《Journal of Environmental Management》：Synergistic rhizosphere processes enhance cadmium and lead stabilization by
Phragmites australis: Microbial community succession and metal speciation shifts
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本研究探讨芦苇在重金属胁迫下的根系积累及其微生物群落结构变化。实验表明，芦苇根系对镉和铅的积累显著正相关于土壤浓度，60天内最高富集因子达53%和275%。稳定化过程涉及pH和有机质调控，微生物活性增强，宏基因组测序显示多样性恢复，放线菌和Xylariales等耐性菌富集，揭示了植物-微生物协同修复机制。
Xu Zhang|Zhiyuan Shen|Menglong Xing|Xianhao Zhang|Liping Qiu|Yanwei Zhong|Yanhao Zhang|Zhibin Zhang
山东建筑大学市政与环境工程学院，中国济南，250101
摘要
本研究调查了Phragmites australis根系中镉和铅的积累情况，以及金属胁迫下根际微生物群落的结构变化。在盆栽实验中，土壤分别被污染为5至25 mg/kg的镉或40至400 mg/kg的铅，而对照组仅接受去离子水。结果表明，根系中这两种金属的积累量与土壤中的浓度之间存在显著的正相关关系，并且在60天的时间内逐渐增加。与低浓度处理相比，镉的最大富集因子达到了53%，铅的最大富集因子达到了275%。顺序提取分析表明，根系中的镉主要结合在细胞壁的果胶和蛋白质上，而铅则通过螯合作用和沉淀作用固定在细胞壁中，并通过植物螯合素被隔离在液泡中。在根际土壤中，植物修复作用逐渐将镉和铅转化为更稳定的形式，如残余态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态，从而减少了生物可利用的交换态。土壤pH值和有机质含量是控制金属形态和生物可利用性的主要因素。尿素酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的高活性与金属稳定性的增强相关，反映了微生物介导的强大作用。高通量测序显示，初始的镉和铅胁迫降低了细菌和真菌的多样性。然而，随着植物修复作用的进行，多样性有所恢复，群落结构也发生了重组。耐金属的生物，如Actinobacteria和Xylariales，显示出显著的富集现象，这表明它们在适应过程中发挥了关键作用。研究结果表明，Phragmites australis通过根系积累和金属形态的改变有效稳定了镉和铅，这一过程得益于涉及物理化学变化和适应性微生物群落的协同根际作用，凸显了其在修复受镉或铅污染土壤方面的潜力。
引言
如今，受重金属污染的沉积物日益成为全球关注的环境问题。重金属的来源主要包括基岩风化和地质过程、大气沉降、污水灌溉、工业固体废物污染以及农药和化肥的不合理使用（Manickam等人，2021；O等人，2022）。重金属污染物具有持久性、毒性和生物累积性，因此人们对重金属污染给予了更多关注（Iruoghene等人，2024）。土壤中高浓度的重金属会导致土壤退化、作物减产和农产品质量下降（Mai等人，2025；Mengxue等人，2021）。此外，重金属可以通过食物作物转移到人体内，对人类健康构成重大威胁（Song等人，2021）。镉是地球上最危险的软金属之一，在农业和工业土壤中广泛分布（Usman等人，2022）。根据土壤质量标准，中国约有7%的土壤受到镉污染（Xinghua等人，2023）。因此，修复受镉污染的土壤是一个紧迫的问题。目前已有多种技术可用于清理受污染的土壤，包括固化或稳定技术、氧化还原技术、化学浸出和电动力修复（Li等人，2025；Ren等人，2024）。
植物修复技术引起了研究人员的广泛兴趣，因为它是一种强大、环保、经济且简单的修复方法（Liu等人，2024）。该技术基于植物能够耐受或超积累重金属，并能从土壤中提取、转移、吸收、分解、转化或固定重金属，从而降低沉积物中重金属的毒性（Kumar等人，2023）。此外，它还能使土壤表面长期稳定，控制风蚀和水蚀，减少土壤侵蚀，并绿化周围环境（Wei等人，2021）。它利用天然或转基因植物从环境中提取有害重金属，包括放射性核素、农药、多氯化合物和多环芳烃（Aigerim等人，2022）。
