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文章亮点：

1. 接种苏云金芽孢杆菌降低了小麦全生育期土壤铅镉的有效性。

2. 溶解性有机质是影响土壤铅镉有效性的关键因素。

3. 接种苏云金芽孢杆菌降低了小麦地上部铅镉的富集。

4. 接种苏云金芽孢杆菌降低了籽粒中铅镉的富集和人类健康风险。

背景介绍：土壤重金属污染是一个紧迫的全球问题，其中，超过500万个点位，覆盖了2000万公顷的土地，受到了不同重金属的污染。铅和镉具有高流动性和强毒性，是土壤中最常见的重金属。土壤中的重金属可以被植物吸收，在植物器官之间转移，对作物安全产生不利影响，从而对人类健康构成潜在威胁。污染严重威胁了主要作物的安全生产，尤其是小麦，其满足了世界一半以上的食物需求，并且比其他作物有更高的重金属积累潜力。因此，在土壤-小麦系统中，减少重金属在食物链中的迁移对确保人类健康尤为重要。 由于其环保特性，微生物修复已被广泛应用于阻控重金属的迁移。最近的研究表明功能性细菌能够通过调节其代谢或影响整个微生物群落固定重金属。此外，这些微生物可以显著影响土壤有机质成分，特别是溶解性有机质（DOM），这在很大程度上改变了重金属的环境命运。重金属的生物有效性与土壤中DOM的数量和性质有关，包括官能团的比例、分子量和芳香性。例如，研究发现富啡酸物质与镉的相互作用比蛋白质类物质更强、更稳定。DOM中强烈的芳香化合物与镉形成复合物，并结合沉积物中的矿物质，从而显著降低了镉的可有效性。同样，随着溶解性腐殖酸浓度的增加和铅-溶解性腐殖酸复合物的形成，铅的毒性降低。然而，关于微生物接种剂对DOM特性的影响及其与重金属转移的关系的研究有待进一步研究，这对于抑制植物吸收重金属至关重要。 不同生长阶段中，作物不同的根际环境会导致重金属毒性增强或减弱，进一步影响了植物生长和对营养物质及重金属的吸收。伴随着植物根的代谢和DOM动力学，微生物菌剂从植物幼苗期到成熟期经历了前期定殖和后期存活率降低的变化。除了土壤环境和不同生长阶段的接种效果的变化，重金属在植物全生育期中的运输和积累的变化不可忽视。此外，功能性细菌的引入可能会改变基因表达和位点竞争，影响植物对重金属的吸收和转运。此外，应用固定重金属的细菌可以减少重金属从根部迁移到籽粒。然而，现有的结果大多基于短期或幼苗试验。鉴于阻控食物链中重金属转移和减少人类健康风险的重要性，需要进一步探索作物整个生长周期的微生物接种效果。 在这项研究中，使用了一种典型的固定重金属菌株，即苏云金芽孢杆菌。本文研究了接种苏云金芽孢杆菌对土壤-小麦系统中铅镉迁移的抑制效果及阻控机制。本文的主要研究目标是：（1）分析接种苏云金芽孢杆菌的污染土壤中铅镉的生物有效性及其与DOM特性的关系；（2）阐明接种对小麦全生育期中铅镉的迁移、积累、人类健康风险的影响。

研究结果：

1、土壤性质和溶解性有机质的光谱特性: 接种苏云金芽孢杆菌对土壤有效养分和pH值有显著影响（P < 0.05），但对总养分没有显著影响。具体来说，在整个生长期间，接种处理中溶解性有机碳（DOC）、速效氮（AN）、速效磷（Olsen-P）和pH值分别增加了6.7−36.2%、6.2−27.6%、3.0−23.6%和0.3−1.6%。此外，接种对碳、氮和磷养分获取酶活性的影响在开花期和拔节期更为明显，其次是成熟期和幼苗期。总的来说，碳、氮和磷养分获取酶的活性分别增加了17.8−118.5%、11.8−72.1%和15.5−156.0%。

通过紫外-可见光谱分析了溶解性有机质（DOM）的光谱特性。接种后，SUVA254、SUVA260、SUVA280、CDOM和CDOM/DOC分别显著增加了3.6−36.0%、4.1−36.0%、3.4−36.6%、43.7−54.4%和6.4−44.8%（P < 0.05）。接种使E2/E3和E4/E5分别降低了4.5−10.5%和1.3−18.0%。此外，相关性分析显示，SUVA254、SUVA260和SUVA280与DOC含量显著相关。

