行业资讯
行业资讯
行业资讯
Industry News
重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐
2025-06-23

随着工业化进程的加速,重金属污染问题日益严重。与有机物不同,重金属本身难以降解,容易在环境中持续积累。当土壤中重金属含量高于安全标准时,就会导致生态环境恶化,这种现象就是重金属污染。污染土壤中的重金属会在土壤和植物中进一步积累,最终对人类健康构成威胁


一、重金属污染的概述


重金属因其高密度、强毒性及不易降解等特性,在环境中具有严重的潜在危害。常见的重金属污染物包括镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)和铬(Cr)等。

这些重金属可以通过自然和人为途径进入环境,并且沉积在土壤、水体或空气中。一部分重金属离子会附着在土壤中的矿物颗粒上,或者通过化学反应以沉淀的形式被固定在土壤中,另一部分被植物根系吸收,然后运输至植物地上部分,被食植性动物食用后积累在动物体内;在水中,重金属离子被悬浮颗粒吸附后沉降至水底,被一些生物食用。最终,这些生物不可降解的重金属都会进入食物网,通过食物链进行积累,并在浓度到达一定范围后,对人类以及动植物的健康产生有害影响。


二、重金属污染对土壤的影响

一旦土壤中重金属含量增加,超过其自身承载能力,就会导致土壤质量下降,进而引起农作物减产和农产品质量降低。重金属污染对土壤生态系统的影响主要体现在以下几个方面:

(1) 重金属对土壤微生物量的影响

土壤中,微生物类群主要包括细菌、真菌、放线菌等,其中以细菌的种类及数量最多,其次是放线菌,不过,具体的组成比例会因土壤类型及周边环境的不同而存在差异。土壤微生物数量的变化能较敏感地反映土壤环境质量的变化。将外源重金属添加到土壤中,结果发现,土壤中三大类微生物数量均呈现下降趋势。严重的重金属污染能抑制土壤微生物的生长,降低其生物量,其中细菌数量减少最明显,放线菌次之,最后为真菌。

(2)重金属对土壤微生物群落的影响 

土壤微生物群落能够较好地反映土壤稳定性及生态机制。一般来说,土壤长期受到重金属的污染,会减弱土壤微生物的作用,使得土壤微生物群落数量明显减少,部分物种甚至会消失,最终导致土壤质量降低。例如,随着5种重金属(As、Cd、Zn、Pb和Cu)污染程度的增加,土壤中细菌和真菌群落的多样性均呈明显下降趋势,其中,重金属污染对真菌种群丰富度的影响比细菌更明显。重度重金属污染对土壤微生物有抑制作用,轻度重金属污染对土壤微生物有激活作用。

(3)重金属对土壤酶活性的影响

在土壤微生物中,土壤的发育、肥力形成、转化及净化等生物化学代谢过程几乎都是在土壤酶的参与下完成的。由此可见,土壤酶是土壤微生物化学代谢过程的重要参与者,其活性大小不但反映土壤肥力及代谢进程,而且反映土壤重金属污染程度,因此它是研究重金属污染土壤微生物特征的重要途径。土壤酶种类庞杂,其中被广泛关注的是包括过氧化氢酶、脱氢酶、脲酶及碱性磷酸酶等在内的与碳、氮、磷循环相关的几种酶。

(4)重金属对土壤呼吸强度的影响

土壤呼吸是指土壤微生物进行代谢而产生CO2的过程。土壤呼吸强度能有效反映土壤微生物的代谢能力和活性,是衡量土壤微生物总活性的重要指标之一。以山林土和田园土为研究对象,结果发现,Cd对土壤微生物活性有明显的抑制作用,随着Cd含量的升高,土壤呼吸强度、土壤酶活性(过氧化氢酶及脲酶)均呈下降趋势。因此,土壤呼吸强度的下降是重金属胁迫下土壤微生物群落代谢活性减弱的重要体现。

三、重金属污染对植物的影响
土壤中的大部分微量元素是植物生长发育过程中必需的。对于不同的重金属元素,每种植物都有一定的耐受范围。适宜的浓度有利于促进植物的萌发和生长,但如果重金属浓度过高,则会导致植物中毒。
(1)重金属离子对植物种子萌发的影响 

