第一作者：張軒喻金蘭
通訊作者：朱詠華
作者單位：2003网站太阳集团；湖南省林業科學院
圖片摘要
成果簡介
近日，環境領域著名學術期刊Science of the Total Environment在線發表了2003网站太阳集团和湖南省林業科學院的最新合作研究成果“Enhanced Cd phytostabilization and rhizosphere bacterial diversity ofRobinia pseudoacaciaL. by endophyteEnterobactersp. YG-14 combined with sludge biochar”。研究構建了一種新型的植物内生菌-污泥基生物炭-木本植物刺槐聯合修複技術，用于土壤重金屬镉污染的植物固定化，土壤镉濃度和有效态可降低61.75%和69.01%，并表現出顯著的植物促生效果，土壤改良和微生态改善明顯，具有廣闊的應用前景。
引言
重金屬镉（Cd）被聯合國環境規劃署列為全球性危害化學物質之首，在我國的重金屬污染土壤問題中，镉污染也是危害性最大的。植物-微生物聯合修複因其成本低廉、綠色環保，且适用于大面積原位修複，在礦山重金屬污染土壤修複中極具應用前景。刺槐（Robinia peudoacaciaL.）屬的豆科植物因具有耐瘠薄、高污染抗性等優勢成為公認的礦區造林先鋒樹種。現有研究表明植物促生菌可以提高刺槐的重金屬抗性水平和富集量，然而，刺槐植物富集Cd的水平相較其富集鉛（Pb）、鋅(Zn)、銅(Cu)等重金屬的水平較弱，直接制約了刺槐對礦山廢棄地的Cd固定化效果。目前，利用微生物與生物炭聯合修複重金屬的研究很多，聯合修複作用于木本植物進行土壤重金屬固定化的研究相對較少，且該複合修複方法對土壤中Cd的植物固定化的影響機制尚不明确。本研究以土壤镉污染固定化修複為出發點，構建了内生菌-污泥生物炭協同強化木本植物刺槐固定化重金屬镉的新模式。結合生理生化表征和盆栽實驗，測定植物促生指标以及镉在土壤和植物中的遷移轉運規律，闡釋微生物與生物炭的協同作用機制，并将該模式用于刺槐對镉的植物修複體系中，探究其對土壤镉固定化的機理。
圖文導讀
植物内生腸杆菌Enterobacter sp.YG-14的重金屬耐受水平和植物促生性能
圖1.A. YG-14菌落形态及植物促生理化性質；B.正常水平和镉脅迫（500mg/L）YG-14菌體形态和元素組成；C.Cd對YG-14的最小抑菌濃度（MIC）D. YG-14對刺槐幼苗生長的影響;E.YG-14接種對對刺槐生物量和光合作用的影響。
本研究從礦區重金屬耐性植物體中分離出了一種具有多種重金屬吸附能力的腸杆菌（Enterobacter sp.YG-14）（授權專利ZL201810719544.1），通過菌株生理生化特征和盆栽實驗發現YG-14具有分泌吲哚乙酸、溶磷、固氮等特性，能促進刺槐生長。接種YG-14後，在镉脅迫下，超過80%的内生YG-14重分離自植物根部組織，并誘導産生大量低分子有機酸促進镉的根部螯合，根部镉濃度提高了3.6倍；同時抑制了镉向植物地上部分轉運，轉運系數較處理前降低了4.9倍。
Cd脅迫下YG-14、生物炭及二者複配對刺槐幼苗生長的影響
圖2.A.植物株高與根長；B.植物地上與地下部分幹重；C.植物總葉綠素含量；D.植物葉片氮含量；E.植物淨光合速率。CK：未經過處理的刺槐；Biochar：施加生物炭處理的刺槐；YG-14：接種YG-14處理的刺槐；B+YG-14：YG-14複配生物炭處理的刺槐。