2、土壤铅镉有效性及其与溶解性有机质（DOM）的关系： 在小麦不同生长阶段，接种减少了铅镉的有效性，抑制了它们从土壤迁移到根部。在幼苗期、拔节期、扬花期和成熟期，DTPA-提取态铅镉的含量分别下降了5.5−10.6%、1.5−1.8%、8.0−12.8%和2.3−4.9%。然而，在土壤中铅镉的总含量没有观察到明显变化。优势度分析确定了土壤养分和溶解性有机质光谱特性对有效态铅镉的重要性。结果显示，CDOM始终是最重要的前二指标，其次是DOC和E4/E5。

3、植物生物量和根部生理指标： 接种后，小麦的生物量显著增加。在整个生长期间，地上部生物量增加了4.8−62.9%，根部生物量增加了2.5−37.1%。在生殖生长期间（扬花期和成熟期），不同器官（茎、叶、穗和颖壳）增加了2.1−59.7%，籽粒增加了4.6−9.4%。

植物生长的内源指标也显著受到接种的影响。接种减少了小麦根部的氧化损伤9.5−18.6%，特别是在幼苗阶段。抗氧化酶系统表现出相反的模式，在拔节期和开花期更为活跃。接种后，过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）分别增加了11.2−85.6%、13.5−26.0%和6.4−36.2%。 接种后，小麦的生物量显著增加。在整个生长期间，地上部生物量增加了4.8−62.9%，根部生物量增加了2.5−37.1%。在生殖生长期间（扬花期和成熟期），不同器官（茎、叶、穗和颖壳）增加了2.1−59.7%，籽粒增加了4.6−9.4%。

4、植物中铅镉的含量、转移、生物累积及其驱动因素： 接种显著降低了根部的铅镉含量（5.0−19.5%）以及地上部的铅镉含量（6.3−33.9%）（P < 0.01）。随着生长周期的推进，根部的铅镉含量增加，但地上部的含量逐渐减少。此外，在扬花期，小麦器官中铅镉含量的顺序是：根> 叶>茎>穗；在成熟期，小麦器官中铅镉含量的顺序是：根>叶>茎>颖壳>籽粒。 接种显著改变了不同器官中铅镉的分布。接种使根部的铅镉生物累积减少了5.5−19.4%，其中在幼苗期减少最多，减少了地上部的铅镉生物累积6.7−34.1%，并减少了从根到地上部的转移0.1−16.6%，其中在拔节期和幼苗期减少最多（分别为28.9−34.1%和6.9−16.6%）。在成熟期，接种显著降低了铅镉从茎和叶到籽粒的转移，分别减少了7.8−11.0%和3.1−17.2%，同时增加了从颖壳到籽粒的铅镉转移14.7−24.2%。

相关性分析显示，地上部的金属生物累积与转移系数、根部的重金属生物累积呈正相关，但与植物生物量呈负相关。接种可以显著影响土壤性质和DOM特性，从而影响铅镉的有效性。在对地上部重金属生物累积的影响因素中，接种、土壤性质和植物生长有负影响，而转移系数有正影响。总的来说，接种通过影响土壤性质、DOM光谱特性、土壤中重金属的有效性及其在植物器官的富集/转移，抑制了铅镉的迁移，并减少了地上部铅镉的富集。

5、健康风险评估及其驱动因素： 接种显著降低了风险指数和危险指数。具体来说，接种使成人的CRI和HI分别降低了5.1−6.2%和11.9−14.7%，儿童的CRI和HI分别降低了2.3−2.7%和11.8−14.5%。健康风险的主要来源是谷物中铅镉的摄入。通过接种，观察到地上部铅镉积累的减少，也有助于降低人类健康风险。此外，健康风险更直接地来自于成熟期其他器官向籽粒转移的铅镉。相关性分析显示，中度污染土壤中茎和叶的转移系数与健康风险指数呈正相关，而重度污染土壤中颖壳的转移系数与健康风险指数成正比。接种主要通过减少重金属向籽粒的迁移来降低重金属对人类健康的风险。

结论： 本研究得出结论，苏云金芽孢杆菌接种通过影响土壤性质，增加溶解性有机质（DOM）的分子量、疏水性、芳香化和腐殖化，从而降低了土壤中铅镉的有效性。在小麦全生育期中，接种显著减少了铅镉从根部到地上部的转移及其在地上部的富集。在成熟期，接种减少了铅镉从茎/叶向籽粒的转移及其在籽粒中富集，从而降低了人类健康风险。基于对小麦全生育期的研究，本文揭示了微生物接种抑制铅镉从土壤-根部-地上部/籽粒迁移的全过程，这对于更有效地控制小麦籽粒中重金属的富集、确保粮食安全和人类健康风险具有重要意义。值得注意的是，目前的发现来自于盆栽实验，需要进一步的努力来验证和应用固定重金属型细菌在大田作物种植中的修复。

本文发表在国际期刊Science of The Total Environment，影响因子8.2。第一作者祝小珍博士，通讯作者方临川教授，该研究得到该研究得到国家自然科学基金项目（U21A20237）的资助。

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174032