重金属对植物种子萌发有着促进作用和抑制作用。抑制效果随重金属离子浓度和胁迫时间的增加而增加。研究发现,当用低浓度的重金属溶液胁迫植物种子时,可促使种子的萌发,而当使用高浓度重金属溶液胁迫时,呈现的是抑制萌发。用不同浓度的铜离子溶液对波斯菊种子进行胁迫处理,研究发现,随着铜离子浓度的增加,波斯菊花种子的发芽势、发芽率和发芽指数先升高后降低;并且根和苗高的抑制作用也增强。

(2)重金属对植物生长发育的影响

Cd,As,Pb等重金属是植物生长的非必需元素,毒性大,可破坏植物生化活性。重金属进入植物体内,会与植物细胞核发生协同作用,改变叶绿体内部结构,减少叶绿素生成,抑制光合作用相关酶的活性,进而抑制植物的光合作用,使植株表现为矮小、叶枯黄。一定浓度的重金属元素,会影响植物对必需元素的吸收并产生拮抗作用,浓度高时可直接导致植物死亡。

(3)重金属对植物细胞膜透性的影响

植物细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的天然屏障,同时也为植物生理生化反应提供了稳定的环境。植物细胞膜最重要的特性即选择透过性,有选择地调节、控制细胞内外物质的运输和交换。当植物受到重金属胁迫时,细胞膜的选择性机能受损,透性增加,影响植物叶片细胞质膜的组成。植物失去了保护屏障,离子和有机物渗出细胞膜外,有害物质进入细胞内,从而影响了细胞内酶及代谢反应。通常通过测定植物细胞膜外渗透液电导度和钾离子含量来研究重金属对细胞膜的伤害程度。

(4)重金属对植物游离脯氨酸的影响

游离脯氨酸是植物体内水溶性最大的氨基酸,其疏水端与蛋白质结合,亲水端与水分子结合。蛋白质利用其较强的水合能力束缚水分子,防止植物体在渗透胁迫条件下脱水变性。当植物细胞含水量很低时,游离脯氨酸能提供足够水分,保证植物细胞正常的生理活动。植物处于逆境胁迫时,游离脯氨酸含量显著增加。因此,游离脯氨酸含量对植物所处环境具有一定指示作用。重金属胁迫致使植物体水分缺失,通过产生一定量的脯氨酸来调节植物细胞水分平衡,降低植物细胞受损程度。

(5)重金属对植物保护酶系统的影响

重金属胁迫使植物产生大量自由基,自由基过多可破坏植物细胞膜。SOD,POD,CAT是植物重要的抗氧化酶,可清除过量的自由基。SOD可将O2-转化为H2O2,CAT与POD可将H2O2转化为H2OO2。3种酶协同作用,可使植物免受自由基损害。重金属浓度低时,保护酶活性在活性氧自由基诱导下上升;而随着胁迫程度增加,SOD,POD,CAT活性降低,最终使植物细胞受到迫害。Cu,Fe,Cd均通过增加植物自由基对植物造成毒害,Cu能力最强,Cd最弱。因Cu直接参加植物生理反应使植物自由基增加,Cd则是通过降低清除H2O2的酶活性导致H2O2积累,破坏植物保护酶系统,影响植物对重金属的抗性。

四、土壤重金属的植物与微生物修复机制
(1)植物对重金属的修复机制
  • 植物挥发是利用某些植物特殊的根系对所处位置土壤中的重金属进行吸收或者是植物的根茎产生的物质与重金属反应,使其升华为气态,挥发到空气中,从而起到土壤重金属的净化。

  • 植物固着的原理是某些植物在土壤中的部分,可以通过本身吸收养分过程中或者分泌某些物质与土壤中的重金属进行反应,使重金属从分子变成原子甚至高价态离子,从而固着在植物上,随着植物的土壤下部分被清除,土壤或地下水中的重金属含量也会下降,达到将土壤中重金属分离的目的。

  • 植物提取与植物固着有着类似的原理,通过某些特定植物的种植,重金属通过植物的根系吸收,源源不断转移到植物的地上部分,随着植物地上部分的清除,相应土壤中的重金属含量会随着下降。

(2)微生物对重金属污染土壤的修复机制

微生物广泛存在于土壤中,其对重金属土壤的修复净化同样起着不可或缺的作用。首先,有的微生物在存活过程中,会吸收土壤中的重金属,从而降低重金属含量,起到保护植物的作用。其次,微生物在自身生长过程中,产生的某些物质,可以作为植物吸收重金属的催化剂,如有机酸和养分。

