叶面纳米硒调控离子芥生理及根际微环境协同修复铅污染土壤的机制研究

《Environmental Technology & Innovation》：Foliar nano-selenium regulates Cardamine violifolia physiology and rhizosphere microenvironment for synergistic lead-contaminated soil remediation

本研究针对铅(Pb)污染土壤植物修复中植物生物量低、耐受性差等瓶颈问题，通过叶面喷施纳米硒(SeNPs)，系统探究了其对离子芥(Cardamine violifolia)生理特性及根际微环境的调控作用。结果表明，SeNPs可显著提升植物生物量(最高增加2.38倍)、增强抗氧化系统活性(如SOD、POD)、促进Pb富集(根中Pb含量增加2.72倍)，并通过调控根际分泌物(碳水化合物、有机酸等)招募耐Pb微生物群落(Aquicella、Blastocatellaceae等)，最终实现土壤-植物系统的协同修复，为重金属污染土壤的绿色治理提供了新策略。

　　

随着工业发展和人类活动的加剧，重金属污染物不断释放到环境中，其中铅(Pb)污染因其对生态系统和人类健康的严重威胁而备受关注。采矿冶炼、铅酸电池不当处置、含铅涂料使用以及农业污水灌溉等活动导致土壤铅污染日益严重。研究表明，食用铅污染土壤上生长的作物会增加人体血铅水平，带来严重的健康风险。例如，孟加拉国三个地点的水稻因灌溉受污染的水体而导致稻米铅含量升高，使当地居民的癌症风险增量超过正常阈值。作为食物链的初级生产者，植物能够从土壤中吸收微量金属；一旦重金属在植物组织中积累，便会进入食物链，破坏生态平衡，最终导致整个生态系统的不稳定。消费铅污染作物可能对人类构成潜在的致癌和其他疾病风险。因此，铅污染土壤已成为最令人担忧的环境污染问题之一。

与传统土壤修复技术相比，生物修复（如植物修复）具有成本更低、效率更高、环境友好性更强等优势，成为修复重金属污染土壤更具前景的方法。植物修复主要通过焚烧植物回收重金属或将金属固定在植物根际来实现修复。例如，在金属污染土壤中种植竹子可以高效吸收和积累重金属，便于其回收。然而，过量的重金属可能诱导氧化胁迫损伤并阻碍植物生长。当前植物修复的局限性包括提取成本高、生物量低、修复周期长以及土壤条件苛刻。一个关键的挑战仍然存在：如何在重金属污染土壤的植物修复过程中增强植物对高浓度铅的耐受性、维持生物量并提高抗逆性？因此，开发提高植物修复效率的方法势在必行。近期证据表明，植物根际相关微生物可以促进重金属污染土壤中的植物生长并增强植物修复能力。某些根际微生物定殖于植物根部，提供营养、释放生长调节激素、诱导植物抗性并改变土壤铅的生物有效性，从而促进植物生长并缓解铅胁迫。

硒(Se)是人体必需的微量元素，低剂量硒补充有益健康，但高剂量硒应用则具有毒性。在植物中，适量的硒水平能有效缓解非生物胁迫，尤其是在重金属污染环境中。低剂量硒通过调节抗氧化防御系统、修复细胞膜结构损伤、调控光合作用以及通过关键信号分子分配重新平衡土壤生态等途径减轻重金属毒性。与传统无机硒（如亚硒酸钠）相比，纳米硒(SeNPs)具有颗粒更小更均匀、细胞毒性更低、抗氧化活性更强等明显优势。对小白菜、谷物和辣椒的研究表明，SeNPs在改善植物品质和抵抗非生物胁迫方面是有效的。研究表明，重金属(Zn2?、Pb2?、Cd2?、Hg2?)可以通过水通道蛋白(AQPs)及其门控同工酶进入植物细胞，重金属对AQPs的毒性顺序为：Hg > Pb > Cd > Zn。外源硒通常通过多种机制减轻重金属胁迫对植物生长的影响：硒与土壤中的Cd、Hg等重金属形成复合物，从而降低其生物有效性；硒可激活植物抗氧化系统的表达以对抗重金属暴露诱导的氧化胁迫；硒调节重金属转运相关基因的表达，减少重金属在植物体内的迁移并促进其液泡区室化；外源硒处理可上调细胞壁合成相关基因的表达，以增强细胞壁对重金属的固定能力并改善其机械强度；外源硒处理可调节光合作用相关基因的表达并提高光合效率，以减轻重金属对光合系统的损伤；此外，作物中的硒处理可以优化氮、碳和氨基酸代谢途径以增强植物抗逆性；硒通过根系分泌物影响土壤理化性质以及微生物群落的组成和分布，帮助植物应对重金属胁迫。当前的铅胁迫研究主要集中在作物（如绿豆芽、蚕豆、大白菜、小麦）和水生植物（如角藻）上，有报道表明硒可以减少十字花科植物对重金属的吸收。

