土壤重金属污染的微生物修复：固定化与提取策略功能的元分析

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Microbial Remediation of Heavy Metal Contamination in Soils: A Meta-Analysis of Immobilization and Extraction Strategies Functions

　　

•荟萃分析揭示了微生物土壤修复的功能分歧。
•固定化使籽粒金属含量减少 53.8%，茎叶金属含量减少 32.7%。
•辅助提取使组织金属含量增加 121.0%，生物量增加 67.0%。
•土壤 pH 值显著调节固定化下有效金属的减少。
•田间尺度证据仍然有限，需要长期验证。

引言

重金属（HM）污染土壤是一个全球性的环境问题，对土壤健康、生态系统稳定性和粮食安全构成长期威胁（Das 等，2025）。重金属具有持久性、不可生物降解性和高毒性，一旦释放到环境中，就会在土壤和生物体内积累。近几十年来，工业化、采矿、化石燃料燃烧、污水灌溉和农业化学品的广泛使用大大增加了农业土壤中重金属的含量，包括镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、锌（Zn）和铜（Cu）。在既有工业又有农业活动的地区，重金属污染导致土壤退化和耕地质量下降。此外，重金属胁迫显著限制了微生物代谢，加剧了土壤碳流失，对土壤生态系统的生物地球化学循环构成严重威胁（Wang 等，2020）。

土壤既是重金属的重要汇，也是潜在的二次释放源。一旦金属在土壤中积累，它们可以持续数十年或更长时间。它们不断与土壤矿物、微生物和植物根系相互作用。在所有暴露途径中，土壤 - 植物 - 人类的传输途径尤为关键。植物从土壤中吸收生物有效态金属，这些金属通过食物链进入人体。以前的研究表明，即使是中等程度的土壤污染也会提高可食用植物组织中的金属含量，造成长期健康风险（Xiong 等，2025）。因此，阻断重金属从土壤向作物转移现在是管理受污染农业系统的核心问题。

传统的土壤修复技术，如挖掘、化学稳定和土壤淋洗，被广泛用于解决重金属污染。这些技术可以快速降低金属的有效性或从土壤中去除污染物，但往往经济成本高昂。它们还可能破坏土壤结构或造成新的环境问题。此外，多物理和化学方法主要侧重于去除污染物，而不是帮助维持土壤生物活性和生态功能。这种侧重点限制了它们在农业生态系统中的长期可持续性（Akemu 和 Ehis-Eriakha，2022；Mi 等，2025；Yang 等，2025）。为了克服这些局限性，生物修复作为一种可持续的替代方案应运而生。与传统技术不同，它通过同时减轻污染和恢复土壤健康提供双重益处（Wu 等，2024）。

微生物修复是一种有前景的、环保的策略，用于处理重金属污染的土壤。土壤微生物表现出多样化的代谢能力和强大的耐金属性。它们通过各种生化过程调节重金属的形态、迁移率和生物有效性（Li 等，2017；Ren 等，2024；Soto 等，2019）。与许多工程方法不同，微生物修复可以原位进行，对土壤结构的破坏最小，并且可能有助于维持土壤肥力和生物活性（Wu 等，2024）。因此，微生物日益被认为是可持续土壤恢复研究中的关键因素（Atuchin 等，2023；Selim 和 Harun-Ur-Rashid，2025）。

从功能角度来看，微生物修复可以分为两种途径：固定化和提取。微生物固定化通过生物吸附、生物矿化或微生物代谢产物的络合作用，将重金属转化为迁移性较小或毒性较小的形态。这降低了金属的生物有效性及相关生态风险（Hakam 等，2023；S 和 R，2024；Shruthi 和 Hemavathy，2024）。微生物之间的相互作用也可以增加群落对重金属胁迫的适应性（Kong 等，2019；Li 等，2017）。这种策略在农业生产系统中尤为重要，其主要目标是减少作物中的金属积累并降低食物链转移风险。相比之下，微生物辅助提取旨在通过增强植物对重金属的吸收并促进其从土壤向可收获植物组织的转移来提高污染物去除率。这通常与利用超富集植物的植物修复相结合。微生物通过分泌有机酸、铁载体和氧化还原活性代谢产物来增加金属溶解度。它们的植物生长促进特性也有助于降低金属毒性并维持植物生物量。