(3)不同植物对土壤重金属的修复作用差异

不同植物对不同种类重金属的修复作用存在差异。研究发现,苋菜、狗尾草和紫薇可作为镉高富集植物来净化土壤,紫花苜蓿、芒萁、蟛蜞菊、臭牡丹、马尾松、木姜子、臭椿、枳、凤尾蕨可作为修复镉先行植物。车前、紫花苜蓿、芦苇、银合欢、爬山虎、野蔷薇、云南黄馨、臭椿和紫穗槐对重金属锌的富集能力较强。夏至草、芒萁对重金属铅的富集系数较高,为铅超富集植物;除此之外,红豆草、芦苇、银合欢、臭椿、梭梭、马桑、臭牡丹、马尾松、木姜子、茉莉花、金叶女贞、黄刺玫和美洲黑杨对铅的富集和转运能力较强。蜈蚣草可作为修复砷污染的先行植物,对砷的富集和转运能力较强的还有芒萁、臭牡丹、马尾松和木姜子。旋刺花、大花紫薇、红豆草、爬墙虎和梭梭对重金属铜有一定的富集潜力。

五、文献分享
促进植物生长内生菌的单独和联合接种提高蓖麻对铜/镉污染土壤的修复
重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

期刊名称:Journal of Hazardous Materials

影响因子:12.2
DOI:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138750
1.研究内容
农田土壤中的重金属会直接影响农作物的生长和发育,导致农产品生产安全问题,进而威胁人类健康。近年来,许多研究提出使用对重金属具有良好耐受性和积累能力的高生物量经济作物来修复受污染的土壤。蓖麻(Ricinus communis L.)因其高积累能力而具有修复重金属污染土壤的潜力。本研究使用了四种内生菌株(TR16、TR18、TR21和YS3),以研究它们单独和联合接种对蓖麻吸收铜/镉以及两种土壤(碱性S1,酸性S2)根际理化性质的影响。结果表明,蓖麻对铜/镉的吸收量在内生菌株联合接种处理中最高。接种处理显著提高了根际土壤中蔗糖酶、酸性和碱性磷酸酶的活性。草酸和可溶性有机碳(DOC)含量显著增加,提高了土壤中铜/镉的生物有效性。菌株TR18、TR21和YS3可成功定殖于根际土壤中。内生菌接种增加了参与土壤养分循环的细菌的相对丰度,且效果各异。根据转录组分析表明,苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及抗氧化酶活性在增强蓖麻对重金属的耐受性方面发挥重要作用。TR21接种可提高植物对铜/镉的抗性。
本研究的主要内容如下:(1)研究内生菌单独和联合接种对两种土壤(碱性S1,酸性S2)中蓖麻积累铜/镉的影响;(2)评估内生菌接种对土壤根际环境及微生物群落结构的影响和调控作用;(3)利用转录组分析揭示内生菌接种提高蓖麻对重金属耐受性的可能分子机制。
2.研究结果

(1)两种污染土壤中蓖麻的生物量

内生菌单独和混合接种(H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21)对两种土壤中蓖麻生长的影响(图1)。蓖麻能够在碱性(S1)和酸性(S2)重金属污染土壤中良好生长。每种接种处理均显著促进了蓖麻的生长,并增加了其根生物量、地上生物量和蒴果产量。在S1土壤中,单独和混合接种使蓖麻根、茎和蒴果的干重分别增加了18.1%-37.3%、17.3%-27.3%和10.6%-25.9%。其中,与菌株TR16、TR18和TR21的单独接种处理相比,这三种内生菌的混合接种(H2处理)促进更高的根和茎生物量,蓖麻的地上生物量在H2处理下最高。在S2土壤中,菌株TR16、TR18、TR21和YS3的单独和混合接种使蓖麻根、茎和蒴果的干重分别增加了24.0%-43.8%、24.4%-42.5%和7.3%-21.0%。其中,H1处理的蓖麻地上生物量最高。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图1. 内生菌接种对S1(碱性)和S2(酸性)土壤中蓖麻生长的影响。相同颜色条形上的不同字母表示处理间存在显著差异(p<0.05;Duncan)。CK:未接种处理;TR16:接种菌株TR16;TR18:接种菌株TR18;TR21:接种菌株TR21;YS3:接种菌株YS3;H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21。

