《Journal of Biotechnology》：Reed root-biofilm systems are associated with cadmium depletion in wetland soils, along with extracellular polymeric substances compositional shifts and distinct bacterial enrichment
编辑推荐：
•RRB改良与湿地土壤中的镉（Cd）耗竭有关。•EPS（植物的分泌物）成分的变化与湿地土壤中的镉耗竭有关。•RRB改良与一种独特的微生物群落相关，有助于维持生物多样性。•镉的耗竭伴随着EPS成分的变化和微生物群落的变化。•基于RRB的改良方法为受镉污染的湿地提供了一种可持续的修复
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RRB改良与湿地土壤中的镉（Cd）耗竭有关。
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EPS（植物的分泌物）成分的变化与湿地土壤中的镉耗竭有关。
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RRB改良与一种独特的微生物群落相关，有助于维持生物多样性。
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镉的耗竭伴随着EPS成分的变化和微生物群落的变化。
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基于RRB的改良方法为受镉污染的湿地提供了一种可持续的修复策略。
引言
镉（Cd）污染对河口湿地的生态完整性构成了严重威胁，尤其是在黄河三角洲地区，由于密集的工业和农业活动，导致湿地土壤中镉的积累严重（Cai et al., 2024, Yang et al., 2024）。与有机污染物不同，镉不可降解，在环境中持续存在，其迁移性和生物可利用性受到复杂的生物地球化学过程的影响（Jiang et al., 2024）。传统的修复方法，如土壤挖掘或化学稳定化，往往成本高昂，并且对大规模湿地生态系统具有破坏性。因此，迫切需要可持续的、基于自然的解决方案，能够在有效降低镉浓度的同时保护重要的生态系统功能。湿地植物，尤其是芦苇（Phragmites australis），为这种绿色修复提供了有希望的途径（Yin et al., 2024）。然而，它们地下过程的潜力，特别是根际生物膜系统在金属耗竭中的作用，仍然 belum 被充分研究。
芦苇根际生物膜的形成占主导地位。这些生物膜由嵌入EPS基质中的多种微生物群落组成，可以通过离子交换和表面络合作用与重金属相互作用（Xing et al., 2022）。尽管这些特性很有前景，现有的生物膜辅助的植物修复技术仍面临几个关键瓶颈。生物膜的形成和稳定性受到植物种类、环境条件、养分可用性和微生物信号分子之间复杂相互作用的影响，使得对其进行可预测的调控变得具有挑战性（Liu et al., 2025）。更重要的是，实际上负责金属结合的生物膜组成特征，如EPS组分的类型或涉及的特定细菌分类群，往往没有与金属耗竭的结果一起系统地进行研究，正如最近的一篇综合综述所指出的（Sarkar and Bhattacharjee, 2025）。虽然EPS的功能基团（如羧基、羟基、酰胺和磷酸基）结合镉的能力已有充分文献记载（Nkoh et al., 2019, Priyadarshanee and Das, 2024, Xu et al., 2024），但目前的研究主要局限于这些物理化学相互作用。然而，这一过程的生态维度仍然很大程度上未被探索：根际生物膜的改良如何影响土壤微生物的群落结构？众所周知，重金属胁迫会破坏土壤中微生物的共存网络，通常导致结构简化，从而降低生态系统的韧性（Qiu et al., 2024）。根际生物膜的改良是否可以通过影响微生物相互作用来缓解这种退化，从而形成更强大的生态系统结构，目前尚不清楚。这些知识空白强调了需要在同一实验框架内同时跟踪生物膜组成变化、微生物群落动态和金属耗竭的综合性研究。
在这项研究中，我们进行了一项系统的因子实验，以阐明芦苇根际生物膜系统在镉耗竭和微生物群落重构中的作用。使用从黄河三角洲收集的湿地土壤和芦苇，我们设置了五种处理条件：仅添加芦苇根际生物膜、原始土壤、灭菌土壤、添加芦苇根际生物膜的原始土壤以及添加灭菌芦苇根际生物膜的灭菌土壤，并在一系列镉浓度下进行测试。我们结合了三种互补的分析方法：（i）镉耗竭效率的量化；（ii）三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱技术来表征EPS组成；（iii）基于扩增子的微生物群落分析。我们的假设是：（H1）与未改良的土壤相比，根际生物膜改良可以增强镉的耗竭；（H2）来自生物膜的EPS具有指示金属结合潜力的独特荧光特征；（H3）根际生物膜改良能促进微生物群落的凝聚力和稳定性。本研究旨在为基于根际生物膜系统的镉污染湿地可持续修复策略的发展提供基础。
章节摘录
样本采集
从中国山东省黄河三角洲的一个典型的河口湿地（东经118°33′–119°20′，北纬37°35′–38°12′）采集了芦苇（Phragmites australis）植物及其相关的根际土壤。小心地挖掘出健康的芦苇植物及其完整的根系。为了保持根际生物膜的完整性，轻轻抖落松散附着的土壤，同时保留紧贴根部的根际土壤和生物膜层（定义为距离根2–4毫米范围内的复杂结构）。
添加了芦苇根际生物膜的土壤中镉的耗竭
通过监测不同处理组在初始污染水平（0–10 mg/kg）下的总镉浓度变化来评估RRB的镉耗竭潜力。如图1所示，对照组的最终镉浓度与初始值相比变化很小。具体来说，在自然土壤（S）和灭菌土壤（SS）组中，镉的保留率在整个浓度范围内都保持在83%以上。
结论
本研究表明，芦苇根际生物膜系统与受污染湿地中的镉耗竭有关，在添加了RRB的系统中，EPS成分发生变化同时伴随着微生物群落的变化。我们的发现表明，RRB的接种导致原始土壤中形成了显著的镉耗竭区域（总镉浓度从10 mg/kg降低到4.25 mg/kg）。这一过程与分泌类似蛋白质和腐殖质的EPS有关，这些EPS可能起到了关键作用。
CRediT作者贡献声明
Lanmei Zhao：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件使用、资源获取、方法学设计、资金筹集、数据分析、概念化。Yuru Wen：初稿撰写、软件使用、数据分析。Mengxue Sun：初稿撰写、软件使用、数据分析。Jian Liu：初稿撰写、监督、软件使用、资源获取、方法学设计、资金筹集、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响到本文的报告内容。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：国家自然科学基金（42606178）、湖南烟草公司郴州公司科技项目（CZYC2023JS05）、山东省自然科学基金（ZR2023QC207）、福建烟草公司科技项目（2023350000200091）、北京生命科学研究院科技有限公司科技项目（2023000CC0090）。
Lanmei Zhao|Yuru Wen|Mengxue Sun|Jian Liu
