编译：微科盟王埃文，编辑：微科盟居居、江舜尧。
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导读
植物修复主要涉及微生物对根际有机污染物的降解，以去除多环芳烃(PAHs)、邻苯二甲酸酯(PAEs)和多氯联苯(PCBs)等有机污染物。根际微生物群落在暴露于有机污染物时经历了复杂的响应-适应-反馈过程。 本文综述了近年来根际微生物群落对有机污染物胁迫的响应和适应的研究进展，并讨论了根际污染物降解微生物群落和基因的富集对于促进生物修复的作用。 有机污染物对土壤的污染往往会降低根际微生物群落的多样性，改变其功能。根际微生物组对不同种类的有机污染物(包括与重金属共污染)、植物种类、根相关生态位(如根际、根面和根内圈)、地理位置和土壤性质的响应各不相同。土壤污染会使根际一些敏感的微生物类群减少，而使一些抗逆性微生物类群增加。此外，根际富集了降解污染物的微生物群落和功能基因，包括负责有机污染物及其中间体生物降解的不同基因簇，从而提高了微生物组的适应性，提高了污染土壤的修复效率。本文强调了根际微生物组对有机污染和根际修复的响应-适应-反馈过程中的知识空白和未来的研究挑战。这篇综述将有望更新人们对根际微生物组的响应-适应-反馈过程以及土壤有机污染物根际修复的认识。
图文摘要
论文ID
原名： Response and adaptation of rhizosphere microbiome to organic pollutants with enriching pollutant-degraders and genes for bioremediation: A critical review
译名： 根际微生物组对有机污染物的响应和适应：富集污染物降解菌和基因来促进生物修复
期刊： Science of The Total Environment
IF： 9.8
发表时间： 2023.12
通讯作者： 蔡全英
通讯作者单位： 暨南大学生命科学技术学院
DOI号： 10.1016/j.scitotenv.2023.169425
综述目录
1 前言
2 促进植物根际有机污染物的去除
3 根际微生物组对有机污染物的响应及影响因素
4 根际污染物降解菌和基因富集以促进污染土壤生物修复
5 观点与结论
主要内容
1 前言
多环芳烃(PAHs)、邻苯二甲酸酯(PAEs)和有机氯农药等有毒有机污染物在农业土壤中普遍存在，甚至在某些情况下浓度很高。有机污染物会对土壤健康和生态系统产生不利影响。生物修复，特别是植物-微生物相互作用的植物修复在去除土壤中有机污染物方面显示出巨大的潜力。植物修复主要涉及根际微生物对有毒有机污染物的生物降解。然而，微生物群落对土壤污染高度敏感。土壤微生物对不同胁迫经历了响应-变化-适应-反馈的复杂过程。土壤微生物群落在污染胁迫下表现出多样性减少、结构改变等多种响应。有趣的是，微生物群落通过改变结构和功能从而对污染胁迫具有较强的适应性，并且随着一些敏感类群的减少和/或耐受类群的增加而改变了其组装。
植物根际是微生物的热点，优先招募和组装特定的微生物群落，以促进植物健康和去除有机污染物。随着基因组测序和宏基因组学的发展，许多研究揭示了根际微生物群落对有机污染物胁迫的响应和适应。总体而言，根际微生物组对有机污染的适应性比非根际土壤更强，具有更高的多样性和丰富度。在根际和非根际土壤之间，微生物群落的结构和功能发生了显著变化。目前的研究结果表明，微生物群落对有机污染物胁迫的响应和适应受到污染物类型和浓度、植物物种和基因型、根系相关生态位(如根际、根面、根内圈)、共污染等因素的影响。一些研究比较了根际微生物群落在不同条件下(如暴露于不同有机污染物、不同植物种类、不同根相关生态位)的响应变化。然而，根际微生物群落对有机污染物的响应变化研究有限，研究结果尚未得到很好的总结。
在植物修复过程中，与非根际土壤相比，根际具有促进有机污染物(如PAHs、PAEs、PCBs等)去除/降解的作用，根际修复越来越受到关注。许多研究报道了根际对有机污染物去除的促进作用，揭示了其对植物-微生物相互作用的修复机制。微生物群落在根际有机污染物的降解中起着至关重要的作用。有的研究发现有机污染物去除率与根际微生物多样性密切相关，但某些研究没有观察到明显的相关性。事实上， 土壤中的微生物群落可以通过富集污染物降解类群和包括基因在内的功能来适应污染环境。 一些研究记录了根系分泌物通过明显塑造群落结构使根际污染物降解菌(或分类群)富集。此外，根际富集了负责污染物降解的微生物基因(表达水平高于非根际土壤)。 根际污染物降解菌和功能基因的丰度与有机污染物去除率呈正相关。 这些结果表明，丰富的污染物降解菌和基因可以加速根际有机污染物的降解。然而，以往的综述主要集中在植物-微生物相互作用对根际有机污染物(如PAHs)的降解和污染环境的可持续修复，或影响有机污染物根际修复的因素(如污染物同源物、生物利用度、微生物群落和活性、植物种类和基因型)。目前还没有关于根际微生物组通过富集污染物降解群落和基因来促进有机污染物去除的响应和适应的综述。及时更新文献有助于更新当前关于根际微生物组对有机污染的响应和适应的知识。