(2)两种污染土壤中蓖麻的铜/镉含量和积累

如图2A-D所示,S2土壤中蓖麻根的铜含量显著高于S1土壤,茎的铜含量也表现出类似趋势。与未接种处理相比,接种处理在不同程度上提高了蓖麻根的铜浓度(图2A和B)。在S1中,TR16、TR21、YS3、H1和H2处理显著提高了蓖麻根的铜含量,增加了36.3%-58.5%。在S2中,TR21、H1和H2处理显著提高了根的铜含量,增加了20.2%-29.3%。此外,在两种土壤中,H2处理下的根铜含量最高。在S1中,TR18、TR21、YS3、H1和H2处理下,茎的铜含量显著增加了10.7%-30.9%。在S2中,H1接种使茎的铜含量显著增加了6.4%。内生菌的单独和混合接种有效促进了两种土壤中蓖麻组织对铜的积累,S2中的总铜吸收量明显高于S1。对于S1,与CK处理相比,蓖麻根和茎的铜积累分别显著增加了40.3%-108.8%和33.2%-67.1%。与CK处理的527μg/株相比,H1和H2处理下蓖麻的总铜吸收量分别达到918μg/株和984μg/株。此外,与TR16、TR18和TR21的单独接种处理相比,联合接种处理(H2)对增强蓖麻中铜积累的效果更为显著。对于S2,在接种处理下,蓖麻根和茎中的铜积累分别增加了47.0%-58.7%和19.5%-51.4%。尽管在这些接种处理之间,蓖麻根中铜的总积累量没有显著差异,但H1处理的蓖麻地上部分铜积累量最高(622μg/株)。

蓖麻组织中的镉含量和积累情况见图2E-H。在S1中,蓖麻根和茎的镉含量在六种接种处理下分别增加了7.6%-35.3%和5.2%-17.1%。在S2中,H1和H2处理显著增加了蓖麻根的镉含量,分别增加了26.5%和32.0%,而TR21和YS3处理也在一定程度上增加了根的镉含量,但差异不显著。TR16、H1和H2处理分别增加了蓖麻茎的镉含量14.5%、19.7%和3.3%。与四种内生菌单独接种相比,两种混合接种处理(H1和H2)在增加根镉含量方面效果更为显著,且在H2处理下观察到最高的根镉含量。

与CK处理相比,在S1土壤中,接种处理使蓖麻根和茎的镉积累分别增加了28.4%-72.4%和27.5%-46.6%。在H2处理下,镉的总吸收量达到40.7μg/株,地上部分镉积累量也最高,为31.1μg/株。在S2土壤中,蓖麻根和茎的镉积累分别增加了14.6%-63.9%和22.8%-72.3%。在H1和H2处理下,蓖麻对镉的总吸收量高于四种单独接种处理,分别为57.1μg/株和49.6μg/株。在H1处理下,观察到最大的茎镉吸收量,为38.0μg/株。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图2. 内生菌接种对蓖麻中铜/镉浓度和积累的影响。S1土壤中蓖麻的铜浓度(A)和积累(C);S2土壤中蓖麻的铜浓度(B)和积累(D);S1土壤中蓖麻的镉浓度(E)和积累(G);S2土壤中蓖麻的镉浓度(F)和积累(H)。相同颜色条形上的不同字母表示处理间存在显著差异(p<0.05;Duncan)。CK:未接种处理;TR16:接种菌株TR16;TR18:接种菌株TR18;TR21:接种菌株TR21;YS3:接种菌株YS3;H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21。

(3)两种污染土壤中土壤酶活性、有机酸和DOC含量

如表1所示,内生菌的接种对土壤脲酶活性(Ure)影响较小,但显著影响了两种土壤中蔗糖酶(Suc)、酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(ALP)的活性。与CK相比,S1土壤中Suc、ACP和ALP的活性分别显著提高了33.7%-51.6%、37.4%-54.1%和15.1%-24.7%。S2土壤中这些酶的活性分别提高了45.9%-77.3%、11.2%-33.3%和33.9%-56.5%。此外,与四种单独接种处理相比,两种混合接种处理(H1和H2)在S1土壤中ALP活性更高,在S2土壤中ACP活性更高。