Phragmites australis属于禾本科。它是一种多年生高大水生草本植物。由于其强适应性、快速生长、高产量和强抗重金属能力，被广泛用于人工湿地处理废水（Jieting等人，2020）。在澳大利亚，Phragmites australis已成功用于通过建造人工湿地进行植物修复。由于其出色的耐多种污染物能力和特定的生化、生理和解剖学适应性，Phragmites australis能够克服或避免厌氧条件下的物理化学危害（Hernández-Pérez等人，2021）。有充分证据表明，Phragmites拥有丰富的内生和附生真菌群落，这些真菌群落在不同环境下的适应性中可能发挥关键作用（Lin等人，2021）。根据Dolinar和Gaberscik的研究，根际真菌能够形成活的根-土壤连接，即通常称为菌根圈的区域，该区域能够调节土壤性质、微生物网络或潜在的根系分泌物（包括代谢物），从而促进宿主植物的生长（Vicente等人，2020）。也有报道指出，真菌内生菌在合成防御化合物和代谢物方面发挥作用，增强宿主在胁迫条件下的生存能力（Parul等人，2022）。在土壤生态系统中，微生物负责大部分土壤生物量和生物多样性。它们在根际的存在对金属植物修复起着重要作用。微生物与植物之间的协同修复可以增加植物中重金属离子的积累、金属价态的转化能力、固定和提取能力、修复效果以及植物生长和生物量（Barathi等人，2023）。
然而，关于受镉污染土壤中Phragmites australis根际生物群落的研究仍然很少。尽管先前的研究报道Phragmites australis能够实现93%至95%的镉和铅去除率，并记录了根际微生物组成的变化，包括Actinobacteria和Proteobacteria的富集，但涉及根系分泌物、微生物群落和金属动态的相互作用机制，以及这些因素对根际真菌群落结构和功能多样性的后续影响，尚未得到系统研究。因此，本研究旨在评估Phragmites australis从受污染沉积物中提取镉的能力，重点关注其根际生物群落的结构和功能特征。
实验材料与准备
Phragmites australis是从中国山东省济南的一个花卉市场采集的。用于培养Phragmites australis的土壤来自市场上购买的丹麦Pintop泥炭土。选定的植物大小相同，生长状况相似。选择了生长良好、至少有3个芽眼且无病虫害的Phragmites australis>植株，并选择了根系发育良好的植株进行培养。
根系中镉和铅的化学形态
Phragmites australis中镉的积累量随着土壤中镉浓度的增加而增加。在同一暴露期内，Phragmites australis根际中镉的单位积累量与土壤中镉浓度的升高相应增加。此外，在固定镉处理水平下，单位积累量随时间逐渐增加。与5 mg/kg的低浓度处理相比，根系中的镉最大富集量
结论
这项为期60天的盆栽实验表明，Phragmites australis在根际中积累了镉和铅，且在较高土壤金属浓度和较长暴露时间内积累量增加。实验过程中，根际土壤中的镉和铅从可交换形态转变为生物可利用性较低的残余态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态。土壤pH值和有机质含量与这种转变呈正相关
CRediT作者贡献声明
Xu Zhang：撰写——初稿。Zhiyuan Shen：撰写——审稿与编辑。Menglong Xing：数据管理。Xianhao Zhang：形式分析。Liping Qiu：方法学。Yanwei Zhong：研究。Yanhao Zhang：监督。Zhibin Zhang：资金获取。
资助
作者感谢Innovation found for Jinan higheducation's 20 policies（202,228,056）、山东省自然科学基金（ZR2024QD059）、国家自然科学基金（52070122）、山东省重点研发项目（编号：2020CXGCO11404）和泰山学者计划的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
