解淀粉芽孢杆菌强化生态沟渠系统养分去除效能及盐胁迫下植物生长生理适应机制研究

《Agronomy》：Study on the Enhancement of Nutrient Removal by Bacillus amyloliquefaciens and the Growth Physiology of Plants Adapting to Salt Stress in the Ecological Ditch System

　　

中文翻译 传统生态沟渠技术无法提升高盐水的水质净化效果，也难以增强植物的耐盐性。解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens，BA）在缓解盐胁迫和促进植物生长方面具有积极作用。然而，在高盐胁迫条件下，BA增强植物抗逆性并提升生态沟渠系统养分去除效率的机制尚不明确。本实验构建了两种生态沟渠，即P（基质+植物）和PM（基质+植物+BA），并设置4种不同盐度处理（5 g/L、10 g/L、15 g/L和20 g/L），以研究添加BA后在不同盐度胁迫下水体氮磷的去除效率、植物生长与生理指标、抗氧化酶活性及无机盐离子浓度的变化，并阐明植物生长生理与水体营养盐响应之间的关系。结果表明：在不同盐度胁迫下，PM处理在养分净化方面的表现显著优于P处理，总氮（TN）、总磷（TP）和氨氮（NH4+-N）的去除率提高了13.61%–22.50%，且在盐度为15 g/L时效果最佳。BA通过提高植物超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，降低丙二醛（MDA）含量，降低Na+浓度并提高K+浓度，从而增强植物耐盐性，改善植物根系的生长和活性。同时，通过综合评价确定BA对芦苇（Phragmites australis）生长的促进作用最为显著，而更强健的植物根系是提升系统整体净化效率的关键。本研究为通过生态沟渠技术提升高盐水体净化效果提供了理论依据。

论文解读

一、研究背景与意义

近年来，随着经济水平的持续提升，大规模农业和工业建设导致过量氮磷输入下游水体（河流或水库），引发富营养化，严重威胁人类健康和环境可持续性。据统计，全球约30%至50%的湖泊和水库存在不同程度的富营养化问题。在中国，农业生产中肥料的过量使用导致大量氮磷流失，加剧了农业面源污染，引发水体富营养化，造成藻华频发，对生态系统造成严重破坏。这一问题在高纬度和寒冷干旱湖区的表现尤为突出，例如内蒙古岱海作为典型的寒冷地区干旱内陆湖泊，湖水中氮磷营养盐浓度和含盐量均较高，面临高盐化和富营养化的双重威胁，水体生态系统平衡极易被破坏。因此，改善高盐胁迫下湖泊的富营养化状况已成为保障内陆湖泊水生态安全的首要任务。

生态沟渠技术因其构建形式多样、配置优化和有效的污染物去除能力，在农业面源污染控制中得到广泛应用。然而，随着湖泊水体富营养化程度加剧，高浓度氮磷与高盐度共存于湖水中，对传统生态沟渠技术提出了新的挑战。在湖泊水生生态系统中，植物作为初级生产者，主要通过组织吸收和根系拦截两种途径去除氮。但研究表明，较高的盐环境会对植物造成离子毒性和渗透胁迫，抑制其水分及氮磷等营养元素的吸收，影响根系功能，降低微生物丰度，从而减缓植物生长并削弱其养分去除能力。

近年来，微生物在协助宿主植物抵抗盐胁迫方面的作用受到广泛关注。解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens，BA）在介导植物-微生物互作中表现出积极作用，其缓解盐胁迫和促进植物生长的有益效应已得到大量研究证实。然而，大多数研究集中于农田中植物与微生物的互作机制，对高盐胁迫条件下生态沟渠系统的探索仍较为缺乏。在干旱寒冷地区高盐湖泊条件下，BA增强植物抗逆性与营养盐吸收的耦合机制尚未明确，该菌株在强化生态沟渠氮磷去除能力的同时增强植物耐盐性的实际应用潜力也未经具体验证。

基于此，本研究选取经实验证实具有一定耐盐性的芦苇（Phragmites australis）、水葱（Scirpus tabernaemontani）和香蒲（Typha spp.）等植物，以BA作为促生微生物，构建植物-微生物联合修复系统，研究不同盐度胁迫下添加BA对植物生理生长的影响，阐明微生物如何增强植物生理生长与水体氮磷去除效率之间的耦合关系，以期开发高效且具备耐盐能力的生态沟渠修复系统，为高盐湖泊富营养化治理提供理论依据和技术支持。

