利用解磷菌株P-1和2,4-表布瑞森醇协同提高线性景天（Sedum lineare）对砷污染土壤的植物修复效率

《Journal of Environmental Sciences》：Synergistic improvement of phytoremediation efficiency of arsenic-contaminated soil with Sedum lineare by phosphate-solubilizing strain P-1 and 2,4-Epibrassinolide

龙须草通过EBR与P-1协同作用提升砷污染土壤修复效率，增强生物量积累（ shoot 66.7% root 62.5%），促进抗氧化酶活性及土壤酶功能，重塑根际微生物群落（Flavobacterium/Patescibacteria富集），降低可溶性砷含量。

　　砷污染土壤的植物修复技术在实际应用中面临诸多挑战，主要包括砷的毒性作用、生物可利用性低以及修复植物的生长速率和生物量有限等问题。为了解决这些障碍，本研究探索了24-epibrassinolide（EBR）与一种具有多种功能的磷酸溶解菌株P-1协同作用对提高砷植物修复效率的影响，使用了具有抗逆能力的植物种*Sedum lineare*作为修复主体。研究结果表明，EBR与P-1的单独或联合应用均显著改善了*S. lineare*的生理性能，缓解了砷引起的生长抑制。其中，EBR+P-1联合处理效果最为显著，与对照组相比，其地上部和地下部干重分别提高了66.7%和62.5%，总砷积累量增加了97.3%。此外，这种处理方式还增强了抗氧化酶活性（超氧化物歧化酶和过氧化氢酶），降低了氧化应激标志物（活性氧和丙二醛）水平，并减少了土壤中生物可利用砷的含量。偏最小二乘路径建模（PLS）分析揭示了抗氧化防御系统和营养吸收是植物抗砷的关键驱动因素。尤为重要的是，EBR的应用独特地重塑了根际微生物群落，丰富了耐胁迫（*Flavobacterium*）和金属溶解型微生物（Patescibacteria），这些微生物与土壤酶活性（碱性磷酸酶、蔗糖酶）的提升密切相关，并显著促进了植物的抗逆能力和砷的迁移。这些发现表明，结合EBR和菌株P-1，利用新型微生物工程策略，可以显著提高基于*S. lineare*的砷植物修复效果。这一方法为中度至重度砷污染土壤的可持续修复提供了切实可行的途径，特别是在采矿影响区或工业废弃地等环境中具有重要应用价值。

砷污染是全球环境面临的一个严重问题，影响着大量人口的健康。据估计，全球约有2.2亿至9.4亿人因受污染的地下水和土壤而暴露在不安全的砷浓度下。长期的砷暴露已被多项流行病学研究与多种健康风险相关联，包括癌症、心血管疾病和神经疾病等。这种金属元素主要以无机形式存在，如砷酸盐（AsV）和亚砷酸盐（AsIII），它们的毒性机制有所不同。AsV作为磷酸盐的类似物，会通过与磷酸盐竞争性吸收，干扰细胞能量代谢，进而影响ATP的合成。相比之下，AsIII则优先与蛋白质的硫醇基团结合，破坏关键酶的功能。在植物体内，砷的暴露会引发一系列毒性效应，包括活性氧（ROS）的积累，导致膜脂过氧化、叶绿素降解以及光合作用效率的显著下降。这些植物毒性效应尤其值得关注，因为砷有潜力通过食物链发生生物富集，从而对生态系统和农业生产构成威胁。近年来，研究表明砷在受污染土壤中种植的水稻和叶菜类作物中会逐渐积累，这进一步凸显了治理砷污染的紧迫性。

植物修复技术作为一种可持续的土壤修复方法，相较于传统的土壤清理手段，具有成本低、环境友好以及资源回收潜力等优势。然而，尽管某些超积累植物如*Pteris vittata*表现出卓越的砷吸收能力，其实际应用仍受到生长速率慢、生物量有限以及对环境胁迫高度敏感等生物学限制的制约。因此，研究人员不断探索增强植物修复效果的策略，其中三种方法显示出特别的潜力：（1）化学改良剂如有机酸，通过改变砷的生物可利用性来增强修复效果；（2）微生物接种，如植物生长促进细菌（PGPB），能够通过多种机制提高植物对重金属的耐受性和吸收能力；（3）植物激素的应用，如赤霉素，可以提升植物的抗逆性和生长速率。这些方法各有优劣，但单一因素的处理往往难以应对高浓度砷带来的强烈毒害效应。因此，开发能够结合多种机制的创新策略显得尤为必要。