草酸存在于两种土壤中,与其他有机酸相比含量最高,且其在S1中的含量显著高于S2。在接种处理下,根际土壤中的草酸和醋酸含量基本保持不变。在S1中,除YS3接种外,其他五种处理下的草酸含量比CK处理显著增加了32.2%-79.7%。在S2中,除H1处理外,其他处理下的草酸含量增加了14.9%-58.5%。菌株TR21接种得到了最大的含量,分别为596mg/kg(S1)和233mg/kg(S2)。此外,与未接种处理相比,S1中接种处理下的乳酸含量增加了11.4%-27.8%。与未种植土壤(S1:42.3mg/kg;S2:42.9mg/kg)相比,种植蓖麻显著增加了土壤DOC含量,内生菌的接种进一步增加了土壤DOC含量。然而,单独接种和混合接种处理之间的土壤DOC含量没有显著差异。与未接种土壤相比,接种处理在S1土壤中增加了17.0%-23.6%的土壤DOC含量,在S2土壤中增加了11.1%-30.3%。

表1. 内生菌接种对蓖麻根际土壤中酶活性、有机酸和土壤DOC含量的影响。同一列中的不同字母表示处理间存在显著差异(p<0.05;Duncan)。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

CK:未接种处理;TR16:接种菌株TR16;TR18:接种菌株TR18;TR21:接种菌株TR21;YS3:接种菌株YS3;H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21。

(4)内生菌接种对根际土壤pH和Cu/Cd有效性的影响

如表2所示,内生菌的接种对土壤pH影响较小,但有效Cu和Cd含量发生了不同程度的变化。在S1中,与CK处理相比,不同接种处理下土壤DTPA(二乙烯三胺五乙酸)可提取Cu含量增加,而HOAc(乙酸)可提取Cu含量不同程度降低。土壤DTPA可提取Cd含量变化不大,但HOAc可提取Cd在接种处理下增加了4.1%-19.7%。在TR21、YS3、H1和H2处理下,HOAc可提取Cd显著增加。与单独接种处理相比,H1和H2处理对HOAc可提取Cd的增强作用更为显著。在S2土壤中,与CK处理相比,六种接种处理降低了CaCl2可提取Cu含量,但HOAc可提取Cu增加了1.8%-3.3%。在H1和H2处理下,CaCl2可提取Cd含量分别降低了9.9%和10.2%,但在单独接种处理下增加了5.0%-13.8%。HOAc可提取Cd含量显著增加了12.2%-35.3%,其中H2处理的增加量最高。

表2. 内生菌接种对根际土壤pH和铜/镉生物有效性的影响。同一列中的不同字母表示处理间存在显著差异(p<0.05;Duncan)。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐
CK:未接种处理;TR16:接种菌株TR16;TR18:接种菌株TR18;TR21:接种菌株TR21;YS3:接种菌株YS3;H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21。

(5)根际微生物组的多样性和组成

根际微生物组的组成
六种接种处理对蓖麻根际细菌的多样性和丰度没有显著影响,但诱导了细菌群落组成的差异。此外,两种土壤中蓖麻的根际细菌群落组成存在差异。基于门水平(图3A),发现变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)是两种土壤中蓖麻根际土壤中存在的优势门。S2中酸杆菌门的相对丰度显著高于S1。此外,芽单胞菌门(Gemmatimonadota)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、硝螺旋菌门(Nitrospirota)和黏细菌门(Myxococcota)也是S1土壤中的优势门。六种接种处理显著增加了Bdellovibrionota的相对丰度,其在S1中从0.24%增加到0.29%-0.87%,在S2中从0.10%增加到0.11%-0.16%。此外,H1处理还显著增加了两种土壤中Myxococcota的相对丰度。在科水平(图3B),黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、伯克霍尔德菌科(Burkholderiaceae)和鞘氨醇单胞菌科(Sphingomonadaceae)是两种土壤中前三大优势科,但它们的丰度差异显著。六种接种处理增加了两种土壤中鞘氨醇单胞菌科的相对丰度,从CK处理的17.4%增加到18.5%-22.9%(S2)和从6.9%增加到7.2%-8.3%(S1)。此外,S1中肠杆菌科(Enterobacteriaceae)的相对丰度在TR18、TR21、YS3、H1和H2接种下从0.076%(CK)增加到0.49%-2.5%,S2中从0.063%(CK)增加到0.12%-3.5%。
为了进一步分析内生菌接种的影响,使用热图显示属水平上细菌群落的分布(图3C和D)。结果表明,六种接种处理改变了属水平上细菌群落的分布。在S1土壤中,BdellovibrioPhenylobacteriaGaiellaNordella的相对丰度在六种接种处理下不同程度地提高。YS3接种增加了RalstoniaHerbaspirillum的相对丰度。除了YS3处理外,其他五种接种处理下RhizophorhapisSphingomonasNovosphingobiumIIumatobacter的相对丰度也有所不同。此外,TR21处理下steroidobacteria的相对丰度增加,TR21和H2处理下CupriavidusBradyrhizobiumAllorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium的相对丰度也比CK有所增加。TR18处理下Candidatus_Solibacter的相对丰度增加。除了TR18外,其他接种处理下MesorhizobiumMicromonospora的相对丰度也明显增加。
在S2中,与CK处理相比,六种接种处理下SphingomonasOccalataibacterCandidatus_KoribacterPhytohabitansAmycolatopsis的相对丰度有所不同。除了YS3处理外,其他处理下Bradyrhizobium、EdaphobacterKomagataeibacter也有所增加。TR16处理显著增加了BryobacterCandidatus_SolitobacterActinospicaRoseisolibacterDevoniaPhyllobacteriumTumebacillus等的相对丰度。TR18处理下Bacillus的相对丰度、TR21处理下Phenylobacterium的相对丰度以及H1处理下Mesorhizobium的相对丰度也显著增加。
重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图3. 内生菌接种对蓖麻根际土壤细菌群落结构的影响。(A)门水平的相对丰度;(B)科水平的相对丰度;(C)和(D)分别为S1和S2中属水平的细菌群落组成。CK:未接种处理;TR16:接种菌株TR16;TR18:接种菌株TR18;TR21:接种菌株TR21;YS3:接种菌株YS3;H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21。