二、主要关键技术方法

本研究为室内模拟实验，于内蒙古科技大学西校区（包头市昆都仑区，40.6209° N，109.8310° E）开展，实验周期为2024年5月1日至6月31日，共60天。实验设置2种生态沟渠处理，即基质+植物（P）和基质+植物+微生物（PM），并在此基础上设置5 g/L、10 g/L、15 g/L和20 g/L四种盐度处理，共8个处理组，每组设置3个平行。实验用水取自内蒙古自治区乌兰察布市凉城县岱海湖区，盐度范围为10‰至18‰，属高盐水体。实验选用钢渣、沸石、砾石层、生态坐垫和生物炭作为基质，选取芦苇、水葱和香蒲三种耐盐植物，以聚氨酯海绵球为载体固定BA菌株（保藏编号1.64710，购自中国普通微生物菌种保藏中心）。主要测定方法包括：水体总氮（TN）采用过硫酸钾氧化分光光度法，氨氮（NH₄⁺-N）采用纳氏试剂分光光度法，总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法；植物丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑光还原法，过氧化物酶（POD）采用愈创木酚自氧化法，过氧化氢酶（CAT）采用紫外吸收法，Na⁺和K⁺采用等离子体原子发射光谱法，Cl^?采用离子色谱法。数据分析采用Excel 2007和SPSS 26.0进行单因素方差分析，显著性通过Duncan法检验（p < 0.05），图表绘制采用Origin 2024和AutoCAD 2020。

三、研究结果

3.1 BA对盐胁迫下氮磷去除效率的影响

在不同盐度条件下，两种处理的沟渠中TN、NH₄⁺-N和TP浓度随时间呈逐渐下降趋势，并在第15天后趋于稳定。不同处理间TN、NH₄⁺-N和TP的平均去除率排序为15 g/L > 10 g/L > 5 g/L > 20 g/L。在相同盐度（15 g/L）条件下，PM处理对水体中TN、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为68.02%、61.48%和75.53%，较P处理分别提高了22.50%、13.61%和25.97%。当盐度为20 g/L时，PM处理对TN、NH₄⁺-N和TP的去除率分别为36.99%、42.20%和50.79%，较P处理分别提高了8.76%、8.84%和8.65%。这表明BA作为耐盐有益微生物，在高盐条件下可能通过调控植物耐盐性对复合植物生态沟渠中植物的养分去除效率产生积极作用。

3.2 BA对盐胁迫下植物生长生理过程的影响

3.2.1 植物抗氧化酶活性

P处理和PM处理植物的MDA平均积累量均随盐度增加呈上升趋势，在盐度为20 g/L时达到最大值。在不同盐度处理条件下，PM处理植物MDA积累量的增幅低于P处理，表明添加BA可减少盐胁迫下植物体内MDA的积累，缓解植物的氧化损伤，从而增强植物耐盐性。与MDA变化趋势不同，P处理和PM处理植物的SOD、CAT和POD平均活性均随盐度增加呈先升后降趋势，且在盐度为15 g/L时达到最大值。在15 g/L盐度下，PM处理植物的SOD、CAT和POD平均活性分别较P处理提高了33.72%、43.69%和38.66%。这表明BA能有效缓解植物的氧化胁迫，通过促进抗氧化清除酶的分泌，减少根系活性氧积累及其引起的氧化损伤，增强植物耐盐性。

3.2.2 植物无机盐离子

添加BA后，沟渠中植物K⁺和Cl^?浓度变化基本一致，均随盐度增加呈累积上升趋势，在20 g/L盐度时达到最大值。相比之下，Na⁺浓度随盐度增加呈先升后降趋势，在15 g/L盐度时达到峰值（40.97 mg/g）。由于Na⁺和K⁺变化趋势的差异，Na⁺/K⁺比值随盐度增加呈先升后降特征。在15 g/L盐度下，PM处理植物中Na⁺、K⁺和Cl^?浓度分别较P处理提高了32.28%、70.2%和52.14%。这表明添加BA并不阻碍植物对Na⁺的吸收，而是伴随K⁺和Cl^?的显著同步增加，帮助植物优化体内离子平衡，通过增强渗透调节能力缓解盐胁迫损伤，从而提高植物耐盐性。

