复合芽孢杆菌接种剂对镉污染小麦田的钝化修复：土壤Cd形态转化、细菌群落重构与酶活性响应

《Microorganisms》：Microbial Inoculant Reduced Cadmium Accumulation in Triticum aestivum L. and Modulated Soil Bacterial Community Composition and Soil Enzyme Activities

　　

摘要：镉（Cadmium, Cd）污染加速土壤退化并威胁农用地安全利用，亟需可持续修复策略。研究人员通过田间试验评估了由枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）与解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）构成的微生物接种剂（Microbial Inoculant, MI）在Cd污染小麦土中的修复效能。结果表明，相较对照（CK），MI处理提升土壤pH与有机质（Soil Organic Matter, SOM），并使脲酶、蔗糖酶、脱氢酶与碱性磷酸酶活性分别提高3.83–249.28%、0.54–1.08%、5.61–109.68%与2.76–13.38%。MI促使Cd由可交换态与铁锰氧化物结合态向残渣态转化，从而降低Cd生物有效性；小麦成熟阶段，MI处理使籽粒Cd含量降低12.83–33.15%。高通量测序显示，耐重金属及修复相关类群丰度上升，包括假单胞菌门（Pseudomonadota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、芽孢杆菌门（Bacillota）、放线菌门（Actinomycetota）以及假单胞菌属（Pseudomonas）、节杆菌属（Arthrobacter）与芽孢杆菌属（Bacillus）。Mantel检验表明，土壤pH、SOM、酶活性与Cd积累对细菌群落组成解释力最强。该研究为Cd污染麦田原位微生物修复提供了田间证据。

研究背景与问题提出

镉（Cadmium, Cd）因高毒、难降解与易向作物转移，成为耕地污染核心风险因子。麦田系统中Cd可经根吸收、地上部转运并最终在籽粒富集，超出食品安全限值即威胁主食安全。传统钝化修复常依赖化学物料，而微生物接种剂（Microbial Inoculant, MI）具备低成本、环境友好与可协同改土的优势。已有研究多聚焦单株芽孢杆菌或盆钵体系，复合芽孢杆菌接种剂在田间尺度上如何同步影响Cd生物有效性、作物积累、土壤酶活性与细菌群落装配，仍缺乏系统证据。

研究人员以河南新乡Cd超标麦田为对象，设置CK与MI梯度处理，开展田间验证，旨在明确复合MI的原位钝化能力、降镉效果及微生物生态机制。

主要技术方法概述

研究基于Cd污染麦田样本队列开展田间控制试验，采集根区土壤与小麦组织样本；采用DTPA提取法测定有效态Cd，Tessier连续提取法解析Cd形态分级；以ICP-MS定量土壤与植株Cd含量；通过比色法评估脲酶、蔗糖酶、脱氢酶与碱性磷酸酶活性；提取土壤总DNA后扩增16S rRNA基因V4–V5区进行高通量测序，结合共现网络与Mantel检验关联环境因子与菌群结构。

研究结果

3.1 MI对土壤pH、SOM与酶活性的影响

研究人员发现MI随用量增加抬升成熟期土壤pH与SOM，其中高量处理差异显著；脲酶与脱氢酶提升最明显。说明MI可通过改良酸碱环境与碳输入，恢复受Cd抑制的生化过程。

3.2 MI对土壤DTPA-Cd与Cd形态的影响

MI降低DTPA提取态Cd，高量处理在成熟期显著有效；形态分级显示可交换态与铁锰氧化物结合态占比下降，残渣态占比上升。表明MI推动Cd由高活性形态向稳定形态转化。

3.3 MI对小麦产量与Cd积累的影响

产量数值提升但未达显著水平；根、茎叶与籽粒Cd均下降，成熟期籽粒Cd降低12.83–33.15%，高量处理最低。证明MI可阻控Cd从土壤到籽粒的链条转移。

3.4 细菌群落组装与结构特征

3.4.1 土壤细菌群落

Alpha多样性改善，Bacillota、Pseudomonadota、Actinomycetota丰度上升，重金属修复相关属如Pseudomonas、Arthrobacter、Bacillus富集，说明接种剂重构了耐Cd功能菌群。

3.4.2 共现网络分析

网络模块化程度高，MI增加Bacillota节点比例与负向互作，关键类群发生更替，提示群落稳定性与胁迫响应模式改变。

3.5 相关性分析

Mantel检验显示pH与籽粒Cd对群落解释最强；pH、酶活性与Cd积累呈紧密耦合。研究人员认为MI降镉并非单一吸附过程，而是理化改良、功能菌招募与网络重组的协同结果。

讨论与结论翻译

讨论指出，MI的降镉机制可能包括胞外吸附、离子交换、沉淀为CdCO₃及铁载体螯合；同时菌群转变强化了Cd固定能力。结论如下：

综上，研究人员发现不同用量MI可修复Cd污染麦田土壤，使DTPA-Cd下降，Cd向残渣态转化；MI显著降低籽粒Cd 12.83–33.15%，调节细菌群落结构并提高修复功能类群丰度。该复合微生物接种剂为降低土壤Cd生物有效性与麦田安全生产提供了可行路径。