首先说明，这不是我的研究，是我的硕士研究生在长安大学攻读博士学位时的博士论文研究内容。由于该研究所用放线菌是我们实验室分离筛选的，为了反映放线菌功能的多样性，故也将该重要发现放在这里介绍。

  土壤化学污染分为两大类，一类是由有害重金属元素等无机化学物质进入土壤形成的无机污染土壤，另一类是由有机污染物进入土壤形成的有机污染土壤。

  有机污染物的化学结构中大多含有碳架，微生物能以含有碳架的有机污染物作为碳源、能源利用，将其降解，形成二氧化碳和水，以及形态多样的小分子化合物，使有机污染物丧失毒性。因此，微生物具有完全修复有机污染的能力，修复作用彻底。只要筛选到高效的有机污染物降解菌，微生物对有机污染的修复能力是很强的。

  与有机污染截然不同，主要的无机污染物是多种有害重金属离子，如Pb，Cd等。微生物不能彻底分解这些重金属离子，不能使这些离子从土壤或其他环境中消失，只能改变其价态和溶解性，使其溶解性暂时降低钝化，但有害元素仍然存在于土壤或其他环境中，其溶解性随时都可能恢复，进而发挥其危害作用。因此，从科学原理上讲，微生物对土壤重金属污染修复是无能为力的。虽然目前仍有不少学者还在进行微生物对重金属污染的修复研究，但这些研究不能从根本上解决无机污染的修复问题。

  微生物修复土壤重金属污染是一条死路。

  大约在2012年，我已经毕业的一位硕士研究生曹书苗来找我，说她的博士论文方向是微生物对重金属污染的修复，问我能否用放线菌来修复重金属污染。

  我首先告诉这个学生，放线菌不能修复重金属污染，原因如上所述。重金属污染的生物修复只能用植物：采用能富集有害重金属元素的植物，将土壤或其他环境中的重金属吸收到植物体内，通过收获植物的方式将重金属元素携出土壤，彻底降低土壤中的重金属含量，达到永久修复土壤重金属污染的目的。

  谈到到植物对重金属污染的修复已有大量研究时，我突然萌生了一个想法：放线菌虽然不能直接修复土壤重金属污染，但利用放线菌的促生功能，增加富集植物的生物量，进而增加富集植物的重金属携出量，提高植物对重金属污染修复效率的可行性还是存在的。

  我们研究室已筛选出大量多功能放线菌，对植物根系生长有强烈刺激作用，对植物的促生作用显著。如果放线菌能大幅度提高重金属富集植物的生物量，这些植物从土壤中携出的重金属元素的数量就会大幅度增加，植物对重金属污染的修复效率就会大幅度提高。即用放线菌强化植物对土壤重金属污染的修复功能，仅从植物生物量的增加就能达到此目的。

 曹书苗的硕士学位论文题目就是密旋链霉菌对草莓连作障碍的修复作用研究。她对放线菌的特性及研究方法很熟悉。她首先研究了密旋链霉菌的对重金属的耐受性，抗旱性及促生特性；在此基础上研究了密旋链霉菌对黑麦草和籽粒苋吸收Pb、Cd能力的影响。

 该研究发现，密旋链霉菌对Pb、Cd有较强的耐受性，在Pb 浓度小于1200 mg /kg、Cd浓度小于120 mg/kg 时均能正常生长；具有较强的抗旱性，能在-0.73 MPa 的渗透压下生长；菌株能产IAA、铁载体，具有较强的ACC脱氨酶活性，具有较强的促生特性，同时具有溶解土壤中难溶磷的作用。

图1.Pb胁迫下密旋链霉菌对黑麦草生长的影响

  该研究的第2个结果：在土壤Pb浓度为200-1000 mg/kg铅胁迫下，密旋链霉菌对黑麦草生长有显著促进作用（图1）；可增强黑麦草对铅的耐受性，提高黑麦草叶片叶绿素含量及抗氧化酶 CAT、SOD和POD 的活性，使谷胱甘肽GSH含量较对照增加 2.0%-49.9%；根系活力增加30.9%-166.8%；降低黑麦草根系和叶片 MDA 含量，在500-1000 mg/kg高浓度 Pb时，降低作用更显显著。