本文综述了近年来在促进根际有毒有机污染物去除方面的研究进展，并收集了不同植物种类/基因型、根相关生态位和共污染对根际微生物群落的响应。然后讨论了根际污染物降解群落和功能基因的富集促进有机污染物生物降解。指出了根际微生物组对有机污染的响应和适应是未来研究面临的挑战。
在数据库中检索了“根际”、“微生物群落”、“有机污染物”(或详细的污染物如PAHs、PCBs、PAEs)、“根相关微生物”、“细菌群落”、“共污染”、“降解”和“基因”，选择相关的参考文献进行引用。总结的有毒有机污染物主要集中在PAHs、PCBs、PAEs和总石油烃(TPHs)。涉及植物修复和根际微生物组的植物包括不同类型的作物(如水稻、玉米、小麦、小白菜等)和用于生物修复的植物，如苜蓿( Medicago sativa L.)、黑麦草( Lolium perenne L.)、高羊茅( Festuca arundinacea )、柳树( Salix spp.)等。
2 促进植物根际有机污染物的去除
植物修复利用植物吸收(即植物提取)、酶转化(即植物转化)和根际生物降解(即根际修复)来去除有机污染物。 许多研究报道，与非根际土壤相比，根际土壤促进了各种有机污染物的降解和去除。随着各种植物(如黑麦草、高羊茅、苜蓿、玉米)的生长，已经观察到许多类有毒有机污染物(如PAHs、PCBs和PAHs)的去除。有研究发现，经过40~80天的生长，种植土壤中有超过90%的菲和超过60%的芘消散，高于非植物土壤。例如，黑麦草栽培14 d后，根际中菲的去除效率提高了8%，高羊茅( Festuca arundinacea )根际芘的去除效率比未种植土壤高8.85%~20.7%。根际∑PAHs去除率比未种植土壤高21.8%~28.0%。黑麦草生长40~50 d后，菲和芘从根面到根际再到近根际土壤(0~8 mm)的去除率下降，表明与根相关的生态位影响污染物的去除。 根际对PAHs和PAEs的去除效果在不同植物种类和基因型之间存在较大差异。 种植土壤中PAHs和PAEs去除的促进可能归因于它们在根际的生物有效性、微生物活性和功能的增加(图1)。与非根际土壤相比，观察到根际中某些有机污染物(如PCBs、PAEs、TPHs或原油)的去除率也更高。例如，玉米根际中邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)的去除率比在非根际土壤中高出4.02%~11.5%。0~2 mm水稻根际对DEHP的去除率最高，高于近根际、远根际和非根际土壤中DEHP的去除率。紫花苜蓿( Medicago sativa L.)生长80 d后，近根际原油去除率为31.6%，比远根际和非根际土壤原油去除率分别高27%和53%。工业*麻大**被认为可以有效修复农药和PAHs。根际中有机污染物的高去除主要是由于其在根际的生物利用度高于非根际土壤，以及根际微生物群落中污染物降解菌的丰度高(图1)。许多研究表明，植物根系分泌的低质量分子有机酸(如柠檬酸、苹果酸和草酸)释放到根际促进了有机污染物的解吸，从而提高了其生物利用度。因此，根际效应有利于有毒有机污染物的去除。
图1 植物根际通过提高生物利用度和生物降解来促进有机污染物的去除效率。
有机污染物的根际修复效率受植物种类和基因型的影响。 例如，在低浓度Cu处理下，PAHs植物修复植物(即黑麦草)根际中菲和PCB28的去除率大于海州香薷( Elsholtzia splendens )，而在高铜处理下，海州香薷对菲的去除率更高。水稻品种培杂泰丰(高PAE积累型)根际中DEHP的去除率普遍显著高于品种丰优丝苗(低PAE积累型)。在种植了4种不同柳树品种的土壤中，观察到总残余烃(C10-C50)的浓度差异很大，其中黑柳( Salix nigra )的烃去除率最高，而紫柳( Salix purpurea )的烃去除率最低。这可能是由于不同植物种类和基因型释放的根系分泌物成分和含量的差异，导致污染物的生物利用度和特定微生物类群(包括污染物降解菌)的富集变化受到不同的影响。例如，水稻品种培杂泰丰释放了更多的根系分泌物，其对腐土中DEHP的解吸能力更强，并富集了更多的邻苯二甲酸酯降解菌，导致其根际中DEHP的去除高于丰优丝苗。不同植物混种可提高PAH污染土壤的植物修复效率。然而， 目前的研究主要集中在植物修复和可降解有机污染物的根际去除。需要更有效的植物修复策略来处理难降解有机污染物(如多氟烷基物质和多溴联苯醚)。
值得注意的是，对有机污染物的根际修复的促进是有限的(通常比非根际土壤高4%~15%)。生物强化和生物刺激等技术已被用于改善有机污染物的根际修复。例如，在种植高羊茅和水稻的土壤中接种植物根际促生细菌，分别增强了植物修复过程中TPH(特别是C21-C34)和PAEs的去除。需要更有效的方法来加强对各种有机污染物的根际修复。
3 根际微生物组对有机污染物的响应及影响因素
3.1 根际微生物组对不同有机污染物的响应差异
