Environmental Pollution - 中国农科院研究揭示微生物减少小麦对镉的吸收！

国际学术期刊Environmental Pollution发表了中国农业科学院杨建军团队2022年的最新成果，题为Synergistic effects of Cd-loving Bacillus sp. N3 and iron oxides on immobilizing Cd and reducing wheat uptake of Cd的研究论文。

摘要

铁氧化物和微生物是影响土壤重金属转化和生物有效性的重要土壤组分。然而，尚不清楚嗜镉菌株对富铁土壤中小麦吸收镉以及Fh吸附镉的影响。通过批量试验和盆栽试验，研究嗜Cd芽孢杆菌N3和水铁矿(Fh)对Cd的固定化机理及其对小麦根际土壤中Cd吸收和细菌群落组成的影响。结果表明，菌株N3和Fh的组合比菌株N3和Fh分别能固定更多的Cd。此外，菌株N3促进了镉在Fh的滞留，协同降低了土壤中DTPA提取态镉浓度和小麦籽粒中的镉含量(57.1%)。此外，接种N3菌株增加了根际土壤细菌群落共生网络的复杂性，增加了具有固定重金属、异化铁还原和促进植物生长等多重功能的有益细菌的数量。总之，本研究证明了菌株N3和铁氧化物的富集，以及土壤pH值的增加，协同固定了土壤中的Cd，这强烈表明接种嗜Cd菌株可能是一种有前途的固定Cd和减少小麦吸收Cd的方法，特别是对于富含铁氧化物的土壤。

引言

微生物原位钝化技术被广泛应用探索有效的镉富集农田控制和整治方法。在微生物修复过程中，接种外源菌株可能会改变土壤-根界面微生物群落的微生物相互作用和高度适应性共生模式。然而，接种嗜金属菌株后土著微生物之间的相互作用网络的变化以及随后对作物吸收重金属的影响仍然是未知的。铁氧化物是土壤重金属的活性吸附剂，具有多种矿物学特征，如赤铁矿、针铁矿和水合铁(Fh) 。外源功能菌接种可通过形成铁氧化物、重金属和细菌的三元配合物来增强铁氧化物对Cd的吸附能力，从而减少与铁氧化物相关的重金属的释放。嗜镉菌株对富铁土壤中小麦吸收镉以及Fh吸附镉的影响尚不清楚，因此值得进一步研究。本研究的目的是研究(1)菌株N3对溶液中Cd对Fh吸附的影响;(2) N3与Fh联合处理的静态土壤中Cd的固定试验;(3)盆栽条件下菌株N3对小麦籽粒吸收Cd的影响及其微生物机理。

结果

一、菌种N3和Fh在溶液中对Cd的吸附作用

1、菌株N3在静态培养实验中生长良好，Fh促进了菌株N3的生长。(图1a)

2、N3、Fh和N3+Fh处理在培养的第20天分别显著降低了Cd含量67.41%、56.19%和83.72%。(图1b)

3、Fh处理使溶液pH从6.94降低到6.12，而菌株N3和菌株N3与Fh结合显著提高了溶液pH(从6.94提高到7.15-8.04)(图1c)。

4、在N3+Fh处理下，Fe3+浓度随培养时间的增加而增加。(图1d)，说明菌株N3能部分溶解Fh，释放Fe3+。

二、SEM-EDS观察及对Cd的最大吸附量

1、在Fh、N3和N3+Fh处理中，可以观察到Cd在Fh上的附集，及N3、Fh、Cd成功形成三元复合体(图2a、b和c)。

2、通过EDS(图2d)可以发现这些析出颗粒中存在Cd，这说明Fh、N3应变和N3应变与Fh结合可以诱导Cd析出，降低溶液中Cd的浓度。

三、菌株N3和Fh对土壤DTPA-Cd含量和pH的影响

1、180天的静态土壤试验表明，菌株N3、Fh和N3与Fh结合显著降低了土壤中DTPA-Cd的含量(图3)。N3、Fh和N3+ Fh处理的DTPA-Cd含量分别降低了38.6%、35.9%和61.9%(图3a)。但Fh处理的DTPA-Cd含量随时间波动，表明Fh对污染土壤中Cd的固定化影响不稳定。N3+Fh处理的DTPA-Cd含量相对稳定，表明菌株N3接种Fh有利于Cd的稳定。

2、CK处理的土壤pH保持在6.64,Fh处理的土壤pH从6.61降低到6.54。而N3和N3+Fh使土壤pH从6.61提高到6.85-6.97(图3b)，说明菌株N3能分泌碱性物质，提高土壤pH。

四、小麦盆栽试验

盆栽试验结果表明，与CK处理相比，菌株N3提高了根系干重(40.1%)、秸秆干重(35.4%)和籽粒干重(37.6%)。同时，添加N3处理的小麦根系、秸秆和籽粒Cd含量分别降低了36.9%、42.4%和57.1%。上述结果表明，菌株N3处理可降低小麦对Cd的吸收(表1)。此外，菌株N3还降低了小麦对Cd的BCF，有利于抑制Cd从土壤向小麦根系和籽粒的迁移。

五、菌株N3对小麦根际土壤镉形态、pH、氧化铁含量和有机质含量的影响

结果表明，菌株N3的添加降低了小麦根际土壤Cd生物有效性(图4a)。此外，接种菌株N3后，小麦根际土壤中溶解铁含量增加了116%(图4b)，这可能增加了氧化铁含量，因为在pH高于6.5的土壤中，溶解铁很容易转化为氧化铁。这也与小麦根际土壤中铁锰镉含量的增加相一致。此外，菌株N3使小麦根际土壤pH从6.68提高到6.91，但对有机质含量没有显著影响(图4c和d)。