植物生长促进细菌（PGPB）在提升植物抗逆性方面具有独特优势，特别是那些能够溶解土壤中磷酸盐的菌株（PSB）。磷是植物生长和胁迫恢复过程中不可或缺的营养元素，其可利用性对于植物在重金属污染环境中的生存和修复能力至关重要。在胁迫条件下，磷的补充不仅有助于生物量的积累，还能激活与生长相关的酶活性。然而，砷污染土壤中的磷往往处于不溶状态，难以被植物有效吸收。PGPB通过将不溶性磷转化为植物可利用的形式，直接提升了植物的磷营养状况和生长表现。此外，这些细菌还通过多种途径促进植物修复，包括改变砷的形态（如将AsIII转化为AsV）以降低其毒性，分泌植物激素（如吲哚-3-乙酸和1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶）以促进植物生长，溶解其他营养元素（如磷酸盐、钾等）以改善植物营养状况，以及调节植物的胁迫响应机制以增强其抗逆能力。尽管已有研究证实了PSB在营养获取中的作用以及BRs如EBR在缓解重金属胁迫方面的潜力，但关于磷营养与这些生物刺激剂在砷胁迫下协同作用的研究仍较为有限。

本研究选择*Sedum lineare*作为修复植物，因其具有快速生长、抗逆性强以及已知的金属积累能力。我们假设EBR与P-1的协同应用能够形成一种良性循环：首先，EBR的应用可以促进植物生长，从而增加根系分泌物，为P-1的定殖提供有利条件；其次，定殖的P-1菌株通过溶解过程直接提升磷的吸收能力，同时促进砷的形态转化，从而降低其毒性；最后，EBR与P-1的联合作用能够激活并增强植物的抗氧化防御系统，提高其在砷胁迫下的生存能力。这一整合策略不仅能够克服当前植物修复技术的局限性，还为理解受污染环境中植物-微生物-激素的相互作用提供了新的视角。

实验材料的准备是本研究的重要环节。所有化学试剂均购自Sigma-Aldrich（美国），包括24-epibrassinolide（EBR，纯度≥85%）和七水合砷酸钠（Na?HAsO?·7H?O，ACS试剂，纯度≥98%）。生长基质由德国泥炭土（K-brand）与蛭石按3:1的比例混合而成。关键土壤性质的分析结果表明，土壤pH值为6.1，有机质含量为35.2%，阳离子交换容量（CEC）为45.8 cmol/kg，总氮含量为1.2%，总磷为582.9 mg/kg，速效磷为19.53 mg/kg，总砷为3 mg/kg。这些参数为后续实验提供了基础背景，有助于评估不同处理对植物生长和砷修复能力的影响。

在实验过程中，我们系统地评估了EBR与P-1联合应用对*S. lineare*生理和生化响应的影响。结果表明，EBR和P-1的单独或联合处理均能有效缓解砷的毒性作用，其中联合处理的效果尤为突出。与对照组相比，EBR+P-1处理显著提高了*S. lineare*的地上部长度（15.0%）、地下部长度（85.2%）以及地上部和地下部的干重（分别提高66.7%和62.5%）。此外，与EBR单独处理相比，联合处理进一步提升了这些生长指标，地上部长度增加了10.6%。这些数据表明，EBR与P-1的协同作用能够显著增强植物在砷胁迫下的生长能力，为其在修复过程中的长期存活和砷积累提供了重要保障。

除了生长指标的改善，EBR与P-1的联合处理还对植物的抗氧化防御系统产生了积极影响。砷胁迫通常会导致活性氧（ROS）的积累，从而引发氧化应激，破坏细胞结构和功能。在本研究中，EBR+P-1处理显著提高了*S. lineare*体内超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，这表明植物能够更有效地清除ROS，减轻氧化损伤。同时，该处理方式还降低了丙二醛（MDA）的含量，MDA是膜脂过氧化的产物，其水平的下降进一步验证了抗氧化系统的增强。这些生理和生化响应的改善不仅有助于植物在砷污染环境中的生存，还为其更高效的砷吸收和积累奠定了基础。