离子芥(Cardamine violifolia)是十字花科的一种硒超富集植物，自然分布于中国恩施的渔塘坝。该物种表现出旺盛的生长能力：温室栽培试验表明，植株高度可达1.5米，亩产超过10,000公斤。此外，离子芥在重金属污染环境中显示出显著的生理耐受性和积累能力，特别是在硒、镉(Cd)和锌(Zn)的超富集研究方面。鉴于这些特性，离子芥在修复矿区重金属污染土壤方面具有巨大潜力。然而，关于离子芥的研究，特别是在土壤微生物、环境因素、植物抗氧化能力、营养成分和代谢途径方面，仍然有限。

作为一种典型的硒超富集植物，在铅污染土壤条件下，硒协同增强离子芥对铅的耐受性和生物量的机制尚不清楚。目前关于外源SeNPs是否能减轻铅对离子芥的毒性、影响其对土壤中铅的吸收以及影响根际微生物微生态的研究仍然有限。本研究以离子芥为实验材料，采用盆栽实验结合叶面喷施SeNPs，系统研究了铅污染下植物的生长响应，以及土壤-植物系统和根际微环境的动态变化。测量了多个参数，包括植物生物量、抗氧化系统指标、养分含量、土壤酶活性、代谢物组成、微生物群落结构、矿质元素分布以及硒/铅含量。进一步利用代谢组学和微生物多样性分析揭示了根际土壤代谢途径、离子芥生理响应和微生物群落结构之间的内在联系。

本研究为深入理解纳米硒在植物修复重金属污染土壤中的作用机制提供了重要依据，相关成果发表在《Environmental Technology》上。

为开展本研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：实验材料为采集自中国湖北恩施的离子芥种子，通过盆栽实验设计，设置了对照(CK)、不同浓度SeNPs处理(Se5, Se10, Se20)、铅处理(Pb)以及铅与SeNPs复合处理(Pb+Se5, Pb+Se10, Pb+Se20)共8个实验组。研究测定了植物生物量、光合色素含量、抗氧化酶活性(SOD, POD, CAT, APX)、非酶抗氧化物质含量(MDA, GSH, Vc等)以及土壤酶活性(S-FDA, S-UE, S-CL等)。采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定了植物和土壤中的硒、铅含量。通过非靶向代谢组学技术分析了根际土壤代谢物，并利用Illumina高通量测序技术对16S rRNA基因V3-V4区进行测序，分析了根际土壤细菌群落结构和多样性。数据采用SPSS进行方差分析，利用GraphPad Prism等软件进行图表绘制和相关分析。

3.1. 生物量

SeNPs处理显著改善了铅污染土壤中的株高和生物量。与CK相比，10 mg·L?1和20 mg·L?1 SeNPs处理下，地上部鲜重分别增加了3.03倍和2.27倍，根部鲜重分别增加了2.47倍和3.51倍。与单独Pb处理相比，施用10 mg·L?1和20 mg·L?1 SeNPs后，铅污染土壤中植物地上部鲜重分别增加了2.04倍和2.38倍，根部鲜重显著增加了2.16倍和3.7倍。干重结果也呈现类似趋势。此外，SeNPs处理还增加了植物的总高度、茎长和根长。

