内生菌Neobacillus vireti菌株C1与蚯蚓粪的综合应用在污染灌溉下增强土壤肥力、花生生产力并减轻砷吸收

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Integrated Application of Endophytic Neobacillus vireti Strain C1 and Vermicompost Enhances Soil Fertility, Peanut Productivity, and Mitigates Arsenic Uptake under Contaminated Irrigation

　　

摘要：灌溉水中的砷（As）污染威胁着越南湄公河三角洲的花生产量、土壤质量和食品安全。本研究评估了内生菌Neobacillus vireti菌株C1和蚯蚓粪在对比灌溉条件下对土壤肥力、花生生产力和As积累的影响。研究人员采用三因素随机完全区组设计，设置四次重复，进行了田间试验，涉及N. vireti菌株C1接种、蚯蚓粪施用（0和10 t ha^-1）以及河水或As污染地下水的灌溉。菌株C1在100 mg L^-1 As条件下仍能维持生长，尽管生长抑制随As浓度增加而加剧。蚯蚓粪和菌株C1接种显著改善了土壤性质、植株生长、结瘤、产量构成因素和鲜荚产量。与对照（T1）相比，单独施用蚯蚓粪（T3）和单独接种C1（T5）分别使产量增加16.0%和20.9%，而它们在As污染灌溉下的联合应用（T7）使产量增加36.9%。处理T8获得了最高产量（8.80 t ha^-1），较T1增加了73.6%。蚯蚓粪和C1接种还降低了茎和种子中的As积累，其中T8处理下的降低幅度最大。联合应用可能通过蚯蚓粪介导的吸附和络合作用增强As的固定，而C1可能通过微生物与植物的相互作用降低As的有效性和植物吸收。这些发现表明，整合N. vireti菌株C1与蚯蚓粪在污染灌溉下改善花生生产力和减轻As积累方面具有潜力。

**论文解读**

**1. 研究背景**

花生（Arachis hypogaea L.）是全球重要的油料和食用豆类作物，具有高营养价值，并能通过与固氮微生物共生改善土壤肥力。在越南湄公河三角洲，花生种植是农民的重要收入来源。然而，该地区面临土壤肥力下降、对化学肥料过度依赖以及灌溉水和土壤砷（As）污染等严峻挑战。长期使用As污染的地下水灌溉导致As在农业土壤中逐渐积累，威胁作物生产力、食品安全和人体健康。砷即使在低浓度下也会破坏植物生理过程，如抑制根系发育、光合作用和养分吸收，最终导致产量损失。

内生植物生长促进细菌（PGPB）因其能促进养分吸收、增强植物抗逆性而受到关注。其中，Neobacillus属的物种因其在多种环境下的生存能力和多种植物促生特性，被认为是潜在的生物肥料候选者。然而，关于内生菌Neobacillus vireti菌株C1在As污染条件下的田间评估研究极为有限。有机改良剂如蚯蚓粪通过改善土壤物理性质、富集有机质和刺激微生物活性，能有效降低有毒元素的移动性和生物有效性。结合有益微生物与有机改良剂的综合管理策略被认为能提供更大的农艺效益，但关于内生固氮菌与蚯蚓粪在As污染灌溉下对花生的协同效应，尤其是在开放田间条件下的研究尚属空白。因此，开展这项研究旨在评估内生菌N. vireti菌株C1接种和蚯蚓粪施用对土壤化学性质、花生生长、产量、种子品质及As积累的综合影响，为开发可持续的花生生产策略提供科学依据。该论文发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》。

**2. 主要关键技术与方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过**16S rRNA基因测序和系统发育分析**对从花生根瘤中分离的内生菌N. vireti菌株C1进行分子鉴定。其次，通过**体外砷耐受性试验**，在不同As(III)浓度（0, 10, 50, 100 mg L^-1）的营养肉汤中培养菌株，测定其生长曲线和生长抑制率。第三，在越南安江省Phuoc Hung公社的田间进行了一项**三因素随机完全区组设计（RCBD）** 的田间试验，设置四个重复，评估了细菌接种（有/无）、灌溉水源（河水/As污染地下水）和蚯蚓粪施用（0/10 t ha^-1）三个因素，共形成8个处理组合。最后，通过**三因素方差分析**评估各因素及其交互作用对土壤化学性质、农艺性状、产量、种子品质及As积累的影响。

**3. 研究结果**

**3.1. 分子鉴定和系统发育分析**
通过菌落形态和细胞形态观察，菌株C1呈现典型的Neobacillus属特征。基于16S rRNA基因序列的系统发育分析将菌株C1（PX737408.1）明确归入Neobacillus vireti谱系，与模式菌株N. vireti TMB1356（PV679568.1）聚为一支，且自展支持率达100%，分子证据支持其鉴定为Neobacillus vireti。