 ②根际微生物组的β多样性及其与环境因子的相关性

与CK处理相比,TR16接种并未影响细菌群落组成。在S1土壤中,TR18、TR21、YS3和H2处理下的群落组成与CK相比显示出差异,PCoA分析解释了52.7%的差异(图4A)。Adonis分析显示TR21和CK处理之间存在显著差异。两种混合接种处理(H1和H2)的群落组成也与TR16、TR18、TR21和YS3的单独接种处理存在不同程度的差异。在S2土壤中,其他五种接种处理的细菌群落组成明显与CK处理分离,PCoA分析解释了58.1%的变异(图4B)。Adonis分析显示TR18、TR21和H1处理下的细菌群落结构与CK处理存在显著差异。Mantel检验分析(图4C、E)显示,草酸、蔗糖酶、碱性磷酸酶(ALP)、土壤DOC和HOAc-Cd对S1土壤中根际细菌群落组成有显著影响,而HOAc-Cd、HOAc-Cu和ALP对S2土壤中细菌群落组成有显著影响。

Spearman相关性分析(图4D、F)显示,肠杆菌科(Enterobacteriaceae)与两种土壤中的草酸含量(p<0.01)、有效铜、HOAc-Cd、酸性磷酸酶(ACP)和ALP显著正相关。此外,肠杆菌科与S1土壤DOC含量显著正相关。鞘氨醇单胞菌科(Sphingomonadacea)的相对丰度与S2土壤中的ACP和DOC显著正相关(p<0.05),与S1土壤中的草酸显著正相关(p<0.05)。Koribacteraceae与S2土壤中的pH(p<0.05)、蔗糖酶(p<0.01)、ACP(p<0.01)和DOC(p<0.05)存在显著或极显著正相关。Bdellovibriaceae与S1土壤中的Avail-Cu(p<0.001)、草酸(p<0.001)、ACP(p<0.05)和ALP(p<0.05)呈显著或极显著正相关。因此,研究表明内生菌接种可以通过影响土壤pH、重金属有效性、DOC、酶活性以及根际土壤中草酸等根系分泌物的分泌来调节细菌群落组成。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图4. 环境因子与微生物群落组成的关联性分析。(A)和(B)分别为S1和S2中微生物群落组成的PCoA分析;(C)和(E)分别为S1和S2中微生物群落与环境因子的Mantel检验;(D)和(F)分别为S1和S2中属水平细菌相对丰度与环境因子的Spearman相关性分析。Avail-Cu/Cd表示S1中的DTPA可提取量和S2中的CaCl2可提取量。∗、**和***分别表示p<0.05、p<0.01和p<0.001。CK:未接种处理;TR16:接种菌株TR16;TR18:接种菌株TR18;TR21:接种菌株TR21;YS3:接种菌株YS3;H1:混合接种菌株TR16、TR18、TR21和YS3;H2:混合接种菌株TR16、TR18和TR21。