3.2. 植物中硒和铅的转运

SeNPs处理增加了根际土壤以及植物地上部和根部中的铅含量。与单独Pb处理组相比，施用5 mg·L?1、10 mg·L?1和20 mg·L?1 SeNPs后，植物根际土壤中的铅含量分别增加了53.85%、63.85%和154.04%。在铅污染土壤中，叶面喷施不同浓度SeNPs后，根部硒含量无显著变化，而地上部硒含量在10 mg·L?1 SeNPs处理下显著增加。硒从地上部向根部的反向转运系数随SeNPs浓度升高而逐渐降低。而铅从根部向地上部的转运系数先下降后升高，20 mg·L?1 SeNPs处理促进了土壤铅向地上部和根部的转运，具有最高的转运系数。

3.3. 光合色素含量

SeNPs处理增加了铅污染土壤中植物的叶绿素含量。与CK相比，单独Pb处理下叶绿素a含量下降25.89%，类胡萝卜素含量下降38.82%，总叶绿素含量下降14.88%。在铅污染土壤中，10 mg·L?1和20 mg·L?1 SeNPs处理后，植物的叶绿素a含量分别增加了41.29%和16.98%，类胡萝卜素含量分别增加了94.22%和57.08%，总叶绿素含量分别增加了15.63%和5.41%。

3.4. 抗氧化系统的变化

铅胁迫组植物体内的丙二醛(MDA)含量高于CK组和单独硒处理组，而叶面喷施5 mg·L?1和10 mg·L?1 SeNPs降低了MDA含量。与CK组相比，Pb处理组地上部谷胱甘肽(GSH)含量下降47.21%，根部下降49.53%。与单独Pb处理相比，叶面喷施Pb+Se5和Pb+Se10后，地上部GSH含量分别增加96.21%和123.46%。Pb处理组地上部超氧化物歧化酶(SOD)活性比CK高14.27%，根部高32.64%。与Pb处理组相比，Pb+Se5、Pb+Se10和Pb+Se20组地上部SOD活性分别提高17.17%、8.92%和11.33%。过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性在SeNPs处理下也发生显著变化，总体趋势是SeNPs缓解了Pb胁迫导致的酶活性下降或提高了其活性。

3.5. 根际土壤酶活性的变化

在硒和铅处理下，根际土壤中的S-FDA、S-UE和S-CL活性发生显著变化。与CK相比，叶面喷施SeNPs降低了S-FDA酶活性。与CK相比，Pb处理组的S-FDA和S-UE酶活性分别增加13.32%和77.76%，而S-CL酶活性下降1.88%。与Pb处理组相比，Pb+Se10和Pb+Se20处理组的S-FDA活性分别增加17.42%和26.86%；Pb+Se5、Pb+Se10和Pb+Se20处理组的S-CL活性分别比Pb处理组增加4.25%、9.95%和9.18%；而这些处理组的S-UE活性较Pb处理组显著下降。

3.6. 土壤微生物群落变化分析

对根际微生物的测序结果表明，不同处理组的扩增子结果具有良好的深度、完整性和显著的组间分化。八个测试处理组共检测到5408个共有的操作分类单元(OTUs)。其中，Pb组表现出最低的独特OTUs数量，而Pb+Se组则随着SeNPs浓度的增加，独特OTU数量逐渐增加。根际土壤微生物群落组成分析显示，前10个最丰富的细菌门在八个处理组中一致，但它们的相对丰度在各组间差异显著。α多样性分析表明，随着SeNPs浓度的增加，Shannon、Simpson和Pielou指数增加，而Chao1、ACE和Faith指数呈现下降趋势。非度量多维尺度分析表明，CK组、单独SeNPs组、单独Pb暴露组以及Pb-Se复合处理组之间的土壤细菌群落结构存在显著差异。LEfSe分析在门水平上进一步揭示了不同施硒浓度对铅胁迫和非铅胁迫下离子芥根际细菌群落的差异影响，并识别出具有显著差异的生物标志物类群。

