2020-11-13
期刊：《Journal of Hazardous Materials》
影響因子：9.038
近日，派森諾生物與齊魯工業大學生物工程學院、生物基材料與綠色造紙國家實驗室合作，研究了產γ-PGA的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis W7）和淀粉液化芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens W25）對土壤Cd固定化、γ-PGA產生、鎘污染土壤中萵苣鎘吸收、根際土壤細菌群落以及對萵苣生長和品質的影響及機制。研究成果發表在環境領域學術期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF=9.038）。
一、研究背景
土壤鎘（Cd）污染日益嚴峻，對人體健康危害極大。降低土壤鎘生物有效性、減少植物對鎘的吸收已成為國內外研究熱點之一。土壤重金屬固定劑通過吸附、絡合和沉淀作用，降低重金屬的生物有效性，減少重金屬從土壤向植物轉移。然而，持續添加這些有機、無機固定劑可能會對土壤性質、結構和生態系統產生有害影響。近年來，植物生長促進菌（PGPB）作為一種新型土壤固定劑，通過產生鐵載體、吲哚乙酸（IAA）和降低土壤中重金屬的有效性，在促進植物生長和減少金屬吸收方面得到了廣泛的應用。
聚γ-谷氨酸（γ-PGA）是一種由D/L-谷氨酸形成的生物大分子，由芽孢桿菌胞外產生，其無毒、富含羧基、含有大量能與金屬離子結合的陰離子官能團，是一種生物吸附材料，也被廣泛用作生物肥料，具有廣闊的應用前景。然而，目前關于γ-PGA產生菌對污染土壤重金屬鈍化和植物生長影響的研究還未見報道。
本項工作研究了產γ-PGA的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis W7）和淀粉液化芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens W25）對土壤Cd固定化、γ-PGA產生、鎘污染土壤中萵苣鎘吸收、根際土壤細菌群落以及對萵苣生長和品質的影響及機制。
二、研究方法
首先將Cd污染土壤中分離得到的菌株W7和W25接種到不同濃度Cd2+（0、3和6 mg/L）的土壤濾液中，分別在0、24、48、72與96小時進行濾液中水溶性Cd與γ-PGA的測定；然后通過盆栽實驗，在受鎘污染土壤中的萵苣根部周圍開溝，分別添加兩種菌株懸浮液接種，以非接種菌株作為對照組，對根際土的化學性質與植物生化指標進行分析；最后通過對根際土壤進行16S rRNA基因高通量測序，評估兩種菌株對根際土壤細菌群落的影響大小。
三、研究結果
3.1、土壤濾液中鎘的固定化、pH值、細胞生長和菌株W7和W25的γ-PGA產生
下圖A顯示為土壤濾液中不同Cd2+濃度下菌株W7和W25的γ-PGA產生情況，可以看出當存在Cd2+時，γ-PGA濃度通常隨時間增加。圖B與圖C中顯示接種W7和W25菌株的土壤濾液與對照組相比，水溶性Cd的濃度分別有顯著降低。其中水溶性Cd的濃度隨著孵育時間的增加而降低，在6 mg/L Cd2+下孵育24-96 h時，菌株W25的水溶性Cd濃度明顯低于菌株W7。
3.2、W7和W25菌株對萵苣生物量，品質和Cd含量的影響
下表中顯示接種W7和W25菌株后，萵苣的可食組織干重、VC含量和可溶性蛋白質含量均有顯著增加。但是，與未污染和Cd污染的土壤相比，硝酸鹽含量有明顯降低。值得注意的是，在高Cd污染土壤中，這些菌株可以顯著降低萵苣葉片和根中的Cd含量，其中W25菌株比W7菌株具有更高的Cd吸收能力。同樣的，在低Cd污染土壤中，W25菌株處理后的植物組織亦表現出較好的Cd吸收能力。
3.3、W7和W25菌株對根際土壤有效鎘和γ-PGA產生菌相對豐度的影響
下圖A中顯示與對照組相比，在高Cd污染的根際土壤中接種兩種菌株可顯著降低DTPA-Cd含量。圖B中顯示在高Cd污染土壤中，接種W25菌株的DTPA-Cd含量明顯低于接種W7菌株的Cd含量。圖C中顯示兩種菌株的存在確實相對增加了受鎘污染的根際土壤中產生γ-PGA的細菌的相對豐度。
3.4、W7和W25菌株對土壤酶活性的影響
土壤酶活性是監測重金屬污染下，土壤生態系統動態和健康的重要指標。下圖分別展現了這些菌株對根際土壤中的脲酶，轉化酶，脫氫酶和堿性磷酸酶活性的影響情況。其中，在沒有這些菌株的情況下，Cd污染土壤和非污染土壤之間的酶活性沒有顯著差異。但是，在接種菌株W7和W25后，未污染和Cd污染處理的脲酶活性均顯著提高；且轉化酶和脫氫酶在W25菌處理結果中較W7菌增加明顯；堿性磷酸酶在兩種處理條件下，亦有明顯升高。
3.5、細菌群落的多樣性和組成結構
本研究還通過16S rRNA基因的高通量測序，評估了根際土壤細菌的相對豐度和組成多樣性。采用加權Unifrac距離的NMDS分析結果顯示不同處理間菌群結構的變化情況。結果顯示，接種菌株25的樣品與其他兩個處理組有明顯分離，其菌群結構有明顯變化。
通過隨機森林方法對不同處理組中的重要菌屬進行了研究，其中下圖A中展現了重要度前20的菌屬，包括Bacillus、Phycicoccus、Nitrospira與Aneurinibacillus等；圖B則是對這重要度前20的菌屬進行豐度熱圖的繪制，可以看出相同菌屬在不同處理中豐度變化是不一致的。其中，在對照組中，Nonomuraea、Micromonospora和Craurococcus為主要豐度優勢菌；在接種W7菌株處理組中，Actinomadura和Aneurinibacillus具有較高的相對豐度，而在接種W25菌株的土壤樣品中的Sphingobium、Nitrospira與Phycicoccus占主導地位。
四、總 結
研究結果表明，兩種菌株均降低了土壤濾液中Cd的濃度（16～75%），菌株W25產生γ-PGA和固定Cd的能力高于W7菌株。與對照相比，兩種菌株的施用顯著增加了萵苣的生物量（41-85%），減少了鎘的吸收（19-41%），降低了有效鎘含量（25-37%）。進一步研究發現，這些菌株通過提高土壤濾液中γ-PGA的產生量、pH值、鞘氨醇單胞菌Sphingomonas 和芽孢桿菌Bacillus 等的相對豐度（24-30%），從而固定化鎘；通過提高鎘污染土壤pH值和脲酶活性，降低土壤鎘的有效性。所有這些因素都有助于降低Cd污染土壤萵苣中的Cd含量。此外，這些菌劑還通過提高土壤酶活性和產生IAA來改善土壤質量，促進了萵苣的生長，提高了VC和可溶性蛋白質含量。盆栽試驗表明，接種這些菌株的萵苣食用組織中Cd含量低于FAO/WHO規定的葉菜類蔬菜的最高允許量。
綜上所述，本研究利用產聚谷氨酸細菌鈍化土壤Cd，為Cd污染農田的修復和農作物的安全生產，提供了一種環保、經濟的技術途徑。
參考文獻：
Wang X , Dong G , Liu X , et al. Poly-γ-glutamic acid-producing bacteria reduced Cd uptake and effected the rhizosphere microbial communities of lettuce[J]. Journal of Hazardous Materials, 398.
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389420311353
