负载地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)生物炭驱动土壤镉(Cd)修复中优势与稀有类群(Abundant and Rare Taxa)的生态分工(Ecological Division of Labor)

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Ecological division of labor between abundant and rare taxa drives soil Cd remediation via Bacillus licheniformis-loaded biochar

　　

摘要：农田土壤镉(Cadmium, Cd)污染威胁粮食安全，亟需可持续修复技术。生物炭-微生物复合材料(Biochar–microbe composites)是颇有前景的方案，但优势菌群(Abundant taxa)与稀有菌群(Rare taxa)在Cd钝化及植株吸收中的各自生态作用尚不清楚。本研究以FeCl?改性厨余生物炭(Biochar, B)负载耐Cd菌株地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)制备细菌负载生物炭(Bacteria-Loaded Biochar, BLB)。光谱与显微分析表明，细菌定殖引入了生源含氮基团(C–N、N–H)并促进表面铁羟基氧化物形成，共同利于稳定的内圈络合(Inner-sphere Complexation，如Fe/Mn–O–Cd和COO–Cd)。盆栽实验显示，相比对照，BLB使交换态Cd降低51.7%，生菜(Lactuca sativa)地上部Cd浓度降低70%以上，并促进生长。上述效果伴随根际与根内微生物组的类群特异性变化：优势类群主要与养分供应和植株生物量增加相关，符合组织Cd的生长稀释效应(Growth-Dilution Effect)；稀有类群则与Cd向稳定形态转化及共发生网络(Co-occurrence Network)稳定性相关，符合其作为生化专化者(Biochemical Specialists)的推定角色。BLB施用使根内生菌群落组装向确定性(Deterministic Assembly)偏移，其中假单胞菌科(Pseudomonadaceae)富集与凯氏带(Casparian Strip)增强及Cd向地上部转运减少相关联。结构方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)证实存在根际解毒、微生物生态位分化及植物内部拦截的三方协同机制。研究表明，通过功能化生物炭调控优势-稀有微生物组合是实现土壤修复与安全作物生产的有效策略。

研究背景与意义

农业土壤镉(Cd)污染已成为全球性环境难题，我国约33.2%–33.5%农田存在Cd污染风险。Cd因高迁移性和持久性易经可食部位进入食物链危害人体健康。传统物理化学修复存在成本高、能耗大及二次污染风险，而单纯微生物菌剂在Cd污染土壤中因重金属毒性和土著微生物竞争难以定殖，单纯生物炭(Biochar)虽可钝化重金属但缺乏持续生物化学活性。现有研究多关注宏观修复效果，将微生物群落动态视为"黑箱"，尤其优势(Abundant taxa，相对丰度>0.1%)与稀有类群(Rare taxa，相对丰度<0.01%)在重金属胁迫下的生态分工——前者主导基础养分循环，后者作为"生化专化者"驱动特异污染物转化并维持网络韧性——尚不明确，制约了可预测、长效土壤修复微生物组的设计。为此，Zheng Lin、Runtong Huang、Shunan Zhang、Xiantao Fang、Weimin Sun、Lei Wang、Rui Du、Shuai Xiao、Yun Zhang及Zhimin Xu研究人员以FeCl?改性厨余生物炭负载Cd耐受性地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)制备复合修复材料(BLB)，结合高分辨谱学、盆栽试验、16S rRNA测序及网络建模，揭示材料微界面Cd固定机制、根际-根内微生物生态位分化及其与植物Cd积累的级联关系，提出三方协同修复框架，研究成果发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。

主要关键技术方法

研究人员采集广州郊区Cd污染菜田土壤(背景Cd 2.82 mg/kg)开展盆栽试验，设对照(CK)、5%改性生物炭(B)、5%细菌负载生物炭(BLB)三组，以生菜(Lactuca sativa)为供试作物培养50天。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及二维相关光谱(2D-COS)表征材料表面形貌、晶相与官能团变化及Cd(Ⅱ)吸附机理；按Tessier连续提取法分级土壤Cd形态；测定土壤理化性质(pH、总氮TN、硝态氮N–NO₃^?、铵态氮N–NH₄⁺)及酶活性(过氧化氢酶CAT、脲酶UR、酸性磷酸酶ACP)；采用3D荧光光谱(EEM)分析溶解性有机物(DOM)；通过根尖Berberine-Aniline Blue染色观察凯氏带(Casparian strip)；以石墨炉原子吸收光谱测定植株Cd积累。应用CTAB法及土壤DNA提取试剂盒分别提取根际土与表面消毒后生菜根内(Endophyte)基因组DNA，扩增16S rRNA V4–V5区(根际)与V5–V7区(根内生)，Illumina NovaSeq 6000平台双端测序，UPARSE聚类OTU(97%相似度)，SILVA数据库注释。按相对丰度划分优势/中等/稀有类群，计算α/β多样性，构建Spearman共发生网络(Co-occurrence Network，|r|>0.6，p<0.01)，以iCAMP包评估群落构建过程(βNTI)，随机森林识别关键标志物OTU，PICRUSt2预测功能，偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析变量间直接与间接效应。