(6)蓖麻根的转录组分析

在S1条件下,YXTR21-vs-YXCK比较中获得了296个差异表达基因(DEGs),其中蓖麻根中有193个上调基因和103个下调基因。在S2条件下,DYTR21-vs-DYCK比较中获得了671个DEGs,包括243个显著上调基因和428个下调基因。在DYTR21-vs-YXTR21比较中发现了4671个DEGs(2085个上调基因和2586个下调基因),在DYCK-vs-YXCK比较中发现了3869个DEGs(1942个上调基因和1927个下调基因)。

铜/镉胁迫下与谷胱甘肽、半胱氨酸和蛋氨酸代谢相关的基因

比较了两种土壤中蓖麻根中与抗氧化活性和谷胱甘肽代谢相关的DEGs的表达情况(图5A)。结果表明,与S1土壤中的蓖麻根相比,S2土壤中蓖麻根中与谷胱甘肽代谢相关的谷胱甘肽S转移酶(GST)编码基因大多显著上调。此外,与抗氧化酶活性相关的大多数基因表达也上调,包括过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)。鉴于半胱氨酸(Cys)不仅是谷胱甘肽和植物螯合素合成的主要前体,也是金属硫蛋白(MT)的主要成分,因此分析了半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径。研究发现,在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK比较组中,参与Cys生物合成的5个DEGs显著上调,包括丝氨酸乙酰转移酶(SAT2,EC 2.3.1.30)、ATP硫化酶(ATPS,EC 2.7.7.4)和半胱氨酸合成酶(CS,EC 2.5.1.47)。此外,在这两个比较组中,编码S-腺苷蛋氨酸合成酶(SAMS,EC 2.5.1.6)的三个基因上调。金属硫蛋白富含半胱氨酸(Cys),其巯基与重金属离子的结合是植物降低重金属毒性的重要机制。在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK比较组中,编码金属硫蛋白2型(MTL2)的基因显著上调,表明两种土壤中重金属胁迫的程度显著影响了MTL2的表达。

②铜/镉胁迫下参与木质素生物合成的基因

苯丙烷生物合成途径对于植物次生代谢物的合成至关重要,在调节植物对各种非生物胁迫的响应中发挥着关键作用。在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK比较组中,分别有52个(45个上调)和58个(53个上调)DEGs富集在苯丙烷生物合成途径中(图5B)。这些上调的DEGs是生物合成途径中的关键酶基因,包括肉桂酸4-羟化酶(C4H,EC 1.14.14.91)、4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL,EC 6.2.1.12)、肉桂酰辅酶A还原酶(CCR,EC 1.2.1.44)、肉桂醇脱氢酶(CAD,EC 1.1.1.195)、羟基肉桂酰转移酶(HCT,EC 2.3.1.133)、对香豆酰莽草酸3'-羟化酶(C3'H,EC 1.141496)、咖啡酸3-O-甲基转移酶(COMT,EC 2.1.1.68)和过氧化物酶(POD,EC 1.11.1.7)。4CL还可以间接影响黄酮类生物合成途径。漆酶(LAC,EC 1.10.3.2)是铜离子结合蛋白家族的成员,也可以催化木质素单体的聚合。在DYTR21-vs-YXTR21和DYCK-vs-YXCK中,分别有3个(2个上调)和8个(7个上调)与漆酶(LAC)相关的DEGs。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图5. 铜/镉胁迫下涉及氮、硫、谷胱甘肽、半胱氨酸和蛋氨酸代谢(A)以及苯丙烷代谢途径(B)的基因。YXTR21:S1土壤中接种TR21菌株;DYTR21:S2土壤中接种TR21菌株;YXCK:S1土壤中未接种;DYCK:S2土壤中未接种。

③TR21接种后蓖麻根中相关基因的响应

结合KEGG和GO富集分析(图6),发现苯丙烷生物合成途径是YXTR21-vs-YXCK比较中显著富集的途径之一。该途径包括14个DEGs,其中11个上调,3个下调,上调基因涉及CAD、4CL、CCoAOMT、HCT和POD等酶。此外,编码漆酶(LAC)的七个基因显著上调。在植物次生代谢产物生物合成途径中,有六个显著上调的基因,包括两个编码脱氢奎酸脱水酶/莽草酸脱氢酶(DHQ/SDH,EC 4.2.1.10和EC1.1.1.2)的基因,以及两个编码β-葡萄糖苷酶(BGLU,EC 3.2.1.21)的基因。对于脂肪酸生物合成,四个上调的DEGs有助于长链脂肪酰辅酶A的合成。随后,长链脂肪酰辅酶A在β-酮酰辅酶A合成酶6(KCS6)的催化下转化为超长链脂肪酸辅酶A(VLCFA-CoA)。