施加生物炭後，元素分析和BET表面分析顯示污泥基生物炭不僅具有多孔結構和較高的比表面積，而且富含磷（14.89 g kg-1）等生物生長必須元素，使得镉脅迫下施加生物炭的根際活菌落數顯著增多。FTIR和HPLC分析表明生物炭誘導了生物礦化過程，含镉晶體沉澱較未施加生物炭時明顯增多，使得土壤中镉的總量和生物有效性顯著降低，推測生物炭可通過吸附和鈍化土壤镉降低植物毒性促進植物生長。
污泥基生物炭理化特征協同YG-14産生生物礦化镉
圖3.A.生物炭元素分析和比表面積；B.施加生物炭對YG-14菌落數的影響。S:YG-14接種;BS: YG-14接種+5%生物炭(w/w)混合;S +Cd: YG-14接種+Cd2+(35mg L-1)脅迫；BS+Cd: YG-14接種+5%生物炭+Cd2+(35mg L-1)。C. 不同處理吸附Cd後的XRD圖譜; D. 不同處理吸附Cd後FTIR圖譜。
實驗還證實了内生菌-生物炭聯合修複方式對刺槐生長起到了良好的協同效應（E>0），植物促生指标較對照有不同程度的提高（39.61%–561.91%），植物固定化镉效應明顯提升，镉的單株累積量提高了81.42%，地上轉運降低了72.73%。聯合修複後，土壤總镉和酸可提取态镉分别降低了61.75%和69.01%,土壤細菌群落中發現更豐度的固氮菌。
镉在植物中的遷移轉運及在土壤中的賦存形态
圖4. Cd脅迫下YG-14、生物炭及二者複配處理下刺槐單株镉富集（A）和轉運（B）系數,以及根際土壤Cd總量及形态（C）。
聯合修複對土壤細菌群落多樣性及固氮菌群的影響
圖5.不同處理細菌群落結構的PCA分析(A)和與環境因子相關性的RDA分析(B); C.細菌群落Alpha多樣性指數;D.不同處理下LEFse分析（LDA > 3）有顯著性差異（P< 0.05）的根際細菌群落。
小結
研究明确一種内生腸杆菌和富磷污泥基生物炭對刺槐在Cd脅迫下的生長發育和重金屬固定化起到了協同作用，揭示了污泥基生物炭-内生菌YG-14聯合影響植物固定化土壤中Cd的機制，為将“微生物-生物炭-植物”複合體系用于礦山重金屬污染土壤修複奠定了理論基礎。
該研究得到了國家自然科學基金的資助。特别感謝2003网站太阳集团提供的技術支持。特别感謝湖南省林業科學院省部共建木本油料資源利用國家重點實驗為該研究提供平台支撐和經費支持。
通訊作者簡介
朱詠華:教授，博士生導師。學術研究方向資源與環境微生物的研發和植物—微生物相互作用研究。主要涉及協助植物抗逆和促生的内生菌研究；具有降解環境廢棄物能力的内生菌研究；特色植物内生菌的研究。先後主持與參加了國家自然科學基金、國家重大專項子項目、湖南省科技重點項目等共20餘項科研課題，作為主要研究人員之一獲湖南省科技進步二等獎2項。先後在Biotechnology for Biofuels、The Journal of Biological Chemistry、Applied and Environmental Microbiology等國内外知名刊物上發表學術論文50餘篇，作為第一發明人獲得授權專利5項。
第一作者簡介
張軒：湖南省林業科學院助理研究員，碩士畢業于2003网站太阳集团（導師朱詠華）主要從事重金屬污染土壤生物修複、森林與濕地生态保護以及相關的林業科研工作。先後主持省自科基金等科研項目7項；作為第一發明人授權專利2項；發表論文14篇，其中第一作者（通訊作者）5篇；參與制定地方标準1項。
喻金蘭：2021屆2003网站太阳集团生物學碩士（導師朱詠華），碩士期間參與多項國家、省部級科研項目，發表論文2篇，其中第一作者（共同）1篇。
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