近十年来，随着微生物群落分析技术的迅速发展，许多研究对根际微生物群落对有机污染物的响应进行了研究。此前，一些研究使用磷脂脂肪酸(PLFAs)或PCR变性梯度凝胶电泳来研究微生物群落。近年来，大多数研究都利用高通量测序、宏基因组学、DNA稳定同位素探测(DNA-SIP)或宏转录组学等方法来探究根际微生物群落对有机污染物的响应。
总体而言， 有机污染对微生物群落表现出明显的毒性，降低了根际微生物的生物量和多样性。 不同种类的有机污染物和特定化合物的毒性差异很大。例如，菲对微生物的毒性比芘更强，可能是因为菲的生物利用度更高。根际土壤和非根际土壤的微生物生物量随着PAHs含量的增加而显著下降。总之，有机污染降低了微生物群落的多样性。与未受污染的对照相比，PCB污染降低了黑麦草根际PLFAs的总浓度和分布。暴露于有机污染物(例如，PAHs、PAEs)的土壤中总PLFAs和微生物功能首先下降(~60天)，然后恢复(~120天)。同样，与非DEHP对照相比，PAE污染土壤(如DEHP、邻苯二甲酸二丁酯)显著降低了细菌群落的α多样性(如Chao1指数)。在PAE胁迫下，根际土壤的酶活性、微生物活性和异质性均高于非根际土壤。 有机污染下根际和非根际土壤微生物多样性的下降主要是由于对污染胁迫缺乏足够耐受性的微生物物种的减少。
不同微生物类群对有机污染物胁迫的响应存在明显差异，污染胁迫通常会抑制一些敏感的微生物类群。 例如，与革兰氏阴性菌相比，革兰氏阳性菌对PAHs表现出更高的敏感性，细菌群落对有机污染(如林丹、PCBs、Cd和DDT的共污染)的响应比真菌群落更敏感。土壤中细菌比真菌和古菌更能反映DEHP污染。与非根际土壤相比，根际细菌群落对DEHP胁迫的响应更强，但多样性明显低于非根际土壤。真菌PLFA浓度随土壤PCB浓度的增加而增加，这可能解释了真菌生长受碳限制，可能生活在被PCB杀死的细菌上。然而，一些抗胁迫的微生物类群逐渐适应污染的土壤，甚至新的微生物物种被引入根际。
有机污染明显改变了根际微生物群落的结构，其受污染物类型、同系物及其浓度/负荷的影响(图2)。例如，不同链长的多氟烷基物质(如全氟辛酸、六氟环氧丙烷二聚酸)对差异丰富的优势菌的根际细菌群落影响不一致，其联合污染的影响更为复杂。通常，某些敏感微生物类群在暴露于有机污染物后，其相对丰度会下降甚至耗尽。在有机污染物(如PCBs、DEHP)处理下，一些微生物类群的迅速消失或耗尽可能是由于污染物具有足够的毒性(特别是在高浓度时)，抑制了微生物类群的生长。相反，微生物组在污染条件下具有较强的适应潜力，导致一些抗胁迫微生物类群的相对丰度显著上升。例如，之前的研究发现，与非DEHP对照相比，DEHP污染显著提高了玉米根际某些门(如变形菌门和拟杆菌门)的相对丰度。通常，根际的优势门因植物种类(如玉米、黑麦草、蔬菜)和污染物(如PAHs、DEHP)的不同而差异很大。在一些研究中，变形菌门和放线菌门是烃污染土壤中的优势菌门。此外，一些门(如变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门)和PAE降解菌属(如 Sphingomonas 和 Lysobacter )被认为是PAE胁迫下共现网络中的关键细菌物种。然而，有机污染胁迫下根际微生物群落的组装(包括随机和确定性过程)和进化过程(如扩散、漂变和分化)尚不清楚。
根系分泌物的根际效应在调节根际微生物类群和组装根际独特的微生物群落中起着至关重要的作用。一般来说， 根系分泌物中的营养物质促进了一些抗胁迫微生物类群的增殖，从而导致一些物种在根际土壤中占据优势地位。 因此，根际微生物多样性(或总PLFAs)和活性(包括酶活性)远高于非根际土壤，表明根系分泌物缓解了PAHs和PAEs等有机污染物对微生物群落的抑制作用。有研究发现柳树根际中的一些优势菌门/纲(如α-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲和酸杆菌门)表现出较高的活性，但大多数门/纲在非根际土壤中表现出较低的活性。同样，与非根际土壤相比，柳树根际真菌(如担子菌门、子囊菌门和球囊菌门)的活性也明显更高。暴露于有机污染物(如PAHs)的某些根际微生物类群成为优势菌(如散囊菌纲：20.6%~52.2%；散囊菌目：20.4%~51.8%)，可能是PAHs的主要降解菌。根际刺激因土壤污染程度而异。值得注意的是，目前的研究主要集中在微生物群落对一类有机污染物或其唯一同系物的响应上。从共污染方面看，细菌和真菌群落对混合物中不同类别有机污染物的响应差异需要更多的研究。
图2 根际微生物组对有机污染物的响应差异。(A)结构改变和组装；(B)构建复杂的共现网络；(C)富集与外源性生物降解相关的功能；(D)污染物类型、植物种类和基因型的影响；(E)不同根相关微生物组之间的差异。
3.2 不同植物间根际微生物组的响应差异
