旱稻相关蚯蚓与丛枝菌根真菌的协同作用驱动菌丝圈中砷的固定化

《Applied Soil Ecology》：Synergistic action of earthworms and arbuscular mycorrhizal fungi associated with upland rice drives arsenic immobilization in the hyphosphere

　　

摘要

来自人为活动和天然地质源的砷污染对粮食安全构成威胁。蚯蚓与丛枝菌根真菌的联合应用通过重塑根际和菌根际微环境来限制砷的移动性，然而两者的交互作用机制尚不明确。本研究利用双室系统将旱稻根系物理隔离，探讨了蚯蚓与丛枝菌根真菌菌丝体单独及交互作用对砷动态的影响。联合处理使有效态砷减少了22.09%，并加速其向稳定态转化，证实了菌根际的现场固持作用。偏最小二乘路径模型结果显示，菌丝体主要通过调节土壤理化性质、分泌易提取球囊菌素相关土壤蛋白以及重构细菌群落等潜在途径发挥作用。蚯蚓作为辅助因素，通过优化土壤碳质量和氧化还原电位，为微生物介导的砷固持建立了有利的微生境。同时，菌丝体可能将砷从菌丝室吸收并转运至根系室，使根系砷含量增加7.35%–8.69%。值得注意的是，这种菌丝转运并未抵消整体的固持效果，反而伴随着养分吸收增强和地上生物量积累的增加，且未观察到菌根际砷移动性升高的证据。因此，该系统通过两种互补机制限制砷的移动性：(i)通过丛枝菌根真菌介导的理化过程和微生物过程在菌根际局部固持砷，以及(ii)通过菌丝转运将部分砷重新分配至植物根系，从而有效将其从活态土壤库中移除。

引言

砷是一种毒性极强的类金属元素，广泛分布于地壳中。密集的农业活动——包括采矿、冶炼、废物处置、污水灌溉和农用化学品使用——结合天然砷富集，已导致全球农业土壤的广泛污染。土壤中的砷可在食物链中生物累积，对人类健康构成严重威胁，包括皮肤损伤、神经损伤和癌症。旱稻作为重要粮食作物，其砷富集能力远高于小麦和大麦等其他谷物，使旱稻种植区的砷污染成为关键食品安全问题。因此，开发并阐明能有效阻止砷从土壤向旱稻迁移并降低其生物有效性的原位修复技术，对于保障稻米安全和人类健康至关重要。

结合微生物和土壤动物的联合生物修复技术因其高效、低成本、环境兼容性好以及能够同时实现农业生产与修复的独特优势，近年来受到广泛关注。在众多有益土壤微生物中，丛枝菌根真菌因其能与绝大多数陆地植物形成互利共生关系而在污染土壤中广泛存在。在此共生关系中，寄主植物为丛枝菌根真菌提供光合作用固定的碳源，而丛枝菌根真菌则利用其广泛的外根菌丝网络显著扩大植物根系吸收面积，帮助寄主更高效地获取磷、氮、锌、铜等扩散受限的矿物养分以及水分。在砷胁迫下，丛枝菌根真菌通过将其隔离在菌丝细胞壁或液泡中来直接固定砷，并调节砷在植物组织中的分布，从而缓解植物毒性并减少砷向地上部的迁移。丛枝菌根真菌还通过调节根际微环境间接影响砷的形态转化和生物有效性。值得注意的是，丛枝菌根真菌外根菌丝可从根系延伸至数十厘米外的土壤中，其直接影响范围内的土壤微域被称为"菌根际"——一个具有不同于大田土壤理化与生物学特性的独特生态位。丛枝菌根真菌持续向该区域分泌含糖、有机酸和球囊菌素相关土壤蛋白的菌丝分泌物，重塑细菌和古菌群落并协同调控污染物行为。近期研究表明，丛枝菌根真菌菌丝分泌物可影响纳米塑料的团聚，减少植物吸收。

