《Environmental Technology & Innovation》：Responses of Pb and Cd extractability, sorghum accumulation, and rhizosphere microbial communities to EDDS under PBS microplastic co-contamination
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微塑料可改变土壤中共存重金属的行为及生态效应，但[S,S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）对微塑料-重金属复合系统的响应仍知之甚少。研究人员采用高粱（sorghum）进行盆栽试验，土壤中镉（Cd）、铅（Pb）与聚丁二酸丁二醇酯（PBS）共污染。通过施加不同累积ED
微塑料可改变土壤中共存重金属的行为及生态效应，但[S,S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）对微塑料-重金属复合系统的响应仍知之甚少。研究人员采用高粱（sorghum）进行盆栽试验，土壤中镉（Cd）、铅（Pb）与聚丁二酸丁二醇酯（PBS）共污染。通过施加不同累积EDDS剂量，评估了处理相关的植物生长、金属积累、土壤性质及根际细菌和真菌群落的变化。Pb-Cd共污染显著抑制高粱生长，且在所测试的重金属条件下，PBS添加与更强烈的生长抑制相关。EDDS在部分处理中略微增加了株高，但未一致性地改善生物量。EDDS处理总体增加了二乙烯三胺五乙酸（DTPA）可提取态Cd和Pb，但这些增加并未一致地转化为更高的植物金属积累，因为生物量未同步提高。在固定EDDS条件下，增加PBS加载量与更高的金属提取性但逐渐降低的高粱生物量相关，表明金属活化与植物生长表现之间存在权衡。PBS和EDDS水平不同的处理组也表现出不同的根际土壤性质和微生物群落结构。细菌群落分化在处理间更为显著，而真菌丰富度指数的变化相对突出。DTPA可提取态Pb和Cd、速效钾及速效磷与根际微生物群落变化显著相关。DTPA可提取态金属的变化也与植物金属积累模式相关。这些发现描述了在所测试的PBS-Pb-Cd共污染条件下，处理相关的植物-土壤-微生物对EDDS的响应，并强调了在螯合剂辅助植物提取过程中金属活化与维持植物生长表现之间的权衡。
**EDDS辅助植物提取在PBS微塑料与Pb-Cd共污染条件下的效应：基于高粱盆栽试验的多维度分析**
**一、研究背景与科学问题**
土壤重金属污染是当前全球面临的重大环境问题之一。镉（Cd）和铅（Pb）是农业土壤中两种常见的重金属污染物，具有高毒性、高迁移性，易被植物吸收积累，可抑制植物生长、干扰养分吸收，对农产品安全和人体健康构成潜在风险。除重金属外，微塑料污染也逐渐成为土壤生态学的研究热点。微塑料颗粒小、比表面积大、表面官能团丰富，可在土壤中长期残留并与其他污染物发生交互作用。研究表明，微塑料可通过吸附、解吸和表面络合等过程改变重金属在土壤中的迁移、转化和生物有效性，进而影响植物吸收和毒性效应。与传统微塑料相比，可生物降解微塑料（如聚丁二酸丁二醇酯，PBS）的环境行为更为复杂。PBS作为典型的可生物降解聚酯材料，在农业和包装领域应用日益广泛，进入土壤后可能改变土壤结构和理化性质，并通过吸附、络合或根际环境变化影响重金属的迁移性、有效性和生态效应。然而，关于可生物降解微塑料与重金属共污染的研究仍相对有限。
在重金属污染土壤修复中，螯合剂常被用于提高金属迁移性和提取性以促进植物吸收。[S,S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）是一种可生物降解螯合剂，其环境兼容性优于传统乙二胺四乙酸（EDTA）。已有研究表明EDDS可提高土壤中重金属的迁移性，但其效应受施用浓度、土壤性质、污染类型和共存因子影响，并非总是积极的。增强的金属活化并不必然转化为更高的植物提取效率，因为过度活化可能增加植物金属暴露、抑制生物量产生，从而抵消组织金属浓度增加带来的收益。在微塑料存在下，EDDS相关的金属行为变化和植物积累可能更加复杂。此外，根际微生物是连接土壤环境与植物响应的重要纽带，细菌和真菌共同参与有机物分解、养分循环、重金属转化和植物抗逆性等过程。然而，在PBS与Pb-Cd同时污染条件下，植物、土壤和根际微生物对EDDS的响应信息仍然有限。