植物种类和基因型影响有机污染物的去除，这可能与根际微生物群落的变化有关。许多研究表明，植物类型和生长阶段影响微生物群落多样性并改变微生物群落结构(图2)。例如，暴露于PAHs的小麦、生菜、南瓜和西葫芦( Cucurbita pepo spp.)的根际微生物群落结构存在明显差异。在柴油污染的土壤中种植天然牧草( Chloris truncata )和小麦，优势菌门(变形菌门、放线菌门、厚壁菌门)的相对丰度差异较大，而种植天然牧草的土壤微生物多样性略高于种植小麦的土壤。同样，暴露于联合污染(Cu、菲、PCB28)下的海州香薷和黑麦草根际微生物群落在某些门(如放线菌门、拟杆菌门)的富集和减少方面也存在显著差异。石油烃污染土壤中的松木和越橘( Vaccinium vitis-idaea )之间的真菌和细菌群落存在差异。然而，需要更多的研究来阐明不同植物根际微生物对有机污染物去除的响应差异。
暴露于有机污染物(如PAEs、有机氯农药、石油烃、抗生素)的不同基因型植物根际微生物群落的多样性和结构也存在显著差异(图2)。 在未受污染的土壤中，细菌和真菌群落受植物品种/物种(如柳树)的影响不大，而根际微生物组受水稻基因型的影响很大。在污染条件下，植物基因型对细菌和真菌群落结构有明显影响。在四个柳树品种中，与不同细菌和真菌分类群相关的转录本丰度存在显著差异，特别是在受污染的根际土壤中，毛头柳( Salix eriocephala )的许多微生物物种和功能的转录水平显著高于黄花柳( S. caprea )。在林丹胁迫下，水稻根际许多敏感门对林丹表现出积极的响应，杂交水稻品种的群落结构比常规品种更为稳定。同样，暴露于DEHP的水稻品种培杂泰丰根际的优势细菌门和真菌门与品种丰优丝苗基本一致，但其优势菌门(变形菌门、绿菌门、放线菌门、子囊菌门、担子菌门)和属的相对丰度受水稻基因型的影响较大。DEHP胁迫提高了高PAE积累品种根际细菌群落生态网络的复杂性，而低PAE积累品种根际细菌群落生态网络的复杂性与无DEHP处理的对照类似。此外，与有机污染物(如PAHs、烃类和苯甲酸酯)降解相关的功能基因类别或途径在不同的植物基因型(如柳树和水稻)之间存在显著差异。这些结果表明， 不同基因型之间的微生物群落结构和功能存在明显差异。
一些研究已经阐明了不同植物种类和基因型间根际微生物群落结构和活性的差异机制，这归因于植物根系形态和植物特异性分泌物的差异。在污染胁迫下，不同植物根系分泌物的成分和含量发生变化，导致微生物生物量和活性的变化以及结构的变化。例如，在相同PAE浓度下，水稻品种培杂泰丰根系分泌物的释放量高于丰优丝苗，导致许多优势菌门和属的相对丰度高于丰优丝苗。此外，一些植物(如玉米)可以合成特定成分和次生代谢物(如苯并恶唑嗪酮)，影响根际特定微生物类群的减少和富集。某些微生物类群的特异性消耗和富集可能导致植物物种特异性或品种特异性的根际微生物类群。尽管如此，目前研究了未污染土壤中根分泌物的特定成分在根际微生物组招募和富集中的作用，在有机污染胁迫下还需要进一步研究。
此外， 植物种类和污染物类型会对根际微生物群落产生复杂的影响。 多氟烷基物质单一或共同暴露时，拟南芥( Arabidopsis thaliana )和本氏*草烟**( Nicotiana benthamiana )根际微生物群落多样性和结构以及种间相互作用存在差异且复杂。在一些研究中，影响微生物群落多样性和结构的关键因素并不一致。例如，Robertson等人通过多变量分析发现，植物类型和土壤因子比石油烃污染更能决定微生物群落结构；而Pritchina等人发现，在PAH污染严重的土壤中，根际微生物群落结构更多地受PAH污染水平而不是植物类型的影响。因此，需要更多的研究来明确有机污染条件下根际微生物组的关键调控因子，从而调节微生物组，以实现植物-微生物的高效修复。
3.3 不同根系相关微生物群对有机污染物的响应差异
由于在植物健康和生物修复(如宿主养分获取、养分循环、抗逆性、植物修复)方面的重要作用，不同根室(如根际、根面和根内圈)的植物根相关微生物受到越来越多的关注。不同的根相关生态位拥有不同的微生物群落。某些门(如拟杆菌门、厚壁菌门、绿弯菌门)和属(如 Methanobacterium )在根际、根面和根内圈中的富集程度不同。 不同根相关生态位的微生物变化主要受宿主选择的控制，宿主选择可能影响某些微生物类群的富集或减少，从而形成特定的微生物群落。 在水稻和玉米等植物中观察到各种与根系相关的微生物组的明显变化。
有毒有机污染物(如PAHs、林丹)对不同根系相关微生物群落的影响显著不同(图2)。细菌群落多样性依次递减：非根际土壤 > 根际 > 根面> 根内圈。这是由于宿主选择压力从根际到根内圈依次升高所致。有机污染物(如DEHP、林丹)的胁迫显著降低了根际和根面的细菌多样性，根面细菌多样性的下降幅度大于根际。暴露于菲的小麦根内圈微生物群落多样性(如Shannon、Chao指数)远低于根际微生物群落多样性。然而，Su等人报道，在菲胁迫下，根际微生物的变化大于根内圈微生物的变化。此外，有机污染(如菲、DEHP)对根内圈和根际微生物群落的影响大于对非根际土壤的影响。这可能是由于非根际土壤中微生物群落的多样性和均匀性高于根相关生态位中的微生物群落，有利于细菌群落对污染胁迫的适应。