研究结果

3.1. 生物炭-细菌复合材料的微界面组装与Cd(Ⅱ)强化固定机制

SEM显示BLB多孔结构被杆状B. licheniformis密集定殖。吸附动力学符合准二级模型，表明化学吸附为主；BLB较B平衡时间延长，Elovich初始速率下降，说明细菌引入使Cd固定转向多步配位过程。2D-COS–FTIR显示BLB新增C–N与N–H振动峰(源于菌体蛋白/肽含氮结合位点)，异步谱表明含氧基团先响应捕获Cd(Ⅱ)，随后与含氮基团配位稳定，形成分步吸附。XRD检出Fe₃O₄，XPS显示BLB中Fe(Ⅲ)比例升高，无定形铁氧化物(Fe_ox)由2850升至4120 mg/kg(Fe_ox/总Fe由10.82%升至15.74%)，表明B. licheniformis代谢促进Fe(Ⅱ)氧化及无定形羟基氧化铁形成。C 1s谱确认含氧基团(C=O、C–O)富集，Cd 3d谱Cd–O键信号增强。综上，BLB中Cd固定超越物理吸附，涉及菌介导的稳定内圈表面络合(Inner-sphere Complexation，如Fe/Mn–O–Cd、CdO、COO–Cd)及诱导表面沉淀。

3.2. BLB处理耦合的根际钝化与根系质外体屏障

BLB显著缓解Cd毒害，株高、地上鲜重、根鲜重较CK分别增加9.2 cm、13.5 g、1.4 g；单纯B虽降Cd生物有效性但抑制生物量(非选择性吸养、碱化及渗透胁迫)。BLB组叶绿素a/b及总量最高，减轻Cd置换Mg²⁺对光合电子传递影响。BLB使根系细根增殖减少、平均直径与鲜重增加，由Cd胁迫下的觅食型转为碳高效分配型。植株地上/地下Cd浓度分别为0.288和0.250 mg/kg DW(各处理最低)；单株总Cd积累与CK相当但生物量增87%(根)和156%(地上)，降Cd主因为生长稀释(Growth Dilution)而非进一步阻遏吸收，同时根增粗伴凯氏带增强，构成限制Cd质外体转运的物理屏障。BLB根际DOM腐殖化指数(HIX)升至4.417，荧光(FI)与自生源指数(BIX)升高，芳香腐殖质提供酚/羧基强亲和Cd结合位点。BLB提升TN、N–NO₃^?、N–NH₄⁺及CAT、UR、ACP活性。pH由5.77升至7.13促CdCO₃/Cd(OH)₂沉淀，但BLB独特地增加了有机结合态与Fe–Mn氧化结合态Cd比例，交换态Cd较CK降51.7%(B组降34.5%)，表明菌介导络合、胞外聚合物(EPS)、诱导Fe–Mn氧化物吸附等超越pH驱动的附加稳定化贡献。

3.3. 改性生物炭重塑微生物组装并驱动Cd修复的生态反馈

根际变形菌中Oxalobacteraceae与Comamonadaceae在B/BLB中比例上升(与重金属抗性及难降解有机物降解相关)。根内生菌群落"纯化"：Pseudomonadaceae相对丰度由CK 70.4%升至BLB 97.2%；根内生α多样性(Shannon)由2.93降至1.03，OTU数显著减少，表明宿主主动过滤并富集核心功能菌(假单胞菌产铁载体、EPS结合Cd)。中性群落模型(NCM)与iCAMP分析：CK根际完全受确定性均质选择(Homogeneous Selection, 100%)——Cd毒性强环境过滤；B/BLB根际随机过程占33.3%，生物炭缓冲pH并提供微生境拓宽生态位使多样菌群可经随机扩散定植；根内生组装则由CK完全随机变为BLB完全确定性(100% Homogeneous Selection)，反映BLB改善根际同时强化宿主对内生根际的选择性招募(定向富集Cd耐受Pseudomonadaceae)。共发生网络：B/BLB组模块化程度更高、连接优化，由竞争主导向协作主导转变；土壤菌群网络复杂度与pH、酶活性正相关，与交换态Cd负相关(R²=0.75，p=0.015)；根内生网络复杂度与根重极正相关(R²=0.98，p=0.001)，与地上/地下Cd浓度负相关，表明Pseudomonadaceae主导简化而高互联网络既促生长稀释又限Cd转运。