3.7. 根际土壤代谢物的变化

土壤根际代谢物分析结果表明，代谢物测定结果丰富度高，组间分离度大。组间比较中，Pb+Se10、Pb+Se20与Pb处理组之间上调的差异积累代谢物最多。主成分分析结果显示，八个处理组的样品分离良好，Pb+Se10组沿PC1和PC2轴均与其他组相距较远，表明叶面喷施10 mg·L?1 SeNPs能显著调控根际土壤代谢物的变化。与CK相比，Se10处理组土壤中1,8-萘啶衍生物含量增加，而含氮杂环、氨基酸及其衍生物、碳水化合物、有机酸和含硫化合物含量降低。与CK相比，Pb处理组硫代氨基酸衍生物、糖基化肌醇、萘啶和戊糖磷酸盐含量上调，而氨基酸、碳水化合物、有机酸等含量下调。与Pb组相比，Pb+Se10组脂质、碳水化合物、氨基酸、含硫植物代谢物、有机酸和核苷酸含量上调，而与二肽代谢相关的氨基酸和渗透调节相关的糖醇含量下调。KEGG分析表明，Pb与Pb+Se10的比较主要富集在ABC转运蛋白、果糖和甘露糖代谢、神经活性配体-受体相互作用和磷酸转移酶系统等代谢途径。

3.8. 土壤元素、酶、代谢物和微生物的综合分析

土壤根际微生物种群与代谢物之间的主成分分析和聚类分析结果显示，处理后样本组具有良好的分离度，能够很好地揭示样本的内在种群关系。相关性分析显示，724个检测到的微生物属的丰度变化与土壤P、Ca、Mg和Pb含量的变化相关，其中17个属与土壤酶含量变化显著相关。在2750种土壤代谢物中，45种代谢物的含量变化与土壤酶含量变化显著相关。17个微生物属与39种代谢物的相关性网络分析识别出7个属和19种代谢物。其中，Aquicella、Blastocatellaceae、Hirschia和Ilumatobacter的丰度在Pb组下降，但在Pb+Se10组增加。冗余分析说明了土壤元素含量、酶、代谢物与SeNPs诱导的微生物群落结构变化之间的关系。

本研究阐明了叶面施用SeNPs采用“硒-铅协同效应”机制，发挥双重功能：在增强离子芥对铅富集能力的同时，缓解铅诱导的植物毒性。它揭示了一条SeNPs在植物体内实现“增富集”和“降毒性”并发效应的新途径，为植物修复技术提供了新视角。SeNPs通过“植物-土壤-微生物”相互作用系统发挥协同效应，激活植物抗逆代谢途径，优化元素吸收与分布，并构建功能性微生态系统。叶面施用SeNPs通过多途径协同机制显著增强了离子芥对铅胁迫的耐受性。SeNPs处理不仅调节植物生理代谢，还有效改善了铅胁迫下植物的生物量、株高、抗氧化活性和抗逆物质水平。此外，SeNPs影响铅的吸收和转运，增强了植物积累硒和铅的能力，并通过调节根系分泌代谢物（如有机酸、碳水化合物、多酚）特异性富集耐铅微生物类群（如Aquicella、Blastocatellaceae、Hirschia、Ilumatobacter）。这些变化增强了铅污染土壤中根际微生物群落的多样性。这些微生物与土壤元素有效性和土壤酶活性显著相关，共同形成了“植物-微生物”协同修复系统。

基于本研究的发现，该技术的未来成熟与应用需要在以下几个方面进行深入研究：首先，揭示SeNPs在铅胁迫下诱导植物产生协同“增富集降毒性”效应的内在分子机制。其次，验证该技术在不同铅污染水平和多种超富集植物物种中的普适性。此外，研究叶面SeNPs喷施与其他修复技术（如微生物修复）的联合应用，构建协同高效复合修复系统。