《Environmental Research》：Co-inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi and rhizobia reshapes microbial ecology and nutrient metabolism to rehabilitate iron ore tailings
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铁尾ings生态修复中AMF与根瘤菌共接种显著提升植物生物量6.25倍，改善土壤结构及养分循环，降低镉生物有效性35.56%，代谢重塑表现为磷酸盐相关基因上调及氮循环途径转变。
李周|朱赛冲|吴景生|王文吉|赵志红|郝喜良|王建伟|余文斌|李云毅|梁家良
教育部三峡水库地区生态环境重点实验室，重庆大学，中国重庆400045
摘要
丛枝菌根真菌（AMF）和根瘤菌在土壤-植物系统中对生态修复起着关键作用。然而，它们对尾矿的具体修复特性及其协同效应仍知之甚少。本研究调查了接种了AMF和根瘤菌的尾矿的修复特性，特别关注了共同接种下对铁尾矿改善的协同机制。结果表明，微生物接种显著提升了整体修复效果。共同接种使紫花苜蓿的生物量增加了6.25倍，养分利用率（N/C/P）显著提高，并通过团聚体的形成改善了土壤结构。同时，镉的生物可利用度降低了35.56%。功能代谢分析显示，与磷酸盐相关的基因（phoB、phoR）的上调增强了微生物对磷酸盐的溶解能力和植物对磷酸盐的吸收效率。此外，氮吸收的主要途径从依赖生物固氮转变为优先利用内部氮循环，而GABA途径的激活减少了对TCA循环的依赖。值得注意的是，重构的微生物群落优先促进了有机碳-氮（C/N）代谢，这些代谢变化是提高植物养分吸收效率的关键。这些发现表明，AMF和根瘤菌可以刺激微生物群落的重构，并推动尾矿中养分代谢的重组，这是促进尾矿形成土壤的关键过程。
引言
全球化和城市化的推进刺激了对钢材的需求，推动了大规模的铁矿石开采，产生了大量的铁尾矿。这些尾矿不仅占用大量土地资源，还导致粉尘污染，威胁周边生态环境和公共健康（Cross和Lambers，2017；Young等人，2021）。更严重的是，尾矿中的重金属可以通过颗粒扩散和金属离子淋溶进入周围环境，抑制土壤微生物活性，破坏土壤-植物共生系统，对区域生态安全构成严重威胁（Jiang等人，2023；Ju等人，2024；Kuperman和Carreiro，1997）。虽然传统的物理和化学修复方法效果显著，但通常需要大量的经济投入和复杂的工程实施（Liu等人，2020a；Yu等人，2023）。更重要的是，这些方法常常无法缓解持续的金属迁移和长期的植物毒性问题，因此不可持续（Mlangeni等人，2021；Saavedra-Mella等人，2019）。因此，迫切需要环保的替代方案来修复这些贫瘠的基质。
研究表明，通过生态工程措施（如外源有机物、先锋植物定植和供水），铁矿石尾矿可以逐渐转化为类似土壤的基质，称为“生态工程技术土”（Li等人，2022b；Wu等人，2019a）。这是一种经济、可持续且有前景的修复方法。然而，与矿区的天然表土相比，这种生态工程技术土在土壤性质、有机物含量和养分循环方面仍存在不足（Wu等人，2019a；Wu等人，2019b；Wu等人，2019c）。因此，有必要开发优化策略，以促进早期技术土中的团聚体发育和养分代谢，同时减少生物可利用的重金属含量，提高可持续性。
丛枝菌根真菌（AMF）和固氮根瘤菌在土壤-植物系统中起着关键作用。AMF通过形成广泛的根外菌丝网络，通过改善水分和养分（特别是磷P）的吸收、固定重金属以及通过葡聚糖分泌促进土壤团聚来增强宿主植物的抗逆性（Lu等人，2023；Yuan和Li，2022；Zhan等人，2022）。此外，AMF通过增加抗氧化酶活性提高植物对污染物的耐受性，并通过上调磷转运蛋白基因表达促进植物生长，从而增强植物的整体抗逆性（Zhang等人，2024）。一些研究人员发现，接种AMF可以促进生态工程技术土中土壤团聚体的发育和有机质的稳定性（Li等人，2022a；Li等人，2022b）。根瘤菌通过共生固氮直接将大气中的N2转化为植物可利用的形式（Schulte等人，2021）。值得注意的是，最近的证据表明，微生物联合体通过功能互补性表现出更强的环境适应性，其中AMF介导的磷溶解作用与根瘤菌的固氮作用协同作用，可能形成跨界的养分循环（Gorgia和Tsikou，2025；Wang等人，2021b）。AMF和根瘤菌的共同接种不仅协同增强了修复效果，还克服了单一微生物对铁尾矿适应性的不足（Kong等人，2024；Wen等人，2024）。AMF和根瘤菌的双重接种在促进尾矿生态修复方面具有巨大潜力。目前，大多数研究仅关注单一AMF物种的修复效果（Hu等人，2025b；Wang等人，2024b），AMF-根瘤菌共生对尾矿生态修复的促进作用仍不清楚（Hu等人，2025a；Li等人，2022a；Li等人，2022b）。关于它们对复杂生物地球化学过程（包括养分循环（C、N、P）、重金属解毒以及驱动土壤结构发育和成土作用的基本过程）的协调调控，仍存在关键知识空白（Duan等人，2024；Singh等人，2025；Wang等人，2021a）。
本研究探讨了AMF和根瘤菌菌株共同接种能够协同作用，推动铁尾矿自我增强修复的假设。我们的目标是：（1）通过先锋植物和土壤特性的变化，全面评估AMF和根瘤菌的增强修复效果；（2）进一步深入分析最佳修复组，阐明共同接种对土壤微生物群落重组的影响；（3）通过宏基因组测序和功能基因注释（KEGG数据库）揭示驱动养分循环（C、N、P）的代谢重塑机制。本研究旨在通过结合多组学分析和功能验证，为重金属尾矿的可持续修复提供有前景的策略。
材料
本研究使用的尾矿样本来自中国内蒙古自治区锡林郭勒盟二连浩特市的一个尾矿库。尾矿的物理化学性质详见文本S1。选择紫花苜蓿（Medicago sativa）作为先锋植物，因为它具有较高的发芽率（90%）和存活率（80%）（图S4），并且能够与根瘤菌和AMF共生（Wu等人，2022b）。接种物包括两种根瘤菌（AC17780和AC17676）
对植物性状的影响
先锋植物是尾矿生态修复的关键驱动因素，其生长表现直接反映了基质的改善效果。植物性能指标的提高（特别是生物量积累）表明生态系统功能的初步恢复（Ben-Laouane等人，2021）。接种AMF和根瘤菌后，先锋植物（紫花苜蓿）的生长显著增强。所有接种处理都表现出
结论
AMF和根瘤菌的共同接种增强了铁尾矿的生态修复效果。AMF的菌丝网络提高了磷的活化效率（碱性磷酸酶活性增加了2.0-2.3倍），同时将镉的生物可利用度降低了35.56%。AMF-根瘤菌的协同效应显著促进了碳-氮相关酶的活性。代谢重塑分析显示，关键磷基因的表达上调
CRediT作者贡献声明
吴景生：正式分析，数据管理。朱赛冲：正式分析，数据管理。李周：撰写——初稿，方法学，研究，概念化。梁家良：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。李云毅：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。余文斌：正式分析。王建伟：数据管理。郝喜良：正式分析。赵志红：数据管理。王文吉：正式分析，
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了内蒙古自治区重点研发与成果转化计划项目（2025YFDZ0023）的支持。