  该研究的第3个结果：在土壤Pb浓度为 200-1000 mg/kg的铅胁迫下，密旋链霉菌能显著提高黑麦草中Pb浓度及单株 Pb 吸收量，茎叶中，Pb浓度增率为 12.4%-199.3%，单株 Pb 吸收量增率为18.5%-213.8% ；根系中，Pb浓度增率为 9.4%-44.0% ，单株Pb吸收量增率为69.6%-249.3%。密旋链霉菌显著提高了Pb转移系数 TF值，茎叶及根系富集系数BCF值，可使黑麦草根系 Pb积累达到超富集植物标准。密旋链霉菌还可使根际土壤中生物有效 Pb 含量增加8.4%-37.2%。

  该研究的第4个结果：在10-100 mg/kg 镉胁迫下，密旋链霉菌能显著促进籽粒苋生长（图2），提高籽粒苋叶片叶绿素和 GSH 含量、叶片抗氧化酶活性及根系活力；降低叶片 MDA含量，增强籽粒苋对 Cd 的耐受性。

图2. Cd胁迫下密旋链霉菌对籽粒苋生长的影响

  该研究的第5个结果：在10-100mg/kg镉胁迫下，密旋链霉菌能显著提高籽粒苋对Cd的生物富集浓度和修复效率，使籽粒苋的根系Cd 浓度提高8.7%-33.9%，茎叶Cd 浓度提高53.2%-102.1%，并使根系及茎叶的Cd总吸收量分别提高19.9%-95.3%及110.6%-170.1%；使转移因子达到1.04-1.57，大于超富集植物的阈值 1.0。

  该研究的第6个结果是：铅胁迫下，放线菌与有机肥配合施用可促进黑麦草生长；增强黑麦草对 Pb 的耐受性，显著提高黑麦草叶绿素含量、抗氧化酶 CAT、SOD、POD 活性及谷胱甘肽GSH 含量，显著降低MDA 含量。

  该研究的第7个结果：铅胁迫下，放线菌与有机肥配合施用可大幅度提高黑麦草茎叶中Pb 浓度和吸收量，较对照分别增加 554.8%和 1360.1%，较单加菌处理分别增加 193.0%和 412.2%；使Pb 的转移因子及富集系数分别增加 816.3%和 557.8%，较单加菌处理分别增加 483.9%和 193.5%。

  上述研究揭示了放线菌的另一个新的重要功能：

  可大幅度强化植物对土壤重金属铅镉污染的修复能力；放线菌与有机肥配合施用，放线菌的强化作用大幅度提高。

  继该研究之后，西北农林科技大学张增强教授团队利用我们提供的密旋链霉菌研究了放线菌对高粱吸收Zn/Cd及Pd/Cu的影响，发现密旋链霉菌能减少高粱对Zn/Cd的吸收，增加高粱对Pd/Cu的吸收量。

  放线菌强化植物对土壤重金属铅镉污染的修复能力有重大应用潜力。

  但目前尚不清楚放线菌强化植物修复重金属污染的机理。

  该机理的揭示将为放线菌强化植物修复重金属污染技术优化及实际应用提供理论支持。

参考文献

1.曹书苗博士论文：《放线菌强化植物修复土壤铅镉污染的效应及机理》

2. Shumiao Cao & Wenke Wang & Fei Wang & Jun Zhang & Zhoufeng Wang &Shenke Yang & Quanhong Xue.Drought-tolerant Streptomyces pactum Act12 assist.phytoremediation of cadmium-contaminated soilby Amaranthus hypochondriacus: great potential application in arid/semi-arid areas. Environ Sci Pollut Res.DOI 10.1007/s11356-016-6636-y

3.Amjad Ali, Di Guo,Amanullah Mahar, Fang Ma, Ronghua Li, Feng Shen, Ping Wang & Zengqiang Zhang.Streptomyces pactum assisted phytoremediation in Zn/Pb smelter contaminated soil of Feng County and its impact on enzymatic activities. DOI: 10.1038/srep46087

4.Amjad Alia, Di Guoa, Amanullah Mahara,b, Ping Wanga, Fang Maa, Feng Shena, Ronghua Lia,Zengqiang Zhanga.Phytoextraction of toxic trace elements by Sorghum bicolor inoculated with Streptomyces pactum (Act12) in contaminated soils. Ecotoxicology and Environmental Safety 139 (2017) 202–209