  VA  菌根真菌接种到菲葱，16天后，根际单环芳烃浓度降低到加入量的2％～40％，而在非接种对照植物中，16天后仍有75％～95％单环芳烃持留。在3种真菌中，G.  margarita  对降解单环芳烃最有效。Girlanda  等从工业污染土壤分离了6个真菌，用土培和砂培试验表明无论菌根菌单独或与植物共生时，均具有较强多环芳烃降解潜力。

　　开发基因工程菌是微生物生物修复技术的重要手段。目前一个广为研究的技术是将生防功能和生物降解功能集装在同一工程菌株。如一些荧光假单孢菌拥有一系列基因，控制着生防化合物和植物生长激素的合成，把生物降解基因导入这类细菌将大大增强此类工程菌的应用前景。Boronin  和  Kochetkov  将多环芳烃降解基因导入荧光假单孢菌，产生一组突变体，有些变种的多环芳烃降解能力显著增强。他们再将重金属(如  Ni、Co、Zn、Cd  )阻抗质粒导入上述工程菌，构建新一组突变体，发现其中一个突变体的耐  Co  能力比原种高出6倍，但没有降低生防功能和多环芳烃降解能力。在另一个试验，Kochetkov  等将2个含降解基因的质粒导入到4个假单孢菌种，这4个菌种以及它们的突变型呈现不同的生长动力学和质粒稳定性。转化后，pOV  质粒的邻苯二酚双氧酶活性高于  PAS216  质粒，但这些菌种呈现相似的萘(  naphthelene  )双氧酶活性和水杨酸酯水解酶活性。将带质粒的菌种接种到油菜种子，萘的存在促进了植物生长，而在高萘条件下，对照植物很快死亡。此试验表明生防菌与降解质粒重组可更有效促进多环芳烃污染土壤的生物修复。对高度水溶和挥发性有机污染物(如  xenobiotics，异源生物毒素)，植物修复技术往往难以达到预期目的，因为在生物降解前，大部分污染物就已经从植物释放到大气。Barac  等报道了用接种内生工程菌以提高植物修复作用的可能性。许多内生菌在根际能找到相似菌种。他们测试了2个洋葱伯克霍德氏菌(  Burkholderia  cepacia  )菌株，一个为内生菌，另一个来自根际。将  pTOM  甲苯降解质粒导入到2个菌株，发现修饰的内生菌能有效降解甲苯、减少植物毒性、减少甲苯从叶子的挥发，但修饰的根际伯克霍德氏菌只轻微改善了甲苯的降解能力。此试验表明开发内生工程菌可作为提高植物修复作用的一个有效手段。

5  结语

　　分子生物学技术的应用正在极大地推动着根际微生物研究的迅速发展。16S  rRNA  和功能基因的调查分析已经揭示根际存在大量未培养微生物和丰富的生物多样性。植物对根际微生物生物多样性的影响已从不同层面得到更深的认识。分子生态方法亦为评价转基因生物的生态负效应提供有力手段。转基因生物工程技术正在使调控根际生态过程成为可能。但是根际环境随着土壤类型、植物种类和生育阶段存在很大时空变异，根际微生物的生物多样性和功能受土壤、植物等多重因子的复合影响。原位测定根际微生物生物多样性、了解微生物生物多样性与生态功能的关系、探索土壤-植物-微生物的互作关系仍然需要研究手段的深入发展。目前环境基因组学方法正在迅速应用于相对简单的微生物生态系统，如河流、海洋等。这个方法不仅能更准确展示微生物的生物多样性，而且能综合揭示微生物群体的生态功能。分子生态技术与稳定同位素技术相结合的方法亦是原位测定微生物群体结构和功能的有力手段。随着这些方法在根际微生物研究的应用和发展，根际微生物的基础和应用研究一定能在不远的将来获得重大进展。 (责任编辑：泉水)

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