《Environmental Technology & Innovation》：Effects of Resistant Bacterial Inoculant Concentration on Phytoremediation of Cadmium–Arsenic Co-contaminated Soil by
Celosia argentea–
Pteris vittata Intercropping System and Its Microbial Mechanisms
编辑推荐：
：抗性细菌接种剂浓度对青葙（Celosia argentea）—蜈蚣草（Pteris vittata）间作体系修复镉—砷（Cd–As）复合污染土壤的影响及其微生物机制
中剂量蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）接种在Cd–As复合污染间作土壤中实现了
：抗性细菌接种剂浓度对青葙（Celosia argentea）—蜈蚣草（Pteris vittata）间作体系修复镉—砷（Cd–As）复合污染土壤的影响及其微生物机制
中剂量蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）接种在Cd–As复合污染间作土壤中实现了最优的植物修复效果。过量的细菌接种剂扰乱了根际微生态，抑制了植物提取性能。B. cereus选择性富集了土著功能微生物，如变形菌门（Proteobacteria）和新鞘氨醇菌属（Novosphingobium）。根际pH、氧化还原电位（Eh）和土壤有机质（SOM）与细菌群落组成密切相关。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
采矿活动、农业生产及地质背景等因素导致土壤镉（Cd）与砷（As）复合污染问题日益突出。镉是一种高毒性重金属，易以阳离子形式被植物吸收；砷主要以砷酸盐和亚砷酸盐形态存在，在土壤中发生形态转化。Cd–As复合污染可产生复杂的交互效应，加剧生态与人体健康风险。重金属难以生物降解，可通过土壤—作物链威胁食品安全。由于Cd和As在化学行为上差异显著，且通过截然不同的途径进入植物体，单一修复植物难以同时高效去除这两种元素，导致单作植物修复难以满足复杂复合污染场地的需求，因此亟需开发整合超累积植物与有益微生物的联合修复策略。
植物修复具有成本低、原位实施、对土壤结构扰动小等优点，是一种绿色的重金属污染土壤修复技术。蜈蚣草（Pteris vittata）是典型的砷超累积植物，除通过液泡区隔As(III)进行解毒外，还具有羽片中砷的胞外分泌与储存的特殊机制，砷累积能力极强。青葙（Celosia argentea）是镉超累积植物，Cd主要定位于植物维管系统，锰的存在可促进青葙对Cd的吸收与转运。将重金属累积靶标互补的两种植物进行间作，可发挥不同植物的修复优势，有望实现Cd与As的同步提取修复。间作条件下，两种植物根系分泌物的联合作用可改变根际土壤理化性质、酶活性和微生物群落，进一步调控重金属的迁移转化。然而，仅依赖植物的间作修复体系仍存在重金属生物有效性低、重金属引起的植物生长胁迫等局限，修复效率有待提升。
植物—微生物联合修复是提高修复效率的重要手段，耐重金属的植物促生根际细菌（PGPR）具有多种修复功能。解磷等功能性耐受菌可分泌低分子量有机酸、铁载体和胞外聚合物，一方面改善植物磷素营养并分泌IAA和ACC脱氨酶以缓解重金属诱导的氧化胁迫、增加植物生物量，另一方面介导重金属的氧化还原反应，改变Cd和As的形态与生物有效性，从而调控超累积植物对重金属的吸收与转运。根际是植物—土壤—微生物互作的热点区域，宿主植物根系分泌物可定向选择根际细菌群落，富集大量促生和耐重金属类群。不同植物间作将形成区别于单作的特殊根际微环境，显著影响外源接种功能菌的存活与功能表达。
现有研究表明，外源耐受菌的修复效果并不随接种剂量增加而线性提高。外源菌进入土壤后面临土著微生物的竞争压力，过高的接种剂量不仅可能无法增强修复效果，甚至可能扰乱原有土壤微生物生态。目前多数实验仅设置接种与不接种对照，缺乏接种剂浓度梯度的研究，适宜接种剂量仍不明确。且现有报道多集中于单作体系，接种浓度如何调控间作体系中土壤理化性质、酶活性和Cd–As形态尚不清楚，对重金属累积、转运及根际细菌群落结构的影响亦未得到解析。高通量16S rRNA基因扩增子测序可解析根际细菌多样性与分类组成，结合功能预测可进一步揭示抗性与促生相关功能如何响应间作与微生物接种的联合效应，适用于检验接种剂量是否及如何重塑间作体系根际微生物组。
二、研究内容与主要结论