3.4. 优势与稀有类群在构建"土壤–根" Cd屏障中的生态位分化

B/BLB提高优势类群占比(至49.6%/39.8%)，ACE指数升高示招募新类群；稀有类群主要隶属Rhodospirillaceae、Hyphomicrobiaceae、Sphingomonadaceae。节点删除稳健性(Robustness)分析：去除稀有类群使B处理网络稳定性降86.9%，证其关键种(Keystone)作用；Procrustes分析示稀有类群与土壤理化和Cd形态变化拟合更紧(M²=0.263，p=0.003)。跨生境(根际土–根内生)共发生网络：稀有类群子网络土–根连接边数(18862)远高于优势类群子网络(1433)，多为正相关，暗示稀有类群主动协调根内生组装。环境关联网络：优势类群与土壤养分(TN、NH₄⁺–N、NO₃^?–N)及植株Cd含量强相关→主司环境缓冲与物质截留(调节根际化学与养分流产生生长稀释)；稀有类群为中心模块连接器，与交换态Cd负相关、与Fe–Mn氧化结合态Cd正相关→关联Cd生物可利用态向稳定态转化及土–根微生物偶联，形成层级生物过滤体系。

3.5. 稀有与优势微生物功能分化驱动Cd形态转化与植株积累

PICRUSt2预测：稀有类群功能在BLB下变化更显著，碳水化物代谢、氨基酸代谢及信号转导上调；其预测通路与pH正相关、与残渣态/有机结态/碳酸盐结态Cd负相关。优势类群预测功能仅与基础土壤指标(脲酶、过氧化氢酶、全氮)相关，不与Cd形态相关→维持基线代谢。随机森林按Mean Decrease Gini识别：稀有标志物(如Gemmatimonadetes和Proteobacteria隶属OTU1945等，Myxococcaceae、Acidobacteria、Rhodospirillaceae、Alphaproteobacteria部分OTU)与交换态Cd负相关、碳酸盐结态Cd正相关→关联Cd向稳定形态转化(推断涉及EPS分泌、螯合代谢物、pH/氧化还原调节、诱导沉淀)；优势标志物(Oxalobacteraceae OTU23、Nitrospira OTU138、Thermomonas OTU32)与Cd形态弱相关→核心碳矿化、硝化等基础生化。根内生标志物Pseudomonadaceae OTU1/OTU2与根/地上Cd负相关→限制Cd向地上转运。二分关联网络整合示：稀有类群(如Sphingomonadales、Burkholderiales)居中关联酶活性与稳结Cd；优势类群关联pH与速效氮；内生模块(Pseudomonadales)负关联植株Cd。PLS-PM显示：BLB→土壤理化为正，→优势类群为正，→稀有类群为正，→根内生为正；稀有类群→交换态Cd为负，根内生→植株Cd为负，优势类群→植物生物量为正；模型拟合良(x²/df=4.89，GFI=0.912，RMSEA=0.073)。

讨论与结论翻译

本研究阐明厨余源生物炭-微生物复合材料(BLB)诱导的材料-生态级联Cd修复机制。除高效物理化学钝化(交换态Cd降51.7%)外，复合材料调控微生物组功能分工：优势类群调节养分流并提升植株生物量产生生长稀释效应间接降低组织Cd；稀有类群作为生化专化者驱动Cd形态转化并充当协调跨室互作的基石连接者(Keystone Connectors)；沿确定性响应轴，BLB促进Cd耐受内生菌(Pseudomonadaceae)招募并强化凯氏带(Casparian Strip)，限制Cd向地上转运使宿主由胁迫存活转旺盛生长表型。此根际解毒–微生物生态位分化–植物内部拦截的三方协同(Tripartite Synergy)为同步实现土壤修复与安全作物生产提供了生态学框架。