多粘类芽孢杆菌L62通过表面络合和硫化铅矿化协同调节Pb2+的赋存形态并重建土壤微生态网络

《Journal of Hazardous Materials》：Paenibacillus polymyxa L62 synergistically regulates Pb2+ speciation and reconstructs soil microecological networks via surface complexation and PbS mineralization

　　

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  L62通过吸附和PbS矿物化消除Pb2?。
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  3% L62稳定土壤铅并改善土壤质量。
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  L62调节土壤微生物和酶以促进铅污染修复。

引言

重金属污染已成为全球性的主要环境问题，因其高毒性、持久性及显著的生物富集潜力而威胁着农业可持续性和生态健康。铅（Pb）由于其悠久的使用历史、严重的生物毒性以及沿食物链生物放大的倾向而引起了广泛关注[1]。与许多有机污染物不同，引入土壤的Pb²⁺难以降解，表现出强烈的持久性和累积性，从而严重损害土壤生态功能[2]。因此，从土壤中高效且环境可持续地去除或固定Pb²⁺已成为环境修复领域的主要研究焦点。

微生物修复技术因其显著的生态兼容性和无二次污染的特性，已成为重金属污染控制的主要发展方向[3]。多黏类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa）是一种公认安全（GRAS）的植物生长促进根际细菌，在土壤生态中发挥多种有益功能[4]、[5]。然而，目前该菌的应用主要集中在生物防治和植物生长促进方面，而将其作为高效Pb²⁺修复生物吸附剂的研究仍然相对有限。值得注意的是，P. polymyxa细胞壁表面富含反应性官能团，如羧基、羟基和磷酰基，且该细菌分泌大量胞外代谢物，从而赋予其特异性络合重金属离子的内在能力[6]。此外，在根际定殖过程中，该细菌可以显著重塑土壤微生物群落结构，这一特性为污染土壤的生态重建提供了独特潜力。然而，这种双重"修复—调控"效应尚未得到充分研究和阐明[7]。需要区分水体系统中Pb²⁺固定所需证据与土壤系统中Pb²⁺稳定所需证据的不同。在水体系统中，微生物细胞对Pb²⁺的去除通常通过吸附等温线、动力学以及表面络合和生物矿物形成（如PbS）的光谱或显微镜证据来证实。这些证据建立了Pb²⁺结合的细胞水平机制，但本身并不能证明相同机制在土壤条件下控制Pb²⁺的迁移。在土壤中，Pb²⁺的稳定必须通过铅赋存形态变化的证据来证实——特别是可交换态铅的减少和更稳定组分比例的增加——以及生物有效性和土壤地球化学性质的相应变化。

面对Pb²⁺污染相关的修复需求以及单一修复策略不足以全面恢复土壤功能的实际限制，能够同时固定重金属并调节土壤微生态的微生物被认为是一个具有技术前景的研究方向[8]。将P. polymyxa定向接种到污染基质中后，该细菌可通过表面络合、离子交换及相关机制高效吸附Pb²⁺，从而降低其生物有效性。此外，通过分泌生物活性物质和营养竞争，可以促进土壤微生物群落向有益方向演替，这通常表现为耐逆功能微生物类群的富集[4]、[5]。尽管关于芽孢杆菌属重金属吸附能力的研究基础已经建立，但将P. polymyxa应用于Pb²⁺去除和土壤微生态修复、并系统阐明协同"吸附—调控"机制的研究仍然有限[9]。需要注意的是，在本研究中，"协同/协同效应"包含两个方面：(1) 在细胞水平上，协同效应指的是细胞或周围环境中金属结合机制之间的相互作用，具体为表面络合与PbS矿物化的结合；(2) 在系统水平上，双重功能指的是在土壤生态系统尺度上的协同表现，即Pb²⁺固定与微生物群落调控之间的协同作用。

为解决上述问题，本研究筛选出一株高Pb²⁺耐受菌株P. polymyxa L62，并将其应用于Pb²⁺污染土壤的修复。本研究的目标如下：(i) 评价P. polymyxa L62在水体系统中的Pb²⁺去除性能，并通过表面官能团、络合、离子交换和可能的矿物化作用来表征其Pb²⁺结合行为；(ii) 确定接种P. polymyxa L62是否促进土壤中铅向更稳定形态的转化并改善土壤地球化学性质；(iii) 阐明接种后土壤微生物群落的演替模式——特别是关键细菌属的富集和土壤酶活性的增强——以及其与铅赋存形态转化的耦合关系，从而验证P. polymyxa L62在重金属稳定和生态功能恢复方面的双重功效，最终目标是实现土壤健康恢复。本研究为微生物在重金属污染环境修复中的应用提供了理论基础和技术支持。

章节摘要

试验材料

试验中使用了包括P. polymyxa L62（CGMCC No. 33247）在内的10株菌株。这些菌株是由实验室分离和筛选的内生细菌，具有解磷、解钾和固氮功能。使用LB固体培养基作为培养培养基，具体参数见补充文本S1。试验中使用的土壤和海滨牵牛（Ipomoea pes-caprae）采集自闽江口湿地。

不同菌株的Pb²⁺吸附效率及Pb²⁺浓度对L62生长的影响

在筛选不同菌株的Pb²⁺吸附能力时，L62菌株表现出极高的吸附潜力，而其他菌株的Pb²⁺吸附能力有限，除YZS-C01和YZS-C02外，所有菌株的吸附率均低于30%。受试菌株之间Pb²⁺吸附存在显著差异（表S1）。L62菌株的吸附率达到95.97%，显著高于所有其他受试菌株（p<

L62菌株的高Pb²⁺吸附能力及其对土壤铅形态转化和微生物群落重组的协同效应

在受试菌株中，P. polymyxa L62在本研究所用的非优化条件下表现出最高的Pb²⁺吸附效率（95.97%），表明其在筛选菌株集中具有广阔的应用前景。然而需要注意的是，Pb²⁺吸附性能高度依赖于菌株类型、基质材料和培养条件，因此L62的性能最好在目前的实验设置背景下进行解读。

已有研究描述了各种不同的

结论

多黏类芽孢杆菌L62通过表面官能团介导的络合作用（–OH、–COO?、CO等）以及可能的PbS晶体沉淀诱导，实现了Pb²⁺的高效吸附和矿物化。通过增加土壤阳离子交换量（CEC）和土壤有机质（SOM），P. polymyxa L62直接降低了可还原态Pb²⁺组分（F2），并通过SOM介导的途径间接降低了弱酸可提取态组分（F1）。这一过程间接促进了土壤酶活性的增强，丰富了

CRediT作者贡献声明

袁宗生：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。王思凡：撰写—初稿、方法学、正式分析。王晓玲：软件、正式分析、数据整理。董寻：方法学、数据整理。刘芳：撰写—审阅与编辑、监督、概念化。

资助

本研究成果获得了福州海洋研究所科技项目（2025F21）、发树基金研究项目（MFK25011）和闽江大学人才引进预研项目（33004328）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了福州海洋研究所和发树基金的支持。作者还感谢福建闽江口湿地国家级自然保护区管理处。

Zongsheng Yuan|Sifan Wang|Xiaoling Wang|Xun Dong|Fang Liu