在有机污染物胁迫下，不同根相关生态位的群落结构和组装发生了不同程度的变化。DEHP和林丹等有机污染物胁迫改变了根相关微生物群的富集和消耗过程。与未受污染的对照相比，林丹污染导致水稻根际中芽孢杆菌科( Bacillaceae )和丛毛单胞菌科( Comamonadaceae )显著富集(分别增加1.45%和0.46%)，但根内圈 Nocardioidaceae 和 Geobacteraceae 则分别减少了0.27%和0.19%。同样，DEHP胁迫导致玉米根际和根面某些细菌类群(如PAE降解菌)的富集，但抑制了敏感细菌物种。此外，在DEHP污染土壤中生长的玉米，其根面细菌类群的富集和消耗数量均大于根际细菌类群，表明根面细菌群落对PAE污染的敏感性高于根际细菌群落。这可能是由于植物通过分泌植物激素(如水杨酸和茉莉酸)来介导微生物群落在根面的定植和组装而产生的免疫反应。已有研究报道，玉米和小麦等植物的微生物群落共现网络复杂性按非根际土壤>根际>根面的顺序依次降低。有趣的是，在DEHP污染下，根面和根际细菌群落表现出复杂的联系，根面细菌群落比根际细菌群落具有更复杂的共生网络和更集中的相互作用。总体而言，根面微生物群落在选择细菌构建根面微生物组方面起着选择性门控作用。DEHP胁迫干扰了合成细菌群落的定植，影响了根系相关细菌的生物膜形成，导致生物膜较未DEHP处理时变薄。然而，有机污染物对各种根系相关微生物群落定植和组装过程的影响机制尚不清楚。
污染胁迫、植物物种和根相关生态位对微生物群落的变化产生不同而复杂的影响(图2)。置换多元方差分析(PERMANOVA)显示，根相关生态位在控制细菌群落中发挥重要作用，而污染胁迫(如林丹、DEHP)和植物基因型对所观察到的变化贡献较少。不同的是，根相关生态位和品种对真菌群落变异的贡献率大于林丹胁迫。此外，目前关于有机污染物对各种根系相关微生物组影响的研究主要集中在一次采样时间(例如50或60天)的变化。Su等人发现，在菲污染下，时间变化对根系相关微生物群落的影响更明显。因此，需要进一步研究暴露于各类有机污染物的不同根相关生态位的微生物演替。
3.4 根际微生物组对有机污染物和重金属共污染的响应
土壤中普遍存在有机污染物(如PAHs、PAEs)和有毒重金属(如Pb和Cd)的共同污染，这影响了它们的去除效率，特别是在污染物浓度较高的情况下。例如，PAHs-Cd共污染对火凤凰根际中Cd和4种PAHs的去除产生协同效应，特别是对Cd的去除。低浓度芘-Cu/Cd共污染在促进玉米和苜蓿根际金属去除和芘消散方面也有协同效应。然而，Cu的存在(特别是在高Cu水平下，1000~1500 mg/kg)降低了部分植物(如玉米、海州香薷和黑麦草)根际中PAHs(如菲、芘)和PCBs的去除率，显示出对有机污染物去除的拮抗作用或对小麦根际中菲的耗散无明显影响。这可能是由于重金属等共污染物对根系生长的抑制作用，影响了根系分泌物的产生，导致共污染胁迫下根际土壤各种酶活性和微生物群落发生了变化。然而，共污染对有机污染物去除的影响还需要进一步的探索。
有毒重金属与有机污染物的共同污染对根际微生物组产生复杂而显著的影响，部分微生物类群发生了明显的改变。 例如，与单一污染相比(菲和铜处理分别为9.9%和43.6%)，菲和铜共污染对富集的OTUs表现出协同效应(增加到51.9%)。同样，苯并(a)芘和Cd的共同污染对苦楝( Melia azedarach )根际优势门变形菌门和厚壁菌门的相对丰度增加具有协同效应。重金属(如Cd、Cu)和PAHs(如菲、苯并[a]芘)的共污染增加了一些植物(如小麦、海州香薷、黑麦草、苦楝)根际微生物类群(如 Sphingomonas 、 Sphingobium 、 Pseudomonas )、芳烃降解基因和金属耐受分类群的相对丰度，有利于共污染土壤的生物修复。与暴露于PAHs和Cd共同污染的苜蓿内生微生物群落的变化相比，根际微生物群落的变化更为明显。然而，铜与有机污染物(如PAHs、PCBs、五氯苯酚)共污染抑制了一些植物(如黑麦草、海州香薷)根际微生物和酶(如多酚氧化酶和脱氢酶)的活性，尤其是随着土壤Cu浓度的增加。这种抑制作用限制了污染物的去除。
共污染条件下控制根际微生物群落结构和组装的关键因素不同，受共污染物、植物种类、根系分泌物等因素的影响。 例如，Yi等人发现生物可利用Cd、PAHs和有机物含量是影响水稻根际细菌群落结构的关键因素。不同的是，在共污染物(如菲、芘和PCBs)和土壤理化性质(如总有机碳、总氮、速效磷、pH)中，Cu对植物(如小麦、海州香薷、黑麦草)根际微生物群落结构的形成起着最重要的作用。植物物种(如海州香薷、黑麦草)的根系分泌物对微生物群落结构有明显的影响，并间接影响土壤性质。此外，接种外源菌株(如印度梨形孢( Piriformospora indica ))进行生物强化可以改变暴露于Cd和DDT共污染下的皇草根际微生物群的结构。然而，共污染对根际微生物响应的协同或拮抗作用及其机制尚不清楚。促进植物修复共污染土壤的微生物机制，特别是污染物降解菌的富集过程有待进一步探索。