基于此，研究人员选取高粱（sorghum）作为测试植物，高粱是一种高生物量能源植物，具有生长快、适应性强、对污染环境耐受性高等特点，在植物修复研究中具有良好的应用潜力。本研究在预定义的共污染条件下评估处理相关的响应，旨在：(1) 表征固定PBS-重金属胁迫（HMS）条件下EDDS相关的Pb和Cd提取性变化及高粱吸收特征；(2) 评估固定EDDS施用率下沿PBS加载量梯度增加的植物生长、金属吸收和根际性质变化；(3) 确定增加的金属提取性能否转化为更高的植物总金属积累，还是这一潜在收益受生物量降低所制约。
**二、主要技术方法**
本研究采用盆栽试验方法。供试土壤采集自中国河南省南阳市南阳师范学院西校区石榴园周围0-20 cm表层土，土壤类型为黄棕壤（按世界土壤资源参考基础分类），有机质含量15.89 g·kg?1，全氮1.31 g·kg?1，全磷1.93 g·kg?1，pH为7.40，背景Cd和Pb浓度低于检测限。试验设计包含两个处理梯度：在固定HMS+0.5%PBS条件下设置EDDS剂量梯度（0.6、1.5、3.0 mmol·kg?1）；在固定HMS+1.5 mmol·kg?1 EDDS条件下设置PBS加载量梯度（0.1%、0.5%、1.0%）。重金属污染浓度为Cd 20 mg·kg?1、Pb 500 mg·kg?1。每处理设3个重复。高粱品种为京东天甘100，生长60天后采集植株和根际土壤样品。植物和土壤中金属浓度采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定；土壤DTPA可提取态Cd和Pb采用DTPA提取-ICP-OES法测定；土壤pH采用电位法（土水比1:5）测定，速效磷（AP）采用NaHCO?提取-钼锑抗比色法测定，速效钾（AK）采用NH?OAc提取-火焰光度法测定。根际土壤细菌和真菌群落结构通过Illumina NovaSeq平台高通量扩增子测序分析，分别扩增16S rRNA基因V3-V4区和ITS区。数据分析采用单因素方差分析（ANOVA）、Duncan多重比较、Kruskal-Wallis秩和检验、主坐标分析（PCoA）、相似性分析（ANOSIM）、线性判别分析效应量（LEfSe）、冗余分析（RDA）和Mantel检验。
**三、研究结果**
**3.1 不同处理对高粱生长的影响**
与对照（CK）相比，HMS处理的高粱地上部和地下部长度分别降低8.83%和14.16%，地上部和地下部干重分别降低25.05%和24.90%。在HMS基础上添加0.5%PBS后，高粱各生长指标进一步下降，表明PBS添加与更强烈的生长抑制相关。在HMS+0.5%PBS条件下添加不同浓度EDDS后，高粱地上部长度略有增加（增幅2.87%-4.93%），但地下部长度反而下降，且干重未表现出同步增加。在固定EDDS浓度（1.5 mmol·kg?1）条件下，随着PBS浓度从0.1%增加至1.0%，高粱地上部和地下部干重分别最大下降36.64%和35.84%，表明增加PBS加载量伴随更差的植物生长表现。
**3.2 不同处理对高粱Cd和Pb浓度、积累量及转运的影响**
与HMS处理相比，HMS+0.5%PBS处理高粱地上部和地下部Cd浓度分别增加11.27%和20.27%，Pb浓度分别增加4.26%和10.36%。在HMS+0.5%PBS基础上添加EDDS后，组织金属浓度呈处理依赖性变化，3.0 mmol·kg?1 EDDS处理下地上部Cd浓度增加20.07%，Pb浓度增加27.33%。然而，金属积累量（浓度×干重）的变化不如浓度变化一致，因为生物量未同步提高。所有处理的转运系数（TF）均小于1，表明金属在根部保持较高浓度。3.0 mmol·kg?1 EDDS显著提高了Cd和Pb的TF值（分别从0.62和0.63增至0.81和0.80），但根部浓度仍高于地上部。在固定EDDS条件下，PBS加载量增加至1.0%时，地上部和地下部Cd积累量分别降低35.53%和25.74%，Pb积累量分别降低31.51%和15.10%。
