同步辐射在菌根际铬的迁移转化机制研究中发挥重要作用

　　丛枝菌根真菌（AMF）是一类能够与陆地上80%以上植物形成共生关系的土壤真菌。AMF一方面从宿主植物获取碳水化合物，另一方面则能够吸收矿质养分（如磷、氮等）并传输给植物，以改善植物营养状况。丛枝菌根能够显著提高植物在铬胁迫环境下的生存能力，因而在铬污染土壤生态恢复中具有极高的潜在应用价值。然而，关于铬在菌根际的迁移转化过程及机理研究还不清楚，而这对于理解菌根共生体耐铬机理及发展菌根修复技术均具有重要意义。中国科学院生态环境研究中心陈保冬课题组对丛枝菌根共生体系中铬的迁移转化过程及机制进行了深入研究，相关研究成果发表在2015年12月15日的《Environmental Science & Technology》上。 

　　该研究组前期通过X射线荧光微分析技术（X-ray fluorescence micro-spectroscopy, μ-XRF）研究发现，不接种AMF的植物主根中铬主要分布于维管束和皮层部位，而接种AMF之后，铬仅分布于皮层部位。据此推测，菌根能够抑制铬经由木质部向地上运输，同时增强了植物根系对铬的固持能力。进一步利用双重无菌分室培养系统研究发现，丛枝菌根根外菌丝能够主动吸收铬并转运到菌根根系中，而同时将绝大多数铬（70%以上）固持在根外菌丝中，从而证实了根外菌丝在菌根固持铬中的关键作用。进一步利用X射线近边吸收精细结构分析谱（X-ray absorption near edge fine structure spectroscopy, XANES）结合线性叠加拟合分析（linear combination fitting, LCF）研究发现，丛枝菌根真菌能够将Cr(VI)还原成Cr(III)，并主要以磷酸铬（Cr(III)-phosphate）类似物（所占比分为86%）的形式固持下来（图1）。而当被2%（v/v）甲醛灭活或被0.5 mmol L^-1 DNP（能够抑制氧化磷酸化，降低ATP的合成，从而抑制主动运输过程）处理后，菌丝中依然存在大量的铬，且这些铬几乎全部以磷酸铬类似物的形式存在（所占比分大于95%）。由此推断，菌丝表面很可能吸附固持大量的铬，且这些铬主要以磷酸铬类似物的形态存在。此外，菌丝中Cr的K边扩展边X射线吸收精细结构（Extended x-ray absorption fine structure, EXAFS）分析结果也进一步验证了菌丝中铬主要以磷酸铬类似物形式存在。 

　　众所周知，丛枝菌根真菌最重要的功能是能够改善宿主植物的磷营养，该真菌菌丝能够直接从环境中吸收磷，并以多聚磷酸盐（PolyP）的形式在菌丝中运输，之后在共生界面将磷传递给宿主植物。本研究表明，这些菌丝中的磷很可能能够络合（沉淀）有害元素铬，从而在菌根耐受铬胁迫中起着关键作用。研究阐明了菌根通过直接作用缓解植物铬毒害的机制，为菌根在铬污染土壤生态修复中的应用提供了重要理论基础，同时也为推测其他金属在菌根界面的环境行为提供了借鉴。 

　　图1 不同处理菌丝体LC-XANES分析结果。（A）不同处理菌丝体Cr K边XANES谱线性叠加拟合分析（LCF）结果。“+M+Cr”处理表示菌根室接种处理，菌丝室加入0.05 mmol L^-1 Cr(VI)；“+M+CrF”处理表示菌根室接种处理，菌丝室先用2%（v/v）甲醛灭活处理，然后加入0.05 mmol L^-1 Cr(VI)；“+M+CrD”处理表示菌根室接种，菌丝室加入0.5 mmol L^-1 DNP和0.05 mmol L^-1 Cr(VI)。（B）不同处理菌丝体中各形态铬所占总铬的百分比（LC-XANES分析结果）。（C）Cr(III)标准化合物及不同处理菌丝的Cr K边扩展边X射线吸收精细结构（EXAFS）径向分布函数及其拟合效果图。实线为实验数据，虚线为拟合数据。 

图2 铬在菌根共生体系中的迁移转化过程示意图。