4 根际污染物降解菌和基因富集以促进污染土壤生物修复
有机污染土壤的植物修复(或根际修复)主要依赖于特定污染物降解微生物的生物降解，而不是整个微生物群落。此前，污染物降解微生物是根据16S rRNA高通量测序结果和分离到的污染物降解菌株(鉴定到属)推测的。近年来， 利用宏基因组学、宏转录组学、DNA-SIP等多组学手段对微生物群落的降解功能和污染物降解菌进行了研究，揭示了微生物群落的多种功能与有机污染物的降解和代谢途径有关。 总的来说，DNA-SIP与宏基因组学相结合的技术在原位鉴定活性和不可培养的污染物降解菌以及负责有机污染物生物降解的功能基因方面具有明显的优势。在土壤中经常观察到涉及有毒有机污染物(如PAHs)降解的特定功能，根际微生物群落的相对丰度明显高于非根际土壤。此外，一些研究通过富集污染物降解菌和基因揭示了根际降解机制。这些富集有利于有机污染物的降解和污染土壤的根际修复。
值得注意的是， 目前关于污染物降解菌和基因富集的报道主要来源于根际细菌群落，而真菌群落的报道很少。 在文献中，在某些情况下观察到污染物降解真菌的富集。例如，一些能够降解烃类和PAHs的真菌纲(如伞菌纲、子囊菌纲)在高羊茅的根际中富集。一些真菌属(如 Aspergillus 、 Mortierella 、 Geomyces 、 Humicola )可能是火凤凰根际富集的主要PAH降解菌，它们在土壤PAH降解中起着重要作用。Abbasian等人通过宏基因组学分析了功能基因，发现原油污染土壤微生物群落中98.2%的基因属于细菌，涉及对土壤污染的适应以及脂肪烃和芳香烃降解的基因。因此，本文聚焦于污染物降解细菌和基因(图3)。
图3 根际污染物降解菌和基因的富集促进污染物降解和微生物适应。(A)富集丰富的活性污染物降解菌；(B)富集污染物降解基因；(C)根际基因表达量高于非根际土壤；(D)编码催化有机污染物降解的酶的基因。
4.1 根际TPH降解细菌群落及基因的富集
目前，报道最多的用于根际修复的污染物降解菌是针对 PAHs、PAEs、PCBs、TPHs等。Hoang等人总结了TPH污染土壤的主要根际修复机制和关键因素，包括微生物群落、植物-微生物关联、促进根际TPH降解的生物刺激和生物强化过程。一些研究发现，TPH降解与细菌群落多样性无关，或者TPH去除率与微生物丰度无显著相关性。然而，石油的去除与根际特定的石油降解菌或烃降解细菌呈正相关。Hoang等人研究了广义的烃类降解细菌，包括原生烃类降解菌和外源菌株/菌群，但并未关注烃类降解基因。
利用高通量功能基因芯片(GeoChip)对中国油田土壤细菌群落中参与烷烃和芳烃降解的功能基因多样性进行了研究。与此同时，也有研究报道，在TPHs污染的根际中，TPHs与根际的共选择压力导致与烃降解相关的基因表达增加。目前，几种基因(如编码烷烃羟化酶的 alkB 基因、编码儿茶酚2,3-双加氧酶的 C23O 基因、编码萘双加氧酶的 nahR 基因)在TPH污染的土壤和根际中被频繁报道。 alkB 基因的表达受TPH污染水平、植物种类/栽培品种及其互作的显著影响。例如，在石油烃污染的土壤中，根际 alkB 基因丰度高于非根际土壤，并且高羊茅品种Rhizing Star的根际 alkB 基因丰度明显高于品种Greenbrooks或未种植对照。土壤中TPH的去除与 alkB 基因的丰度直接相关。此外，通过施肥(如磷肥)增加养分可以提高基因丰度(如 alkB 、编码烷烃羟化酶的 CYP153 )。然而，TPH的微生物降解机制(特别是活性TPH降解菌的富集和基因表达)、植物与微生物的相互作用以及根际微生物群落的互作还需要基于基因组学或DNA-SIP技术进行进一步的探索。
4.2 根际PAH降解细菌群落及基因的富集
在植物修复过程中，观察到根际中PAH降解细菌群落的富集程度优于非根际土壤。一些属于某些门(如变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、绿弯菌门)的细菌属(如假单胞菌属( Pseudomonas )、 Bacillus 、 Sphingomonas 、 Mycobacterium 、 Rhodococcus )是常见的PAH降解菌。通过DNA-SIP鉴定出的一些细菌纲(如Sphingobacteriia、Actinobacteria)和属(如假单胞菌属、根瘤菌属( Rhizobium )、 Sphingomonas 、 Ilumatobacter 、 Singulisphaera 和 Ensifer meliloti )是活跃的PAH降解菌，在紫花苜蓿和黑麦草根际中的相对丰度高于非根际土壤。13C-PAH标记成分证实了这些活性PAH降解菌负责降解PAHs。焦化厂的某些植物(如4种乡土草本物种)可以提高根际某些降解PAH的细菌群落(如 Sphingomonas 、 Pedomicrobium 、 Pseudomonas )的相对丰度。 一些研究揭示了PAH降解菌在根际富集的机制，其中根系分泌物和根际代谢物起着至关重要的作用。 与未种植土壤相比，在苯并[a]芘胁迫下，黑麦草根际差异代谢物(如苯类羧酸、脂类、有机杂环化合物等)的表达上调。这些植物(如黑麦草、紫花苜蓿)的根系分泌物和代谢物为污染物降解菌提供了养分，明显塑造了活性PAH降解菌群落结构，并在根际富集了PAH降解菌，与未种植土壤相比，对根际PAH降解类群的相对丰度产生了积极影响。