六、N3芽孢杆菌对小麦根际土壤细菌群落结构和多样性的影响

1、UPGMA聚类分析显示，接种N3菌株改变了小麦根际土壤的细菌群落结构(图5A)。

2、PCA分析表明，N3和CK样品相互分离，重复性好(图5B)

3、放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门和拟杆菌门是所有样品的主要门(图5C)。N3处理增加了厚壁菌门和变形菌门的相对丰度，而放线菌门和酸杆菌门的相对丰度低于CK处理。

4、此外，接种N3菌株增加了根瘤菌目、芽孢杆菌目、β-变形杆菌目、柄杆菌目和假单胞菌目的相对丰度，但微球菌目、鞘脂单胞菌目、丙酸杆菌目和红细菌目的相对丰度低于CK处理中的相对丰度(图5D)。

七、小麦根际细菌群落的生态共现网络

1、CK处理中的节点和边的数量比N3处理中的少。N3处理的平均程度(4.635)高于CK处理的平均程度(4.201)，表明N3处理产生了比CK处理更复杂的网络(图6A和表S3)。

2、芽孢杆菌属和其他属之间的连接数目显示在图6B中。与CK处理相比，接种菌株N3增加了网络中芽孢杆菌和其他属之间的链接数(占总链接数的146%)。类似地，芽孢杆菌属和其他属之间的正和负链接在N3处理中比在CK处理中更高(分别为总链接的317%和88.89%)(图6B)。接种N3菌株增强了小麦根际土壤细菌间的协同作用。据报道，与芽孢杆菌属正相关的大多数属(剑菌属、肠杆菌、微枝形杆菌和地杆菌)参与了重金属的固定、异化铁还原或植物生长促进(图6B)。

八、N3菌株存在时特定细菌群落对镉的响应

结果表明，与CK处理相比，接种N3菌株的小麦根际土壤中短波单胞菌、剑菌属、芽孢杆菌、土地杆菌、假单胞菌和沙雷氏菌的相对丰度显著增加。根据前人研究，这些菌属分别具有固定重金属、促进植物生长和异化铁还原等功能。

此外，N3处理中黄杆菌属、鞘脂单胞菌属、诺卡氏菌属的相对丰度低于CK处理，并且这些属中的大多数不具有固定Cd或促进植物生长的功能(图7)。这些结果表明，接种N3菌株调节了小麦根际土壤中功能细菌的分布，提高了参与重金属固定、植物生长促进和异化铁还原的功能细菌的相对丰度。

讨论

N3 菌株与 Fh 组合比单独使用 N3 菌株或 Fh 具有更高的吸附和固定 Cd的能力。菌株N3提高了Fh对Cd的吸附能力，协同降低了土壤中DTPA-Cd的含量。盆栽实验表明，接种外源嗜镉芽孢杆菌。N3降低了Cd含量，增加了污染土壤中小麦籽粒的干重。N3改变了小麦根际土壤的土壤理化性质并重塑了细菌群落共生网络。i) 提高根际土壤的 pH 值并降低有效 Cd 含量；ii) 增加氧化铁含量；iii) 减少细菌群落的多样性，增加共现网络的复杂性；iv) 增加功能性微生物的丰度。

本文除了关注菌株N3固镉效果之外，还重点解释和讨论了N3处理后小麦根际细菌群落所发生的变化以及土壤铁氧化物的动态变化与降低镉流动性的关系。菌株N3增加了小麦根际土壤中氧化铁和针铁矿的含量，这可能是由于菌株N3与土壤中功能微生物群落的结合介导了土壤中氧化铁的相变，从而增强了土壤颗粒对Cd的吸附。先前的研究表明，Fe(III) 矿物质会被 Fe(III) 还原细菌（如厚壁菌门）还原，同时增加 pH 值和降低 Cd 迁移率（Muehe 等人，2013 年）。我们的研究结果表明，菌株 N3 与土壤氧化铁的组合通过调节小麦根际细菌群落结构来固定化 Cd 并抑制小麦对 Cd 的吸收。用N3菌株接种不仅增加了芽孢杆菌的相对丰度，而且增加了恩氏菌、肠杆菌、微枝形杆菌和地杆菌的相对丰度。这些细菌在固定镉和降低镉对小麦的毒害方面也起着重要的作用。与CK处理相比，接种N3菌株后，根际土壤中功能微生物与Cd生物有效性之间的相关性更加显著，表明了重金属固定细菌和PGPBs在构建复合群落协同应对重金属毒性中的潜在作用。

虽然这项研究证明 N3 菌株在盆栽试验中对 Cd 的固定具有重要作用，但在田间应用 N3 菌株在农业土壤中固定 Cd 将具有挑战性。因为土壤基质的复杂性、原生土壤微生物的干扰和多变的环境条件。因此，值得在田间条件下进行进一步研究，以改善功能性微生物的定殖和性能。

该研究为重金属超标农田微生物修复提供了菌种资源，丰富了菌种资源库；结果从理论上证明了功能菌株的有效性，为重金属污染农田修复提供了基础理论背景；在后续研究中，功能菌株可与有机肥或生物炭结合，在田间条件下共同施用，实现小麦安全生产。

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