综述：利用微生物和植物对重金属污染物进行生物修复的当前范式与未来展望

这篇综述系统阐述了微生物（如Pseudomonas aeruginosa、Bacillus subtilis）和植物（如Brassica juncea、Helianthus annuus）在重金属（Pb、Cd、Hg等）生物修复中的协同机制，涵盖生物吸附（biosorption）、植物提取（phytoextraction）等关键技术，并探讨了与氧化应激（ROS）、抗氧化酶（SOD/CAT）相关的分子通路，为生态毒理治理提供可持续解决方案。

　　

摘要

随着工业化和城市化进程加速，重金属（Pb、Cd、Hg、Cr、As等）通过采矿、农业径流等途径在环境中持续积累，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统物理化学修复方法成本高且易产生二次污染，而生物修复（bioremediation）因其环境友好性和经济性成为研究热点。本文综述了微生物与植物在重金属污染治理中的协同作用机制及最新进展。

1. 引言

重金属具有不可降解性和生物累积性，可通过食物链传递，导致动植物生理功能障碍（如光合作用抑制、神经毒性）及人类癌症风险升高。水生生态系统尤其脆弱，甲基汞（methylmercury）等形态易通过生物放大效应影响顶级捕食者。生物修复利用微生物的代谢转化（如Cr⁶⁺→Cr³⁺）和植物的超积累特性（如印度芥菜对Cd的富集），结合两者可显著提升修复效率。

2. 方法论与文献计量分析

通过Web of Science和Scopus数据库的1382篇文献分析显示，"重金属毒性"、"植物修复"等关键词形成六大聚类簇。核心作者如Afzal, M.和Vangronsveld, J.的研究多聚焦微生物-植物互作体系，而新兴主题如"氧化应激调控"仍有较大探索空间。

3. 生态系统中重金属的生物累积

重金属在土壤-植物-动物系统中的迁移受金属形态（如游离离子活性）和环境因素（pH、有机质）调控。例如，Cd²⁺通过锌转运蛋白（ZIP）进入植物根部，而甲基汞在鱼类肝脏中的浓度可达水体中的10⁵倍。

4. 重金属的毒性效应

重金属通过诱导活性氧（ROS）爆发导致脂质过氧化和DNA损伤。动物实验表明，铅暴露会损害海马神经元突触可塑性基因表达，而镉则通过激活NF-κB通路诱发肾脏纤维化。

5. 重金属的毒性机制

5.1 氧化应激与抗氧化酶响应

植物通过上调超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD）、过氧化氢酶（CAT1）等基因应对金属胁迫。拟南芥中Cd胁迫触发MAPK级联信号，调控下游解毒基因表达。

5.2 植物螯合肽与金属转运蛋白

植物螯合素（PCs）和金属硫蛋白（MTs）通过巯基螯合金属离子，而ABC转运蛋白（如AtHMA3）介导液泡区隔化。超富集植物Thlaspi caerulescens的MT2a表达量是普通植物的50倍。

6. 重金属的生物修复策略

6.1 微生物修复

细菌如Pseudomonas putida通过mer操纵子将Hg²⁺还原为挥发态Hg⁰，而真菌Aspergillus niger的细胞壁几丁质对Pb²⁺吸附率达97%。基因工程菌株（如CRISPR编辑的E. coli）可将Cd去除效率提升至95%。

6.2 植物修复

向日葵（Helianthus annuus）通过根系分泌柠檬酸活化土壤Pb，而香根草（Vetiveria zizanioides）的铬富集系数达78%。转基因植物表达酵母YCF1基因可增强As解毒能力。

7. 局限性与混合策略

生物修复受限于环境异质性和修复周期长等问题。新兴技术如生物电化学系统（BES）通过微生物-电极耦合将Cr⁶⁺还原速率提高3倍，而合成微生物群落（SynComs）可定制化处理多金属污染。

8. 未来展望

需加强植物-微生物互作机制研究，开发基于纳米材料（如Fe₃O₄）的靶向递送系统。政策层面应建立生物修复技术标准，推动其在矿区修复和农业土壤治理中的应用。