生物炭重塑根际微生物群落缓解氟磺胺草醚对甜菜的药害机制研究

《Journal of Environmental Management》：Biochar remodeled rhizosphere microbial community structure and function to alleviate sugar beet under fomesafen phytotoxicity

本研究针对大豆田残留氟磺胺草醚对后茬甜菜的药害问题，通过植物生理评估、扩增子测序和宏基因组分析，揭示生物炭通过调节根际微生物群落结构（如显著提升潜在降解菌Dehalococcoidia丰度至94.02%）和功能（CBB循环提升29.87%、固氮途径提升21.42%），增强土壤多功能性13.95%，最终缓解氧化损伤的微生态机制。

　　

在现代农业生产中，化学除草剂的使用是控制杂草的常见且必要的手段。然而，除草剂的广泛使用可能对作物和土壤生态环境造成损害。氟磺胺草醚（fomesafen）是一种常用于大豆田的除草剂，能有效防治多种阔叶杂草。但该药剂具有较高的水溶性，易通过灌溉或雨水迁移，从而在生物体内积累并进入食物链，对生态安全和人类健康构成威胁。

甜菜（Beta vulgaris L.）是全球食糖年产量约30%的来源，是中国北方的重要经济作物，常作为大豆的后茬作物种植。但甜菜对除草剂高度敏感。研究表明，当土壤中氟磺胺草醚残留量极低时，甜菜生物量便会显著下降。氟磺胺草醚通过抑制叶绿素合成阻碍作物生长，并在植物根部显著积累，导致氧化损伤。其在土壤中的残留会影响土壤性质，改变微生物群落结构，抑制碳循环功能，对土壤生态健康构成严重风险。

传统的农药修复技术存在成本高、处理周期长、可能造成二次污染等局限性。由农业废弃物制成的生物炭（biochar）不仅能吸附和降解土壤中的除草剂残留，还因其有机碳含量而增强土壤碳固存。它能改善农业生态环境，全面降低除草剂对作物的毒性。前期研究已证实生物炭可通过促进植物光合作用缓解除草剂药害，并在吸附土壤残留除草剂、恢复受除草剂影响的土壤微生物功能活动方面具有潜在价值。

在农药污染胁迫下，植物可通过重塑根际微生物组，从根际菌群中招募降解微生物，建立共生互作，从而加速残留农药的消化代谢。生物炭通过影响土壤微生物的多样性、丰度和群落结构，提高植物重塑土壤微生物结构和功能的能力。分析根际微生物的功能对于理解农药残留胁迫对植物根际微生态的影响及改善土壤生态系统健康具有重要意义。

本研究通过植物生理评估、扩增子测序和宏基因组分析，探究了生物炭添加下甜菜根际土壤微生物群落及其对氟磺胺草醚毒性的功能响应。通过比较灭菌土壤与正常土壤，证实生物炭通过土壤微生物缓解氟磺胺草醚的药害。生物炭使氟磺胺草醚残留胁迫下的甜菜根生物量增加37.50%，降低根中丙二醛含量，增强抗氧化酶活性，并使土壤多功能性提高13.95%。此外，生物炭显著恢复了氟磺胺草醚残留胁迫下根际真菌和细菌的丰富度和多样性。潜在除草剂降解菌Dehalococcoidia的相对丰度在氟磺胺草醚胁迫下显著增加（90.32%），并在生物炭缓解处理下达到峰值（94.02%），表明其可作为氟磺胺草醚残留的生物标志物。生物炭缓解了氟磺胺草醚对微生物网络的影响，使其恢复到与对照组相似的分子生态网络。宏基因组分析显示，生物炭提高了卡尔文-本森-巴沙姆循环（Calvin-Benson-Bassham cycle，CBB循环）（29.87%）、固氮途径（21.42%）和磷酸盐转运途径（10.60%）。通过增强土壤多功能性和重塑根际微生物群落，生物炭提高了甜菜根的抗逆性，减轻了氟磺胺草醚造成的损害。这一发现对维持根际微生态平衡具有重要意义。

主要技术方法

本研究在黑龙江大学国家糖料作物改良中心进行，以当地广泛栽培的甜菜品种KWS1176为材料，使用典型黑土。实验采用盆栽方式，设置不同处理（如对照、氟磺胺草醚处理、生物炭添加等）。关键技术包括：植物生理指标（根生物量、丙二醛含量、抗氧化酶活性）测定；土壤微生物群落分析通过扩增子测序（细菌16S rRNA基因和真菌ITS区）进行；微生物功能通过宏基因组学分析；土壤多功能性通过测量多种土壤酶活性和养分循环相关指标来评估；并通过灭菌土壤实验验证微生物的作用。

生物炭缓解氟磺胺草醚胁迫依赖于土壤微生物

在灭菌和未灭菌两种土壤环境中，氟磺胺草醚均对甜菜生长表现出显著抑制作用，体现在叶面积、株高和SPAD值的负面影响上。与灭菌土壤相比，未灭菌条件下的这些生长参数显著更高。氟磺胺草醚在F、FB、SF和SFB处理中的残留量分别为22.01 μg kg^?1、18.17 μg kg^?1、23.00 μg kg^?1和21.27 μg kg^?1，证实了生物炭的吸附能力。然而，在灭菌土壤中，生物炭的缓解效果显著降低，所有测量指标均下降，这确认了生物炭主要通过土壤微生物来减轻氟磺胺草醚的药害。

讨论

研究发现，农田土壤中的残留除草剂，如敌敌畏、草甘膦等，严重抑制作物根系生长。本研究揭示，氟磺胺草醚通过抑制根伸长、减少根体积和表面积，使根生物量降低37.50%。值得注意的是，助剂（如表面活性剂）通常与除草剂同时施用，其影响是双重的。负面影响是助剂可能增加除草剂对作物的渗透性，加剧药害；正面影响是某些助剂可能促进除草剂的降解。生物炭的添加有效缓解了氟磺胺草醚引起的氧化损伤，表现为根中丙二醛含量下降和抗氧化酶活性增强。根际微生物群落结构和功能的恢复是生物炭发挥缓解作用的关键。尤其值得注意的是，潜在降解菌Dehalococcoidia的丰度在生物炭处理下显著提升，表明其在氟磺胺草醚降解中可能起重要作用。微生物分子生态网络的恢复以及碳（CBB循环）、氮（固氮途径）、磷（磷酸盐转运途径）循环相关基因和通路的上调，进一步阐明了生物炭通过重塑微生物群落增强土壤生态系统功能和作物抗逆性的微观机制。

结论

氟磺胺草醚残留对甜菜根部造成显著氧化损伤，并破坏了根际土壤的微生态平衡。本研究通过比较灭菌和未灭菌土壤，证实土壤微生物在生物炭减少农药残留过程中起关键作用。同时，鉴定出可作为氟磺胺草醚残留生物标志物的Dehalococcoidia。添加生物炭有效缓解了氟磺胺草醚对甜菜的毒害，恢复了根际微生物群落的丰富度和多样性，改善了土壤多功能性，并通过调节微生物群落结构和功能（包括增强碳固定、氮固定和磷转运等关键生物地球化学循环途径）增强了甜菜的抗逆性。这些发现为开发基于生物炭的农药修复技术提供了理论依据和技术支持，对生态农业的可持续发展和环境的保护与改善具有重要意义。