由绿木霉（Trichoderma viride）与黑麦草（ryegrass）协同作用系统驱动的砷稳定机制及根际微生物群落重塑过程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mechanisms of Arsenic stabilization and rhizosphere microbial community reshaping driven by a Trichoderma viride–ryegrass synergistic system

　　

摘要

砷（As）的污染威胁着土壤的生态安全和人类健康，因为它的毒性和移动性很强。在这项研究中，从受砷污染的土壤中分离出一种耐砷真菌Trichoderma viride YP-24，并将其与黑麦草（Lolium perenne L.）结合构建了一个协同修复系统。盆栽实验表明，该协同系统显著促进了黑麦草的生长，使植物组织中的砷积累减少了48 ± 4.20%，并且实现了54 ± 3.86%的砷固定效率。同时，土壤酶活性也得到了显著增强。该协同系统促进了砷从活性态向稳定态的转化，将活性态砷（F1+F2）的比例从20 ± 0.13%降低到16 ± 0.15%，而稳定态砷（F4+F5）的比例从28 ± 0.73%增加到35 ± 0.22%，从而降低了砷的移动性和生物可利用性。基于16S rRNA基因和ITS1宏条形码分析的共现网络分析显示，微生物多样性增加，并且与金属（类金属）稳定化和养分循环相关的功能类群得到了富集。微生物群落结构的变化与砷的分化过程和土壤酶活性密切相关（Mantel检验，p < 0.05）。总体而言，砷的稳定涉及多种互补过程，包括通过表面吸附直接固定砷以及可能的细胞内积累，以及与砷向移动性和生物可利用性较低的形态转化相关的根际微生物群落重构。这项研究为真菌固定和根际微生物组在砷稳定和植物修复中的协同作用提供了新的机制见解。

引言

砷（As）是一种高度有毒的类金属元素。人类活动如采矿、冶炼和化学生产不断将砷释放到土壤中，导致其在土壤中大量积累。砷可以通过食物链进入人体，对人类健康构成严重威胁。长期接触砷污染可能导致DNA修复受损、染色体异常和细胞周期紊乱，从而引发皮肤癌、神经系统损伤和呼吸系统疾病[27],[3]。因此，美国环境保护署（US EPA）将砷列为潜在的人类致癌物[63]。据估计，仅由受污染的饮用水引起的砷中毒就影响了全球超过1.5亿人[8]。在这种背景下，开发绿色、高效和可持续的砷污染土壤修复技术具有重要意义。

对于砷污染土壤的修复，已经广泛报道了物理方法（如土壤置换和电动力去除）以及使用石灰和磷酸盐等化合物的化学修复方法[73]。然而，由于这些方法成本高昂且存在二次污染的风险，它们正逐渐被生物修复所取代[23]。生物修复主要包括植物修复和微生物修复。其中，植物修复因其低成本和适用于原位应用而受到广泛关注，成为最有前景的修复策略之一。多年生黑麦草（Lolium perenne L.）属于禾本科植物，由于其发达的根系、易于栽培以及对多种金属（类金属）的强耐受性，在受污染土壤修复中得到广泛应用[32]。先前的研究表明，这种植物能够积累铅（Pb）、铜（Cu）和镉（Cd），去除效率在30%到63%之间[7]。此外，这种植物还在地上部分显示出显著的砷积累潜力，含量可达到263毫克/公斤以上[44]。因此，多年生黑麦草被认为是研究金属（类金属）植物修复机制的有用植物模型。

然而，长期暴露于高浓度的多种金属（类金属）会对细胞壁和细胞内结构造成不可逆的损害[78]。因此，严重的金属污染会抑制植物生长，降低其修复效率[18],[66]。Song等人[70]在盆栽实验中发现，在土壤中铜（Cu）和铅（Pb）浓度分别为14-100毫克/公斤和15-170毫克/公斤的范围内，多年生黑麦草的发芽和幼苗生长受到抑制。因此，单一种植物对高污染土壤的植物修复效果有限。近年来，微生物在减轻金属（类金属）对植物影响方面的作用越来越受到关注。例如，接种Priestia megaterium可以显著增强抗氧化酶（SOD和CAT）的活性，减轻植物损伤[28]。此外，Chen等人[15]构建了一个结合了Enterobacter sp. EG1和Hibiscus cannabinus的协同修复系统，其中微生物产生的铁载体和吲哚-3-乙酸（IAA）促进了植物生长。铁载体可以螯合金属（类金属），从而降低其毒性并显著提高植物在受污染土壤中的修复效率[36]。因此，接种微生物以构建植物-微生物协同系统已成为提高金属（类金属）污染土壤生物修复效率的有效策略。