**3.2. 砷耐受性**
通过测定不同As浓度下的光密度（OD₆₀₀）和生长抑制率，研究发现菌株C1在100 mg L^-1 As(III)浓度下仍能维持生长，但生长抑制率随As浓度增加而升高。在10 mg L^-1 As条件下，抑制率为7.7-12.5%；在100 mg L^-1 As条件下，抑制率升至45.2-50.0%，表明该菌株具有较好的砷耐受能力。

**3.3. 土壤化学性质**
在收获期，施用蚯蚓粪和接种N. vireti菌株C1均显著提高了土壤pH、阳离子交换量（CEC）、土壤有机质（SOM）、全氮（TN）和速效磷（AP）。反之，使用As污染地下水灌溉显著降低了这些土壤化学性质。三者间存在显著的交互作用，表明各因素的影响依赖于其他处理条件。综合处理（菌株C1+蚯蚓粪+河水灌溉）获得了最高的土壤pH、CEC、SOM、TN和AP值。

**3.4. 农艺性状**
蚯蚓粪施用、菌株C1接种和使用河水灌溉均显著提高了整个生育期（20、45、65天）的株高和分枝数。菌株C1接种与灌溉水源的交互作用对分枝数有显著影响，表明菌株C1尤其在有利灌溉条件下对分枝发育具有促进作用。

**3.5. 产量性状**
蚯蚓粪和菌株C1接种均显著提高了生物量、饱果数、饱果重、结瘤数和千粒重，但蚯蚓粪单独施用降低了根瘤数。As污染灌溉水显著降低了饱果重、结瘤相关性状和种子重量。三因素间的交互作用对几乎所有产量性状均有显著影响，表明花生对蚯蚓粪和菌株C1的响应强烈依赖于灌溉水质。

**3.6. 产量、种子品质与As积累**
蚯蚓粪和菌株C1接种均显著提高了鲜荚产量和种子水分含量，并显著降低了茎和种子中的As浓度。河水灌溉显著提高了种子水分、脂质和蛋白质含量、鲜荚产量，并显著降低了As积累。对于种子As浓度，所有交互作用项均显著，表明蚯蚓粪和菌株C1降低种子As积累的效果取决于灌溉条件和它们的联合应用。

**3.7. 产量表现与As积累**
与对照（T1）相比，所有处理均提高了鲜荚产量并降低了茎和种子中的As浓度。处理T8（菌株C1+蚯蚓粪+河水灌溉）表现最佳，产量最高（8.80 t ha^-1），较对照增加73.6%；同时，茎As浓度降低65.6%，种子As浓度降低49.4%，实现了生产力与食品安全性能的最佳平衡。

**4. 讨论与结论**

**讨论总结**：研究表明，菌株C1的形态和分子鉴定结果与Neobacillus属特征一致。其砷耐受性源于可能的砷还原、砷外排泵和抗氧化防御机制。联合应用蚯蚓粪和菌株C1的协同效应体现在：蚯蚓粪改善了土壤理化性质，为有益菌创造了更有利的根际环境；而菌株C1的植物促生功能（如固氮、溶磷）则增强了植物养分获取。对于As缓解，蚯蚓粪通过吸附和络合降低As的移动性，而菌株C1可能通过影响铁（Fe）-As和磷酸盐（P）-As相互作用以及根系生理过程来减少As的吸收和转运。然而，研究也存在局限性，如未包含完全无As的土壤对照以量化As来源贡献，以及未追踪菌株C1在花生地上部的系统定殖动态。尽管如此，整合微生物-有机物的管理策略在提高作物产量和限制As积累方面显示出巨大潜力。

**结论**：这项田间试验的结果表明，内生菌N. vireti菌株C1与蚯蚓粪的联合应用能够改善土壤肥力，增强花生的生长和生产力，并在As污染灌溉条件下减少As积累。综合处理比单独应用产生了更大的农艺效益，同时降低了茎和可食种子中的As积累。本研究的主要新颖之处在于提供了田间证据，证明内生固氮菌N. vireti菌株C1与蚯蚓粪整合后，能在污染灌溉下同时提高花生生产力和减轻As积累。这些发现支持了这种综合生物肥料策略作为受As影响农业系统中花生可持续管理方法的潜力。对于受As影响地区的花生种植者，综合使用N. vireti菌株C1和蚯蚓粪，并在可能的情况下使用低As灌溉水，可提供一种在限制花生组织As积累的同时改善土壤肥力和生产力的实用策略。