研究人员据此开展盆栽试验，在青葙—蜈蚣草间作体系中设置梯度浓度的耐重金属细菌接种剂，验证修复效果不随接种剂量线性增加且存在最优剂量窗口的假设。研究旨在：(1) 表征接种剂量如何调控土壤理化性质、土壤酶活性和Cd–As形态；(2) 量化剂量梯度下植物生长与生理响应及重金属累积和转运因子；(3) 利用高通量测序揭示根际细菌群落响应并确定最优接种水平。研究结果有望阐明剂量依赖性植物—微生物修复的微生态机制，为Cd–As复合污染土壤修复提供实用剂量参考。
三、关键技术与方法
研究从广西贺州富川废弃三氧化二砷厂风险管控区采集污染土壤，青葙种子购自酒泉金秋园艺种业有限公司，蜈蚣草孢子采自广西阳朔大街脚。采用系列稀释涂布平板法从污染根际土壤中分离获得Cd–As耐受菌株L1.GLUT，经16S rRNA基因测序鉴定为蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus），保藏于中国普通微生物菌种保藏中心（CGMCC no. 30292）。通过Salkowski比色法、钼锑比色法、CAS检测及Ashby无氮培养基等方法测定菌株促生特性，并在含As和Cd的LB琼脂培养基上测试重金属耐受性。采用ICP-OES测定液体培养中残余Cd和As浓度以评估菌株吸附性能。盆栽试验设CK（不接种）、BS（4×10? CFU mL?1）、BM（8×10? CFU mL?1）和BL（1.6×10? CFU mL?1）四个处理，每月根灌接种一次，90天后采样。植物组织Cd和As采用ICP-MS和AFS测定，土壤金属总量经王水消解后测定，金属形态采用改进BCR三步连续提取法分析。根际土壤DNA提取后扩增16S rRNA V4区，在Illumina MiSeq平台测序，QIIME2中DADA2处理生成ASV，SILVA v132数据库进行物种注释，计算Chao1和Shannon指数并进行Mantel检验。
四、研究结果
3.1 蜡样芽孢杆菌的促生特性与重金属耐受性
分离的B. cereus对Cd–As复合胁迫表现出强耐受性，在含100 mg/L Cd和200 mg/L As的琼脂培养基上可见大量菌落。液体培养中，菌株在三种复合胁迫水平下均可生长，OD???在24小时内持续上升，随金属浓度升高生长逐渐受抑制。培养期间培养基中溶解态As和Cd浓度逐渐下降，24小时后Cd去除率为8.39%（L）、2.96%（M）和2.09%（H），随初始Cd浓度升高而降低；As去除率则呈相反趋势，从3.87%（L）升至6.00%（M）和6.71%（H）。OD???升高与溶解态金属下降同步，表明Cd和As去除与细菌活跃代谢相关。
3.2 蜡样芽孢杆菌接种剂量梯度下土壤理化性质变化
接种B. cereus显著改变了间作体系根际土壤理化性质，呈现明显浓度依赖性。土壤pH呈下降趋势，BM和BL处理显著降低。CK处理电导率（EC）最低（61.84 ± 3.11 μS cm?1），接种后EC显著升高，BM处理达峰值（129.45 ± 4.60 μS cm?1），较对照高109.3%。低中浓度接种剂（BS、BM）未显著改变土壤氧化还原状态，仅最高浓度BL处理土壤Eh显著降低，表明向还原条件转变。CK处理有机质含量最低，随接种浓度升高逐渐增加，BL组显著高于其他处理，较对照增加41.6%。
3.3 接种剂浓度梯度下植物生长及生理生化响应
不同浓度B. cereus接种以物种和剂量依赖方式改变植物干生物量。青葙中，BS未显著改变生物量，BM和BL分别显著增加15.78%和17.96%，BL生物量最大。蜈蚣草中，BS、BM和BL生物量较CK分别高4.98%、9.11%和2.60%，BS和BM下显著增加且在BM达峰值，BL与CK无显著差异。BS和BM接种显著提高青葙根系活力，BM处理达最高值0.33 μg TTF g?1 FW h?1，较对照高102.97%；最高浓度BL处理根系活力显著下降甚至低于CK，显示高浓度抑制作用。仅中浓度BM接种剂显著增强蜈蚣草根系活力。青葙各处理间CAT活性无显著差异；蜈蚣草中，低浓度BS接种显著提高CAT活性，达最大值3.80 U g?1 FW，较对照高87.1%，BM处理CAT活性下降，最高浓度BL处理显著降低。
五、讨论与结论
研究结果表明，中剂量B. cereus接种在青葙—蜈蚣草间作体系中实现了最优的Cd–As复合污染植物修复效果。过量细菌接种剂扰乱了根际微生态，抑制了植物提取性能。B. cereus选择性富集了变形菌门和新鞘氨醇菌属等土著功能微生物。根际pH、氧化还原电位和土壤有机质与细菌群落组成密切相关。该研究阐明了剂量依赖性植物—微生物修复的微生态机制，为Cd–As复合污染土壤的植物修复提供了接种剂量参考，对推动间作联合微生物修复技术的实际应用具有重要指导意义。