在受污染环境中，本土微生物演化出了强大的抗性机制以应对环境条件。从受污染环境中分离出的微生物对污染物具有高度耐受性[55]。在各种微生物中，Trichoderma属因其出色的金属（类金属）固定能力而受到广泛关注，主要表现为其在细胞壁和细胞外聚合物中的作用，同时还能产生促进植物生长的因子[6],[64],[85]。Trichoderma harzianum T11可以产生铁载体、果胶酶和3-吲哚乙酸，从而促进植物生长并增强环境适应性[61]。此外，Trichoderma属在根际的定殖可以改善根际环境，促进养分循环，并提高植物对金属（类金属）的耐受性[19]。由于Trichoderma属同时具有促进植物生长和固定金属（类金属）的能力，因此被认为是构建植物-微生物修复系统的理想候选者。

尽管人们对植物-微生物修复系统的兴趣日益增加，但仍有一些重要的问题尚未解决。目前关于砷污染土壤的研究主要集中在总砷的去除或植物积累效率上。然而，环境风险更多地与砷分体的分布相关，因为不同分体的移动性和生物可利用性各不相同。因此，仅基于总砷评估修复效果可能会忽略砷稳定过程中的关键变化。此外，虽然已知有益微生物可以提高植物修复效率[40]，但它们如何调节砷分体转化的机制仍不十分清楚。由于土壤中砷的转化主要由氧化、还原、甲基化和吸附等微生物过程介导，微生物群落结构的变化可能会直接影响砷分体的重新分布。然而，大多数研究主要集中在植物生理反应或微生物群落组成的变化上，而将微生物群落与砷稳定相关的生态过程则鲜有关注。越来越多的证据表明，微生物功能受到群落成员间相互作用的影响，但微生物相互作用网络对砷转化和稳定的贡献仍大部分未被探索。因此，需要综合研究砷分体转化、根际微生物群落动态和微生物相互作用，以深入理解微生物辅助植物修复的生态机制。

因此，本研究从受砷污染的土壤中分离出一种耐砷真菌Trichoderma viride YP-24，并与其结合多年生黑麦草（Lolium perenne L.）构建了一个协同修复系统。具体而言，本研究旨在：（i）评估黑麦草-YP-24系统在促进植物生长和降低砷环境风险方面的有效性；（ii）确定真菌接种如何影响土壤中砷分体的转化和稳定；（iii）阐明砷分体重新分布、根际微生物群落组装和微生物共现网络动态之间的关系。通过将砷分体分析与微生物群落和网络方法相结合，本研究提供了对植物-微生物修复系统中砷稳定生态机制的更全面理解。

章节片段

土壤特性

土壤采样自广州冶炼区的一个典型污染场所。土壤的物理化学性质见表S1。土壤中的砷浓度为1973.5毫克/公斤，远高于中国土壤背景值（11.2毫克/公斤）[51]。

真菌的分离与鉴定

使用添加了砷的土豆葡萄糖琼脂（PDA）培养基上的梯度稀释平板法从该土壤中分离出耐砷真菌。通过逐步筛选出具有高耐受性的菌株。

真菌的鉴定

从受砷污染的土壤中分离出一种丝状真菌YP-24。在PDA培养基上培养7天后，该真菌菌落呈现绿色和棉絮状形态（图S1），这是Trichoderma属的特征。YP-24菌株的ITS序列与Trichoderma viride的ITS序列有100%的相似性（图S2），证实了形态学观察结果。此后该真菌被命名为T. viride YP-24。

砷的生物吸附机制

砷的最小值

结论

本研究表明，在Trichoderma viride YP-24-黑麦草系统中，砷的稳定与微生物群落结构和砷分体重新分布的协调变化密切相关。真菌通过表面复合和可能的细胞内积累实现砷的固定，这是砷封存的重要途径，而植物驱动的根际过程与微生物群落组装和活性变化相关。这些变化...

CRediT作者贡献声明

Ying Cao：方法学研究。Robert Duran：撰写 – 审稿与编辑。Ning Min：验证、方法学研究。Jun Yao：监督、概念化。Sixuan Piao：撰写 – 原稿撰写、验证、方法学研究、正式分析、概念化。Bang Liu：方法学研究。Yuqing Ma：实验研究。Junjie Zhu：方法学研究。Chuiyun Tang：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国国家自然科学基金（42330713和42230716）、国家重点研发计划（2023YFC3707600和2023YFC3207300）、111项目（B21017）、中央高校基本科研业务费（2652023001）以及河南裕迪科技集团（[2025]62-23）的资助。感谢Hans H. Richnow提供的宝贵意见。

<中国地质大学（北京）水资源与环境学院，环境科学与工程研究中心，北京100083>