铅（Pb）是一种高度持久性和毒性的金属，其全球分布主要受采矿、冶炼和化石燃料燃烧等人为排放的影响（Ettler, 2016; Soto-Jiménez and Flegal, 2021）。铅释放到大气后，会经过长距离传输，最终通过湿沉降和干沉降沉积在陆地表面，导致其在表层土壤中逐渐积累（Csavina et al., 2012; Xiang et al., 2017; Yu et al., 2024）。在那里，铅通过直接毒性及食物网中的营养传递威胁生态系统完整性和人类健康（Luo et al., 2020）。这些风险在干旱和半干旱地区尤为严重，这些地区占地球陆地表面的40%以上（Reynolds et al., 2007）。这些地区的沙质土壤通常有机质含量低、结构聚集性差、地球化学缓冲能力有限，使得沉积的铅容易被风和水侵蚀重新释放（Bao et al., 2024; Xu et al., 2024）。传统的修复方法（如挖掘和植物修复）在这些脆弱环境中往往在经济和生态上不可行，因此需要探索能够在土壤-大气界面固定铅的自然稳定机制（Wang and Delavar, 2023）。
生物土壤结皮层（生物结皮）是由藻类、地衣、苔藓及相关微生物组成的复杂群落，是干旱地区土壤表面的主要生物覆盖物（Weber et al., 2022; Zhang et al., 2025a）。这些群落经历可预测的生态演替，从早期以丝状网络和丰富胞外聚合物（EPS）为特征的藻类结皮层，发展到中期以地衣为主、具有真菌-藻类共生关系和增强有机矿物聚集的地衣结皮层，再到晚期以密集组织和大量有机物质积累为特征的苔藓结皮层（Kidron, 2021; Mugnai et al., 2020; Zhao et al., 2025）。这一发育过程系统地增加了表面粗糙度、阳离子交换能力和活性官能团（如羧基、羟基和磷酸基）的丰富度，从而增强了土壤表面的反应性（Mugnai et al., 2024; Xiao et al., 2022）。通过EPS介导的吸附、微生物吸收、有机络合以及与矿物相的相互作用，生物结皮层能够拦截大气中的金属并有效固定在土壤表面（Geng et al., 2025; Wang et al., 2021; Zhang et al., 2025c）。因此，生物结皮层可以作为干旱地区土壤-大气界面中高效的天然金属拦截过滤器。
尽管生物结皮层具有这种金属拦截能力，但其固定铅的机制仍不完全清楚。首先，大气中的铅沉积发生在不同的时间尺度上，从偶发的高强度输入到长期的低水平积累，但目前尚不清楚不同演替阶段的生物结皮层如何响应和调节这些不同的暴露情景下的铅吸附（Bazzano et al., 2016; Feng et al., 2024）。其次，虽然生物结皮层对铅的总吸附能力增强已有大量报道，但结皮层内部铅的命运（包括其化学形态、胞外吸附与胞内固定之间的分配，以及与有机成分和矿物成分的空间关联）仍不清楚（Abramowicz et al., 2025; Pagli et al., 2024）。第三，嵌入生物结皮层中的微生物群落在金属转化和稳定中起核心作用，但它们也对铅毒性敏感；然而，关于铅胁迫如何影响不同演替阶段的微生物多样性、相互作用网络和功能代谢潜力的系统评估仍然缺乏（Geng et al., 2025; Zeng et al., 2020）。这些不确定性限制了对铅在生物结皮层覆盖的干旱土壤中稳定性和长期持久性的机制理解。
为了解决这些相互关联的问题，我们在古尔班通古特沙漠的自然演替系列藻类、地衣和苔藓生物结皮层中，研究了铅的吸附和稳定机制，实验条件包括短期（急性）和长期（慢性）铅暴露。具体目标如下：（i）量化并比较两种暴露条件下不同阶段的铅吸附能力和效率；（ii）表征吸附铅的化学形态、微观定位及其相关的矿物学变化；（iii）评估细菌群落的相应反应，包括多样性变化、共现网络结构及预测的功能特征。通过结合物理化学、矿物学和高通量微生物分析，本研究建立了一个机制明确的框架，以理解生物结皮层演替如何控制铅的拦截、转化和稳定，从而将这些群落视为金属污染干旱地区中重要的自组装生物地球化学缓冲剂。