蚯蚓作为关键的"土壤生态系统工程师"，通过摄食、掘穴和排粪活动改善土壤团聚、有机质周转、通气性和养分循环。然而，其活动对重金属生物有效性的影响仍有争议。一些研究报告蚯蚓活动通过pH调节、溶解性有机质分泌和肠道相关过程增加金属溶解度和生物有效性，而另一些研究则观察到蚯蚓修复后砷的生物有效性降低。这些差异可能源于蚯蚓种类、土壤性质和污染水平之间的相互作用。蚯蚓还摄食丛枝菌根真菌菌丝和孢子，影响菌根真菌的扩散；尽管捕食可能抑制菌丝发育，但有时也可刺激丛枝菌根真菌的活性。重要的是，尽管蚯蚓和丛枝菌根真菌均促进磷的移动，砷酸与磷酸的化学类比并不意味着同时发生砷的移动化，因为砷具有独特的氧化还原行为，且在好氧条件下对无定形铁/铝氧化物有更强的亲和力。促进磷生物有效性的过程——如有机酸分泌、球囊菌素外排和pH/电位变化——可能对砷产生不同影响。然而，鲜有研究探讨丛枝菌根真菌外根菌丝如何改变菌根际条件和砷形态转化，以及蚯蚓如何调控这些过程。

鉴于两者的互补作用——蚯蚓驱动有机质分解和物理重构，而丛枝菌根真菌菌丝介导球囊菌素分泌和pH/电位变化——我们假设，它们的联合作用可通过改变理化性质和微生物群落结构协同促进菌根际土壤中生物可利用态砷向更稳定形态的转化，从而降低砷的移动性和生物有效性。我们采用双室系统来检验这一假设，并将外根菌丝和蚯蚓的作用与根系分泌物干扰隔离开来。

章节摘要

土壤与生物

实验土壤采集于中国广东省深圳市（22° 40′ 08″ N; 114° 08′ 22″ E）一块农田的表层（0–20 cm）。样品自然风干并通过2毫米筛用于双室实验。土壤理化特性为：pH 6.61，有效氮100.28 mg kg?1，有效磷45.68 mg kg?1，有效钾76.94 mg kg?1，总砷99.25 mg kg?1。

实验使用的蚯蚓为

植物生物量、养分和砷含量

所有处理的根系室均接种了丛枝菌根真菌，菌根侵染率为19%–24%。在菌根和蚯蚓-菌根处理中，菌丝室的菌丝长度密度在8.78 m g?1至9.24 m g?1之间。各处理间旱稻根系生物量无显著差异。不同处理的植物生物量和砷含量如图1c–e所示。与对照相比，蚯蚓、菌根和蚯蚓-菌根处理均增加了地上生物量，其中

丛枝菌根真菌菌丝的元素转运

在本研究中，菌根和蚯蚓-菌根处理的稻米生物量、氮和磷浓度显著增加，这可归因于这些处理中的外根菌丝穿透尼龙网进入菌丝室，将养分从菌丝室额外转运至根系室。此外，土壤中无机磷酸盐或有机态结合磷和氮等养分的扩散性差，且菌丝室中产生的养分亏缺

结论

本研究证实，在砷污染土壤中，蚯蚓与丛枝菌根真菌外根菌丝的联合应用最有效地降低了菌根际中砷的生物有效性。在这一调控网络中，丛枝菌根真菌外根菌丝主要通过间接机制促进砷固持——主要通过菌丝分泌物重塑土壤细菌群落多样性和结构。蚯蚓作为"环境优化者"，增强土壤碳质量，改善

CRediT作者贡献声明

陈智鹏：撰写初稿、形式分析、数据整理、概念构思。曹一鸣：撰写——审阅与编辑。陈艳杰：撰写——审阅与编辑。邱荣良：概念构思。杨旭：撰写——审阅与编辑、形式分析、数据整理。李华寿：撰写——审阅与编辑、调查研究、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作由中国国家重点研发计划（2020YFC1807805）和广东省广州市科技计划项目（202206010176）联合资助；国家自然科学基金（42107016）；广东省自然科学基金（2022A1515010662）。

陈智鹏|曹一鸣|陈艳杰|邱荣良|杨旭|李华寿

华南农业大学资源与环境学院，广州，510642，中国