区域污染梯度下加拿大飞蓬根际微生物组介导的镉铅迁移机制：多样性丧失与功能基因富集间的权衡

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Rhizosphere microbiome-mediated cadmium and lead mobilization in Erigeron canadensis across a regional contamination gradient: Trade-offs between diversity loss and functional gene enrichment

为解决重金属污染土壤修复效率低下的问题，研究人员开展了关于入侵植物加拿大飞蓬(Erigeron canadensis)根际微生物组介导的镉(Cd)/铅(Pb)迁移机制的研究。通过区域污染梯度调查，发现该植物在轻度污染环境下对Cd/Pb富集能力更强，根际微生物通过降低多样性、富集关键耐受类群(如Lysobacter、Corynebacterium等)及功能基因(Fur、PerR、CueR等)和酶(P型ATP酶、过氧化氢酶等)来协同提升植物修复效率。该研究为微生物辅助植物修复提供了新策略，对入侵植物资源化利用具有重要参考价值。

　　

随着工业化和人类活动的加剧，土壤重金属污染已成为全球性的生态环境问题。重金属如镉(Cd)和铅(Pb)具有高毒性和持久性，不仅破坏土壤生态功能，还能通过食物链富集，威胁生物安全和人体健康。矿区及周边农田是重金属污染的重灾区，亟需绿色可持续的修复技术。植物修复作为一种环境友好型方法，利用特定植物提取、挥发或固定土壤中的污染物，受到广泛关注。其中，一些外来入侵植物因其生物量大、环境适应性强、对重金属具有耐受性等特点，展现出巨大的修复潜力。然而，植物修复效率受多种因素影响，尤其是根际微环境中土壤理化性质和微生物群落的协同作用机制尚不明确。

为此，本研究以典型入侵植物加拿大飞蓬(Erigeron canadensis)为研究对象，选取湖南省三种不同污染程度的锌矿周边农田（花垣县HX组、浏阳市LX组、岳阳市YX组）进行野外调查，探究根际生态因子对植物修复能力的调控机制。研究成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

研究团队通过野外采样与室内分析相结合，系统评估了土壤理化性质、重金属含量及生态风险，分析了植物不同组织（根、茎、叶）中Cd/Pb的积累特征及富集（BCF）与转运（TF）能力，并采用高通量测序（16S rRNA和ITS2区）技术解析了根际微生物群落结构，进一步通过分子生态网络、随机森林和LEfSe分析筛选关键微生物类群，并利用PICRUSt2对功能基因和酶进行预测。

3.1. 土壤理化性质

土壤pH、有机质(OM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)等指标在三组间存在显著差异。HX组pH最高（7.3），YX组OM含量最低（14.57 g/kg）。氮、钾、磷含量在不同污染水平下呈现规律性变化，为理解重金属生物有效性提供了基础。

3.2. 土壤重金属含量及潜在生态风险评价

仅Cd和Pb含量超过农用地风险筛选值。HX组Cd和Pb的全量和有效态含量均最高，其潜在生态风险指数(RI)达2716.25，属极高风险等级；LX和YX组风险依次降低。Cd是主要的生态风险因子。

3.3. 加拿大飞蓬不同组织中重金属含量及其对重金属的富集能力

YX组植物根部Cd含量（4.5 mg/kg）和Pb的BCF值（Cd: 13.59; Pb: 0.16）最高，表明其在轻度污染环境下富集能力更强。LX组Cd的TF值最高（1.40），显示其 translocation 能力较强。植物根据污染程度调整其修复策略（植物稳定或植物提取）。

3.4. 根际微生物群落分析

3.4.1. 根际微生物的多样性和结构

细菌OTU数量多于真菌。LX组微生物α多样性（Shannon指数和Richness指数）最高。NMDS分析显示三组间微生物群落结构差异显著。

3.4.2. 根际微生物群落的组成

细菌中以变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和放线菌门(Actinobacteriota)为优势门；真菌中以子囊菌门(Ascomycota)为主。关键属水平如Methyloversatilis (HX)、Vicinamibacter (LX)、Bradyrhizobium (YX)和Fusarium等分布差异显著。

3.4.3. 微生物分子生态网络

HX组微生物网络最复杂（节点和连接数最多），稳定性最高，提示微生物在高压环境下通过正相互作用增强群落韧性。

3.4.4. 关键微生物的筛选

通过Zi-Pi图、LEfSe和随机森林分析筛选出关键细菌（如Lysobacter、Corynebacterium、Nocardioides、Defluviicoccus）和真菌（如Humicola、Alternaria、Colletotrichum），其相对丰度与重金属富集指标显著相关。

3.5. 相关性分析

Mantel检验和RDA分析表明，土壤pH、TN、AN、OM等理化性质显著影响重金属形态和微生物群落结构。关键微生物类群与Cd/Pb的BCF、TF呈显著正相关，揭示了微生物在植物重金属吸收和转运中的促进作用。

3.6. 功能基因/酶预测

重金属胁迫下，微生物功能基因（如Fur、PerR、CueR家族转录调控因子）和酶（如Cu²⁺-输出ATP酶、过氧化氢酶、乙醇脱氢酶）的相对丰度发生适应性变化，且与重金属含量及植物富集指标显著相关。

本研究系统揭示了加拿大飞蓬根际微生物组在重金属污染梯度下的响应规律及其对植物修复的协同作用。尽管高浓度重金属导致微生物多样性丧失，但环境压力筛选出具有金属耐受性和植物促生潜力的关键类群。这些微生物通过富集特定功能基因（如Fur、PerR、CueR）和分泌相关酶（如P型ATP酶、过氧化氢酶），可能改变了重金属的形态和有效性，从而增强了植物的富集和耐受能力。土壤理化性质（如pH、氮素、有机质）通过影响重金属生物有效性和微生物群落，进一步调控了植物修复效率。

该研究的重要意义在于阐明了根际微生态系统在植物修复中的核心作用，为利用入侵植物进行生态修复提供了理论依据。筛选出的关键微生物类群有望开发成生物接种剂，用于提高植物修复效率，同时为矿区入侵植物的资源化管理和生态恢复提供了新思路。