玉米根际微生物组调控多金属胁迫下重金属生物有效性的机制及其在植物修复中的应用

为解决工业区多金属污染土壤中重金属(HMs)生物有效性调控难题，研究人员通过高通量16S rRNA测序和土壤地球化学分析，揭示了玉米(Zea mays L.)根际微生物组通过富集Proteobacteria和Chloroflexi等耐金属菌群，显著降低Cu、Cr生物有效性并限制Cd、Pb向可食部位迁移的协同机制，为微生物辅助的植物修复策略提供理论依据。

　　

在山西晋中太谷县工业区周边，钢铁生产活动导致农田土壤中汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)和锌(Zn)等重金属严重超标，不仅威胁着"中国粮仓"的食品安全，更通过食物链富集危害人体健康。传统物理化学修复方法成本高昂且易破坏土壤生态，而植物修复技术虽环境友好，却常因作物对多金属复合污染的响应机制不明而效果受限。尤其令人担忧的是，铜(Cu)在土壤中表现出51.6%-73.2%的高生物有效性，而铬(Cr)却以稳定形态存在——这种金属行为的分异使得单一修复策略难以奏效。

山西农业大学的研究团队创新性地将目光投向"植物-微生物"协同系统。他们发现玉米这种全球主粮作物，其庞大的根系不仅能物理固定重金属，更通过塑造特殊的根际微环境，招募具有金属解毒功能的微生物军团。研究人员在污染区设置高低污染梯度样地，采集36份根际与非根际土壤样本，运用ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射光谱)和GFAAS(石墨炉原子吸收光谱)分析重金属形态，结合高通量16S rRNA基因测序解析微生物群落结构，并通过Nemerow综合污染指数评估生态风险。

3.1 重金属污染特征与玉米根际生物地球化学调控效应

数据显示近钢厂土壤中Zn(254 mg/kg)、Cu(52 mg/kg)、Pb(46 mg/kg)超标最严重。玉米根际使Cu、Cr生物有效性显著降低，Nemerow污染指数较非根际土壤下降17.3%，证明根系能局部重塑金属形态。

3.2 土壤理化性质对重金属胁迫的响应

根际pH(7.23-7.68)较非根际(7.29-7.63)轻微升高，而高污染区土壤有机质(SOM)增加伴随阳离子交换量(CEC)下降，揭示根系分泌有机酸改变金属吸附格局。

3.3 重金属在玉米器官中的积累分配模式

尽管根系富集了大部分金属，但Zn在叶片中浓度达3.84 mg（占植株总量的34%），其转运因子(TF>1)显示玉米对营养元素Zn的主动转运机制，而Cd、Pb在果实中的含量仍低于国家安全标准。

3.4 根际微生物群落的结构响应与功能转变

耐金属菌群Proteobacteria和Chloroflexi在根际富集，使高污染区仍保持较高微生物多样性(Shannon指数5.8)。Mantel检验证实Cd、Pb、Cu(r>0.6)是驱动微生物群落重构的关键因子。

3.5 重金属胁迫下根际微生物组的循环机制

共现网络分析发现Bradyrhizobium与Cu、Pb显著正相关，而Roseiflexaceae呈负相关，暗示微生物互作网络参与金属解毒。RCP2-54菌门在高污染根际的特异性富集，可能编码新型抗性基因。

这项研究首次系统阐释了玉米根际"微生物护甲"的形成机制：根系通过升高pH、分泌有机酸创造微环境，选择性富集Proteobacteria等菌群，这些微生物通过产生胞外聚合物(EPS)、参与氧化还原反应，将Cu、Cr等金属"锁"在土壤中。虽然玉米对Cd、Pb的阻隔作用不完全，但通过结合微生物接种技术（如引入Bradyrhizobium），可望开发出"玉米-菌剂"协同修复体系。该成果发表于《Industrial Crops and Products》，为重金属污染农区的安全利用提供了兼具生态与经济价值的解决方案——既能保障粮食安全，又能实现土壤可持续修复。