**3.3 不同处理对根际土壤理化性质和DTPA可提取态Cd和Pb的影响**
在HMS基础上添加0.5%PBS后，DTPA-Pb、DTPA-Cd和AP分别增加23.98%、16.93%和11.37%，表明PBS添加与更高的DTPA可提取态金属浓度和土壤速效磷变化相关。在HMS+0.5%PBS条件下添加EDDS后，DTPA-Pb和DTPA-Cd总体呈增加趋势，1.5和3.0 mmol·kg?1 EDDS处理显著提高了DTPA-Pb和DTPA-Cd含量。在固定EDDS（1.5 mmol·kg?1）条件下，随着PBS浓度从0.1%增至1.0%，DTPA-Cd和DTPA-Pb持续增加，而AP和AK总体呈下降趋势。
**3.4 不同处理下高粱根际土壤微生物群落组成分析**
细菌群落的Chao1和ACE指数在处理间无显著差异，但Shannon和Simpson指数存在显著差异，表明细菌多样性和均匀度受处理影响。真菌群落的Chao1和ACE指数在处理间差异显著，PBS处理组的真菌丰富度指数普遍高于CK和HMS处理。PCoA和ANOSIM分析显示，细菌群落结构在处理间差异显著（R=0.90972，P=0.001），真菌群落结构差异亦显著（R=0.5038，P=0.001），但细菌群落的处理间分化更为明显。LEfSe分析识别出各处理特有的生物标志物：HMS处理以Gemmatimonadaceae和Stachybotrys为代表；HMS+0.5%PBS处理以Sphingomonadaceae、Nocardioides和Knufia为特征；不同EDDS剂量处理各有其标志性类群。
**3.5 根际土壤微生物组成与环境因子的相关性分析**
RDA分析表明，DTPA-Pb、DTPA-Cd、AK和AP与细菌和真菌群落结构变化显著相关。对细菌群落而言，AK拟合度最高（r2=0.80816，P=0.001），其次为DTPA-Pb（r2=0.68971，P=0.001）、DTPA-Cd（r2=0.66615，P=0.001）和AP（r2=0.41992，P=0.005）。对真菌群落而言，DTPA-Cd拟合度最高（r2=0.48733，P=0.003），其次为DTPA-Pb、AK和AP。Mantel检验进一步证实，细菌和真菌群落结构与DTPA可提取态Cd和Pb及土壤养分因子显著相关，植物Cd和Pb积累与真菌群落结构呈中等正相关。
**四、讨论与结论**
本研究表明，Pb-Cd共污染显著抑制高粱生长，PBS添加加剧了这种抑制效应。EDDS处理总体增加了DTPA可提取态Cd和Pb浓度，但这种增加未一致性地转化为更高的植物金属积累，因为生物量未同步改善。在固定EDDS条件下，PBS加载量增加与更高的金属提取性和更低的植物生物量相关，表明金属活化与植物生长维持之间存在权衡。根际微生物群落对处理表现出差异性响应：细菌群落组成在处理间的分化更为显著，而真菌群落的丰富度指数变化更为突出。DTPA可提取态金属和土壤养分状况是驱动根际微生物群落变化的重要环境因素。值得注意的是，由于本研究未采用全因子设计，PBS和EDDS的独立主效应及其交互作用无法在统计上分离，且PBS加载量（0.1%-1.0%）高于当前田间报道的微塑料浓度水平（3.12-7.99 mg·kg?1），因此研究结果应被解读为高浓度实验污染条件下的处理依赖性响应，而非普适性的交互效应或田间尺度预测。此外，研究人员未直接测定EDDS残留量、PBS降解程度、植物生理胁迫指标及微生物功能基因，相关机制解释仍需进一步实验验证。
研究结论如下：在固定HMS+0.5%PBS条件下，增加EDDS施用量总体与更高的DTPA可提取态Cd和Pb相关，但这并未一致性地导致更大的高粱金属积累。在固定EDDS处理下增加PBS加载量伴随着更大的生长抑制和土壤养分状况变化，凸显了较高PBS加载量、较差的植物生长表现和有限的植物提取收益之间的关联。根际细菌和真菌群落因处理而异，并与可提取态金属和土壤养分的变化相关，但现有数据尚不能确定潜在的微生物功能机制。本研究识别了金属提取性增加与植物生长表现维持之间的处理相关权衡，强调增强的金属活化本身不应等同于改善的植物提取效率。该研究为理解可生物降解微塑料与重金属共污染条件下螯合剂辅助植物修复的复杂效应提供了重要参考，并为后续优化修复策略提供了理论依据。