促进PAH(如菲)降解和植物修复的根际效应依赖于土壤中具有竞争优势的污染物降解菌。随着13C标记百分比的增加，在共现网络中观察到根际菲降解菌的互养相互作用。根际PAH降解菌与根系分泌酶的共同作用促进了PAHs的完全降解。此外，PAH降解菌可以通过产生胞外聚合物(作为生物表面活性剂)或形成生物膜促进PAH生物降解来提高PAH的生物利用度。根际PAH降解菌的相对丰度与PAH的去除率呈正相关。这些发现表明，根际PAH降解菌有助于PAH的去除。
根际PAH降解细菌群落的富集受植物种类和根相关生态位的影响。 在油污染土壤中生长的3种草原牧草和焦化厂的4种乡土草本物种的根际PAH降解细菌群落的结构存在差异。一些PAH降解菌(如13C标记菌群中的 Rhizobiales 、 Rhodobacterales 、 Lactobacillales 和 Enterobacteriales )的相对丰度随着与根系距离的拉近而增加。菲降解菌的生态位差异可能导致菲降解沿根际梯度呈非线性变化。
根际不仅富集了PAH降解菌，还富集了降解PAH的功能基因。一些研究报道了编码PAH羟基化双加氧酶的PAH- RHD 基因、编码邻苯二甲酸酯双加氧酶的 phtA 基因、编码原儿茶酸3,4-双加氧酶的 P34O 基因、编码儿茶酚双加氧酶的 C12O 和 C23O 基因在植物根际富集。例如，植物根际13C-DNA宏基因组中所有鉴定基因的丰度均比非根际土壤显著高出6.93~8.33倍。暴露于苯并[a]芘的黑麦草根际中PAH- RHD 基因的相对丰度显著高于无污染对照组。高羊茅明显增强PAH- RHD α革兰氏阴性基因的表达。在PAH污染土壤中生长的植物(如桦树)根际中，编码PAH双加氧酶、原儿茶酸3,4-双加氧酶和环裂解双加氧酶的PAH降解相关的优势基因的丰度高于非根际土壤。高羊茅根际PAH降解过程中部分基因(如 C12O 和 C23O )的丰度较非根际土壤上调了1.2~1.9倍。一些研究表明，根系分泌物(如水杨酸、水溶性提取物)和差异代谢物(与未种植对照相比)在提高根际PAH降解基因的表达(如PAH- RHD 基因表达约16~300倍)方面发挥了重要作用。PAH- RHD α基因的相对丰度与13C-菲降解率密切相关。PAH降解菌和基因的富集共同加速了根际PAH的去除。基于宏基因组分析注释了功能基因，揭示并重建了根际PAH (如13C标记的菲)的生物降解途径(包括邻苯二甲酸酯/原儿茶酸和萘/水杨酸)。目前，已鉴定的根际PAH降解基因及其与非根际的差异是有限的。需要通过多组学(包括宏基因组学)进一步探索更多参与PAH生物降解的功能基因，以实现根际修复。
4.3 根际PAEs降解细菌群落及基因的富集
PAEs是土壤中普遍存在的有机污染物，其浓度高于其他有毒有机污染物，如PAHs和PCBs。20多篇文献报道了根际微生物群落的结构和功能。PAE污染影响了水稻、小麦、玉米等作物根际微生物代谢行为和功能。高通量测序和宏基因组分析表明，土壤中存在丰富的PAE降解细菌群落(图3)。例如，PAE降解菌(如 Alsobacter 、 Brevundimonas 、 Dyella 、 Lacibacter 、 Singulisphaera 、 Sphingobacterium )在植物(如白菜)根际富集。PAE降解菌属(如 Bacillus、Sphingomonas、Sphingopyxis、Lysobacter、Microbacterium 和 Rhizobium )的相对丰度与土壤中DEHP浓度呈正相关，并且其在玉米根际中的相对丰度显著高于未种植土壤。DEHP胁迫增强了玉米和生菜根际PAE降解菌的显著富集。根系分泌物产生的根际效应促进了PAE降解菌的富集，与添加无菌水相比，添加根系分泌物的DEHP污染土壤中PAE降解菌的丰度更高。此外， PAE降解菌的丰度与DEHP去除率呈正相关。这些结果表明，根际效应促进了PAE降解菌的富集，从而加速了根际PAE的降解。 值得注意的是，在不同的研究中，鉴定出的PAE降解细菌分类群(在科、纲或属水平上)是不同的。这可能与土壤类型、植物种类和实验条件的差异有关。需要通过相同的实验方法(如宏基因组分析)进一步揭示差异机制。