此外，联合处理还显著提高了土壤中生物可利用砷的含量。通过分析土壤中砷的形态，我们发现EBR与P-1的协同作用能够促进砷的溶解和迁移，使其更容易被植物吸收。这种效应可能与P-1菌株的金属溶解能力有关，同时也可能受到EBR对植物根系分泌物的调节作用影响。根系分泌物的变化可能进一步影响土壤中砷的形态和分布，从而提升植物的吸收效率。因此，EBR与P-1的联合应用不仅能够通过增强植物自身的修复能力来提高砷的去除率，还能够通过改变土壤中砷的化学形态，促进其向植物可吸收状态的转化。

在土壤酶活性方面，EBR+P-1处理显著提升了碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性。这些酶在土壤生态系统中起着重要作用，碱性磷酸酶通常与磷的转化和循环相关，而蔗糖酶则与碳水化合物的分解和植物营养的供给有关。土壤酶活性的提高可能与P-1菌株的代谢活动以及EBR对植物根系分泌物的调节作用密切相关。P-1菌株可能通过其代谢产物促进了土壤中磷的释放和转化，而EBR则可能通过调节植物的生理状态，增加了根系分泌物的量和种类，从而进一步增强了土壤中磷和碳水化合物的可利用性。这种土壤酶活性的提升不仅有助于植物的生长和营养吸收，还可能促进其他微生物的活动，从而形成一个更加活跃和稳定的土壤生态系统。

从植物-微生物相互作用的角度来看，EBR的应用独特地改变了根际微生物群落的结构。通过高通量测序技术，我们发现EBR+P-1处理显著增加了根际中耐胁迫微生物（如*Flavobacterium*）和金属溶解型微生物（如Patescibacteria）的丰度。这些微生物的增加可能与EBR对植物根系分泌物的调节作用有关，根系分泌物的变化为特定微生物的定殖和增殖提供了有利条件。此外，EBR可能通过其对植物生长和代谢的促进作用，间接影响了根际微生物的组成和功能。这种微生物群落的重塑不仅有助于提高植物的抗逆能力，还可能通过微生物的代谢活动促进砷的迁移和转化，从而进一步提升植物修复效率。

本研究的结论表明，结合EBR与磷酸溶解菌株P-1的协同策略能够显著提高*Sedum lineare*在砷污染土壤中的修复能力。这一策略不仅通过增强植物的抗逆性、促进生长和提高砷吸收效率，还通过改变土壤中砷的化学形态和微生物群落结构，为砷污染土壤的可持续修复提供了新的思路。EBR的应用能够有效缓解砷的毒性作用，同时促进植物的生理和生化适应能力，而P-1菌株则通过其多种功能（如磷溶解、砷形态转化、植物激素分泌等）进一步增强了植物的修复潜力。这种整合策略的实施不仅有助于提高植物修复效率，还为未来开发更加高效和可持续的植物修复技术提供了理论依据和实践指导。

本研究的作者贡献说明表明，每位作者在研究的不同阶段发挥了重要作用。Shaohui Yang负责撰写原始稿件、研究方法、实验设计、资金获取、数据分析等工作；Ying Chu参与了原始稿件的撰写、可视化、研究方法、实验设计以及数据整理；Ziyi Liu负责原始稿件的撰写和资源管理；Chuhan Zhang和Yang Yu参与了实验的可视化和数据收集；Jiehua Wang则负责稿件的审阅与编辑、实验验证、项目监督以及研究概念的提出。这种明确的分工确保了研究的科学性和严谨性，也体现了团队合作在科研项目中的重要性。

在竞争利益声明中，作者表示他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的报告。这种声明有助于提高研究的可信度，表明研究结果是基于客观科学分析，而非受到任何外部因素的影响。此外，本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32271705）的支持，这为研究提供了必要的资金保障，确保了实验的顺利进行和数据的准确性。

总体而言，本研究为砷污染土壤的植物修复提供了新的解决方案。通过结合植物激素EBR与磷酸溶解菌株P-1，研究人员成功地构建了一个协同修复系统，显著提升了*Sedum lineare*的修复能力和生存潜力。这一成果不仅具有重要的科学价值，还为实际应用提供了可行的路径，特别是在受采矿和工业活动影响的土壤修复项目中。未来的研究可以进一步探索这一协同策略在不同土壤类型和环境条件下的适用性，以及其对生态系统长期稳定性的潜在影响。同时，还可以考虑将这一策略与其他土壤修复技术相结合，以实现更全面和高效的污染治理。通过持续的科学研究和技术创新，我们有望在不久的将来找到更加可持续和高效的土壤修复方案，为保护生态环境和人类健康做出更大贡献。