关于微生物修复的实验研究正在增长。然而，报告的修复效果在各研究间差异很大。金属类型、土壤性质、微生物和植物物种以及实验设置等因素可能导致结果的显著差异。许多研究也专注于单一响应指标，如土壤有效金属含量或植物组织金属含量。更重要的是，之前的研究通常没有清楚区分两种不同的修复目标：减少金属生物有效性和作物积累以进行风险控制，以及增强植物金属吸收以去除污染物。这种功能重叠使得难以确定哪种微生物策略应被选用于安全农业生产，以及哪种策略更适合污染物去除。因此，需要将固定化相关的风险降低与提取相关的污染物去除分开进行定量综合，以改进对微生物修复研究的实际解释。

荟萃分析是连接独立研究、识别一般规律和探索变异来源的有效定量工具。尽管之前的研究已经总结了微生物重金属修复的机制，但明确根据修复目标区分固定化和提取的定量综合仍然有限。特别是，与固定化相关的结果和与提取相关的结果具有不同的实际意义，甚至相反的期望方向：固定化旨在减少金属生物有效性和作物积累，而提取旨在增加植物金属吸收以去除污染物。如果这些结果在没有明确功能区分的情况下进行评估，就很难将实验结果转化为实际修复策略。当综合考虑土壤过程、植物反应和修复目标时，这一点尤为重要（Havryliuk 等，2021；Li 等，2025a）。

本研究使用荟萃分析评估微生物修复策略对重金属污染土壤的影响。它从修复目标的角度清楚地区分了固定化和提取策略。目的是（i）定量评估微生物固定化对食用和营养植物部分中重金属积累以及土壤金属生物有效性的影响；（ii）分析微生物辅助对植物修复系统中金属提取效率和植物生物量的影响；以及（iii）识别影响修复结果的关键环境和实验因素，包括土壤 pH 值、金属类型、微生物类型和实验设置。通过分离风险降低和污染物去除，本研究提供了微生物修复效果的以目标为导向的综合分析，并为选择适合重金属污染土壤的策略提供了科学依据。

章节片段

文献检索与筛选

对三个电子数据库进行了系统文献检索，包括 Web of Science、CNKI 和 PubMed，检索范围为 2015 年 1 月至 2025 年 10 月发表的研究。检索策略基于与微生物接种剂、重金属污染、土壤基质以及土壤污染或修复相关的特定于数据库的术语组合。因为不同的数据库使用不同的索引系统和搜索字段，所以针对 Web of Science、CNKI、PubMed 使用了单独的搜索字符串。

研究选择与特征

通过对三个电子数据库进行系统文献检索，确定了 342 条潜在相关记录，包括来自 Web of Science 的 164 条记录、来自 CNKI 的 123 条记录和来自 PubMed 的 55 条记录。在删除 59 条重复记录后，剩余 283 条唯一记录用于标题和摘要筛选。根据此筛选，排除了 55 条记录，因为它们明显与研究问题无关，例如关于非微生物修复或非重金属污染物的研究。

讨论

在本研究中，通过荟萃分析整合了现有研究结果，并系统地和定量地评估了微生物在土壤重金属修复中的不同作用途径。总体结果表明，微生物修复表现出明显的功能分化：一种途径主要用于降低环境风险，另一种则专注于提高污染物去除效率。具体来说，微生物固定化策略。

结论

本荟萃分析通过区分土壤 - 植物系统中的固定化和提取功能，提供了对重金属污染土壤微生物修复策略的定量评估。主要结论如下：

（1）固定化和提取策略的功能分化得到了明确支持。微生物固定化策略显著减少了重金属积累和生物有效性，使籽粒金属含量减少。

CRediT 作者贡献声明

许胜军：验证，形式分析。秦雪：数据整理。傅晓青：可视化。王楠楠：监督，项目管理，概念化。于硕：方法论，数据整理。袁辰：调查。黄亚丽：验证，方法论。胡燕：调查。李在兴：写作 – 回顾 & 编辑，监督，项目管理，概念化。臧小战：写作 – 原始草稿，验证，方法论，形式分析。

未引用参考文献

Rathi 和 AuthorAnonymous，2021 年。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这可能会出现在影响本论文报告工作的地方。

数据可用性

数据应要求提供。

竞争利益声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这可能会出现在影响本论文报告工作的地方。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划的支持（项目编号 2022YFC3701302）。作者还感谢匿名审稿人提出的有助于提高我们论文质量的建议。

李在兴 | 臧小战 | 于硕 | 袁辰 | 黄亚丽 | 许胜军 | 秦雪 | 傅晓青 | 王楠楠 | 胡燕