在根际中观察到参与PAEs生物降解的微生物功能基因的富集(图3)。在玉米根系相关细菌群落(如根际、根面、非根际土壤)中发现了PAEs降解基因(如编码羧酸酯酶的 yvaK 基因、编码脱氢酶的 pht5 基因、编码3,4-二羟基邻苯二甲酸酯脱羧酶的 phtC 基因、编码双加氧酶的 pcaG 和 pcaH 基因)存在明显的功能差异。通过宏基因组分析，在多个bin中发现了 pht 基因簇、 yvaK 和 pca 基因簇等降解相关基因，这些基因簇与一些PAE降解属(如 Sphingomonas、Sphingopyxis、Lysobacter 和 Rhizobium )有关。根际和DEHP胁迫显著促进了PAE降解功能基因 phtAb 和 phtC 的富集，并且在DEHP污染下植物(如玉米、水稻)根际中的表达水平显著高于未种植土壤。这些结果表明，根际中的根系分泌物有利于PAE降解细菌群落的富集，从而显著提高了PAE降解功能基因的相对丰度。土壤中的DEHP污染刺激了编码酯酶、羧酸酯酶、脂肪酶和细胞色素P450酶的基因。然而，通过宏基因组学鉴定的单个PAE降解菌属没有完整的PAE代谢途径。基于宏基因组测序结果重构DEHP降解途径表明，DEHP的根际降解主要是通过PAE降解细菌群落与非PAE降解细菌群落之间的微生物互作和共代谢进行。为了促进根际修复，需要进一步探索PAE在原位的降解途径和关键的PAE降解菌/基因。
4.4 根际PCB降解细菌群落及基因的富集
一些研究报道了PCB在根际中的去除和生物降解。此前，一些研究发现，PCB在根际的高生物降解与较高的细菌数量和土壤酶活性有关。然而，最近的一些研究表明，PCB的去除与细菌群落的多样性无关，而与某些降解PCB的细菌群落和基因表达呈正相关。通过DNA-SIP或Illumina测序，一些细菌属(如 Pseudomonas 、 Agromyces 和 Sphingomonas )被注释为PCB降解菌。植物的根系分解和根际不仅改变了PCB-9降解菌，还增强了参与PCB和外源代谢的 bph 基因簇(如 bphA 、 bphC 、 bphD 、 bphH )和其他基因(如 ARHD 、 bpdB 和 bpdF )的富集(图3)。例如，一项研究通过DNA-SIP和GeoChip检测了27个(在PCB污染土壤中生长的松树根际)参与PCB及其中间体生物降解的基因。与未种植土壤相比，植物根际PCB降解基因(如 bphA 、 bphC )的丰度显著升高，促进了PCB在根际的生物降解。PCB降解菌和基因的丰度与PCB的去除率呈正相关。
值得注意的是， PCB降解细菌群落和基因的富集受到植物种类和与根系分解相关代谢物的影响。 例如，在奥地利松和黄花柳的根际中观察到的PCB降解菌的数量比其他植物(如洋槐、草)根际或非根际土壤多2.7~56.7倍。高浓度Cu处理下，海州香薷根际中PCB降解基因的丰度高于黑麦草根际，表明金属耐受/超富集植物可以加强植物与根际微生物群落的合作，以降解PCB。根系分解降低了微生物之间的竞争，有利于活性PCB-9降解菌的组装。然而，目前缺乏基于根际PCB降解基因重构PCB代谢途径的研究。PCB降解基因的富集机制和PCB降解途径有待进一步研究。
结论
根际微生物群落对有机污染物的响应-适应-反馈过程研究取得了重大进展。揭示了根际微生物群落对污染物降解和生物修复的促进机制，特别是对污染物降解菌和基因的富集。然而，对根际微生物群落的响应-适应-反馈过程和根际修复还存在一定的认识空白，需要进一步研究。
众所周知，土壤中普遍存在着各类有机污染物。某些类别的有机污染物，如疏水-亲脂(类)POPs(如PCBs、PAHs和PAEs)、水溶性污染物(如抗生素)、亲蛋白-两疏性POPs(如多氟烷基物质)的物理化学性质存在很大差异。对于一些新兴的有机污染物，如有机磷阻燃剂和多氟烷基物质(如全氟辛烷磺酸、全氟辛烷酸)，需要对根际微生物群落的响应-适应-反馈过程进行更多的研究，通过同时配对研究来探索它们的变化。
根际微生物受植物种类(或基因型)、根相关生态位和污染水平的影响。 目前，关于控制根际微生物组的关键因素的报道结果不一致。因此，决定微生物群落改变的主要因素，特别是污染物降解微生物类群和基因在根际的减少和富集过程需要进一步明确。根系分泌物和次生代谢物中介导根际功能微生物群落组装和结构的具体成分有待进一步探索。
目前的研究还没有很好地揭示有机污染条件下根际细菌和真菌群落的相互作用。微生物群落对有机污染胁迫的适应策略(如微生物群落合作、群体感应、形成生物膜等)值得探讨。 植物-微生物-根系分泌物相互作用的机制以及有机污染物(如PAHs、PCBs)与养分循环耦合的代谢网络尚不清楚。
参与许多有机污染物生物降解的特定基因及其在根际的降解途径尚未完全揭示。此外，目前许多根际微生物的研究主要是在人工污染土壤的温室中进行的，这与田间条件有很大的不同。探讨根际微生物群落(包括污染物降解菌、基因)的变化及其对原位降解的促进作用，将有助于揭示微生物降解机制和根际修复效率。
综上所述，植物修复主要通过根际生物降解促进有机污染物的去除。土壤有机污染导致根际微生物群落多样性下降，结构和功能发生改变。根际微生物群落的响应随有机污染物的种类及其浓度而有很大差异，并且还受到植物物种(或基因型)、根相关生态位和共污染的影响。根际微生物组富集了污染物降解群落和基因，促进了有机污染物的降解和根际修复。根际微生物组经历了响应-适应-反馈过程，提高了根际修复效率。