3.2.3 植物生长指标

在15 g/L盐度下，与P处理相比，PM处理中三种不同植物的各项生长指标均呈上升趋势，根系活力、根长、植物生物量、株高、叶绿素和植物脂质的平均增幅分别为104.77%、70.63%、40.17%、47.72%、111.86%和117.28%。三种植物中，添加BA对芦苇的促进作用最为显著，其中PM处理中芦苇的株高和根系活力分别较P处理提高了63.15%和127.44%。结果表明，在此盐度条件下，通过在植物生态沟渠中施用BA，可增强植物的光合作用，促进植物生长，有效提高耐盐植物对盐胁迫的抗逆性。

3.3 植物生理生长的综合评价

通过主成分分析法将不同植物的生理生长数据降维至两个主成分，累计贡献率达95.28%。研究发现PM处理中各处理的综合评价值（CS）均高于P处理。其中，芦苇的综合评价得分均值最高（1.035至1.079），香蒲次之（0.393至0.438），水葱最低（0.284）。上述结果表明，添加BA在缓解盐胁迫和促进芦苇生理生长方面的效果最为显著，而对水葱的促进作用相对较弱。

3.4 植物生长生理与水体营养盐的响应关系

在15 g/L盐度下，植物生长指标（根系活力、根长、叶绿素、植物脂质）与过氧化产物MDA呈显著负相关，表明膜脂过氧化程度对植物生长具有抑制作用。在P处理中，CAT、POD和SOD与植物生长指标呈显著正相关，表明抗氧化酶在缓解氧化损伤中发挥积极作用。而在PM处理中，CAT和POD与各项生长指标呈负相关，仅SOD与植物生长指标呈显著正相关，表明不同抗氧化酶在应对盐胁迫时的响应机制存在分化。在植物生长指标与水体营养盐的响应关系分析中，根系活力模型的拟合效果最佳（R² > 0.74），是与水质去除相关性最强的因子；植物脂质的相关性次之（R²为0.59至0.83），且对TN的拟合效果最佳（R² = 0.83）。研究结果表明，在水体净化过程中，植物的生理代谢活性（尤其是根系活性）是影响净化效率的主导因素。

四、讨论与结论

讨论部分指出，生态沟渠是控制农业面源污染的关键工程措施，植物作为参与者通过根系吸收水体中的无机氮磷，在氮磷去除中发挥关键作用。然而，高盐胁迫会干扰植物的生理生化过程，削弱其水体净化能力。本研究发现BA的添加有助于提高盐胁迫条件下沟渠中植物对氮磷的整体获取效率。BA通过分泌赤霉素及其聚磷能力调节盐碱土中大豆的生理变化从而促进植物生长，也能通过调节土壤硝化-反硝化过程减少N₂O排放，增加植物TN含量。在抗氧化酶活性方面，BA通过促进植物体内抗氧化清除酶的合成，缓解盐胁迫对植物生长的不利影响，增强植物耐盐性。在离子渗透调节方面，BA通过优化植物体内离子平衡增强渗透调节能力，缓解盐胁迫造成的损伤。此外，BA通过缓解渗透和氧化胁迫保护光合作用，增加光合色素含量和叶绿素荧光，促进作物生长。具有更发达根系的植物对非生物胁迫具有更强的耐受性，增强根系活性是提高盐胁迫下植物吸收能力的重要途径之一。

研究结论如下：（1）添加BA显著提高了污染物去除效率，在盐浓度为15 g/L时去除效果最佳，PM处理较P处理对TN、NH₄⁺-N和TP的去除效率分别提高了22.50%、13.61%和25.97%。（2）BA能增强植物抗氧化酶活性，降低盐胁迫下MDA和Na⁺浓度，提高K⁺浓度，缓解氧化损伤，从而提高根系活力、植物脂质、叶绿素含量和生物量，间接增强水体养分去除效率。（3）植物生长生理综合评价表明，在实验条件下BA对芦苇生长的促进作用显著，增加种植密度可提高净化效率，根系活性与TN、NH₄⁺-N和TP的去除率显著相关。这些结果仅限于室内模拟条件，需通过野外原位实验进一步验证其实际应用和长期稳定性。