在S2土壤中,TR21接种后蓖麻根中与莽草酸途径相关的基因DHQ/SDH和莽草酸激酶2(PISKL2)的表达量与未接种相比上调。参与木质素和软木脂生物合成的几个基因也上调,包括木质素合成中的CADPOD5,以及软木脂合成中的脂肪酰辅酶A还原酶3(FARL3)和细胞色素P450 94A2(CYP94A2)。此外,编码生化功能酶黄酮醇合成酶/黄烷酮3-羟化酶(F3H/FLS)的基因上调,该酶在黄酮类生物合成中起关键作用。此外,TR21接种诱导了氮代谢中硝酸还原酶(NIR)和高亲和力硝酸转运蛋白2.5(NRT2.5)的上调。TR21接种增加了SAMS2和两个GST基因的表达。

与未接种相比,TR21接种在一定程度上调节了蓖麻根中铜和镉的螯合与运输(图6B)。在S1下,根中有五个与金属螯合物运输相关的基因上调,包括金属耐受蛋白9(MTP9)、寡肽转运蛋白4(OPT4)、可能的金属-烟酰胺转运蛋白YSL6、ABC转运蛋白G家族成员1(ABCG1)和多药耐药蛋白1(PDRL1)。增强的基因是液泡阳离子/质子交换蛋白3(CAX3),其主要作用于Ca2+的运输。在S2下,编码ABCI6的基因上调。此外,锌转运蛋白5(ZIP5在S1土壤中蓖麻根的表达上调,但在S2土壤中下调,该基因介导植物细胞中锌和镉的运输。

重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图6. TR21接种诱导的蓖麻根中的差异表达基因(DEGs)。(A)S1条件下苯丙烷生物合成和脂肪酸生物合成的相关基因;(B)S2条件下氮代谢、转运蛋白和谷胱甘肽S转移酶的相关基因。YXTR21:S1土壤中接种TR21菌株;DYTR21:S2土壤中接种TR21菌株;YXCK:S1土壤中未接种;DYCK:S2土壤中未接种。

3.研究小结
蓖麻(Ricinus communis L.)具有生物量大和经济价值高的特点,在修复重金属污染农田土壤方面具有巨大潜力。内生菌的单独和联合接种可以有效改善两种测试土壤中蓖麻的生长和铜/镉积累。内生菌接种增加了酶活性、有机酸和土壤DOC含量,有利于根际土壤中植物和微生物的生长。此外,土壤pH、重金属有效性、DOC、酶活性和草酸是影响蓖麻根际土壤细菌群落组成的主要因素。参与养分循环的细菌的相对丰度在不同程度上增加。金属硫蛋白、苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及抗氧化酶活性相关基因上调,增强了蓖麻对铜/镉的耐受性。TR21接种影响了根细胞壁的形成,与重金属螯合物相关的几个转运蛋白基因的表达上调,从而提高了蓖麻对铜/镉的耐受性。本研究表明了外源接种内生菌对蓖麻根际环境的影响,并揭示了内生菌增强蓖麻重金属耐受性的可能分子机制,为更好地利用蓖麻修复重金属污染土壤提供了新的见解。
重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

图7.外源接种内生菌对蓖麻根际环境影响和重金属耐受性机制。

检测指标
重金属污染对植物和土壤的影响及相关指标推荐

参考文献:

[1] Qian Li,Qingling Fu,Md.Shoffikul Islam,et al.Individual and combined inoculation of plant growth-promoting endophytic bacteria enhance Ricinus communis L. to remediate Cu/Cd polluted soil[J]. Journal of Hazardous Materials 494 (2025) 138750.
[2] 王赛怡,王逸君,赵亚洲,等.土壤重金属污染及其植物修复研究进展[J].农学学报, 2023, 13(2):5.DOI:10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2021-0169.
[3] 葛坤,王培军,邵海林,等.重金属胁迫对植物生理生化的影响及其抗性机理研究[J].山西林业科技, 2021, 050(003):43-46.DOI:10.3969/j.issn.1007-726X.2021.03.014.
[4] 高诗倩,马广翔,马涛,等.植物修复土壤重金属污染技术研究进展[J].科技风, 2021(11):2.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.202111086.

图片来源:知网