硫素强化东南景天修复镉污染土壤的根际过程和微生态调控机制

The phytoremediation efficiency of heavy metal contaminated soil is often restricted by the biomass of hyperaccumulators and the availability of heavy metals in the soil. The application of sulfur can promote the plant growth and increase the accumulation of heavy metals. So, it is an effective measure for enhancing phytoremediation. At present, many studies are still focused on its detoxification mechanism in plants. The important regulation effects of sulfur on the behavior of heavy metal on root-soil interface and micro-ecological processes in rhizosphere are often neglected. In this study, a cadmium hyperaccumulator (Sedum alfredii) was used to investigate the effect of exogenous sulfur on cadmium migration and transformation in root-soil interface, the response of rhizosphere microecological characteristics to sulphur, and to unravel the regulation mechanism of rhizosphere microecology on cadmium rhizosphere transformation and bioavailability. To achieve the above goals, combined genomic techniques (Micro-XRF、Micro-XAS、DGT etc.), and advanced analytical techniques (16S rRNA, RNA-SIP, GC-MS etc.), will be applied. The results may help to facilitate the sulfur-assisted phytoremediation of Cd for contaminated soils.

重金属污染土壤的植物修复效率往往受到修复植物生物量和土壤重金属有效性的制约，而施加硫素能在促进植物生长的同时，提高其对重金属的吸收积累，是应用于强化植物修复的有效措施之一。目前对于硫素强化作用的研究仍主要集中于植物体中硫的解毒机制，而硫对重金属根土界面行为及根际微生态过程的重要调控作用鲜有研究。本研究拟以镉超积累植物东南景天为材料，采用金属组原位分析和微生物组学等先进技术，深入研究外源硫素对东南景天根际镉的分布特征和赋存形态的影响，明确硫-东南景天强化修复过程中镉的根土界面行为特征；从根际微生物群落特征、根系分泌物、微生物互作等多个角度，探明根际微生态特征对于硫素的响应模式；通过对硫/镉赋存形态和根际微生态特征的多元相关分析和网络构建，阐明根际微生态特征对于硫/镉迁移转化过程和镉有效性的调控机制，为进一步探明植物重金属超积累机理、发展污染土壤根际调控修复技术、提高植物修复效率提供科学依据。

硫作为植物必需营养元素之一，在调控植物生长发育和逆境应答过程中发挥重要作用。外源施加硫素能有效提高重金属污染土壤的植物修复效率，然而目前对于硫素调控重金属根土界面行为及根际微生态过程的研究仍较少见。本项目以镉超积累植物东南景天为主要材料，采用金属组原位分析和微生物组学等先进技术，原位解析了镉和硫元素在东南景天根系的吸收和分配特征，揭示了外源硫对土壤中镉的生物有效性及微生物群落的影响，阐明了硫肥和水分协同调控下水稻-东南景天轮作修复体系中根际硫镉行为及微生态特征。研究结果表明：（1）东南景天根系中硫与镉元素的分布特征高度一致，且适当提高硫水平或施加含硫化合物谷胱甘肽均能显著提高东南景天对镉的吸收和积累能力，说明硫在强化东南景天修复镉污染的过程中发挥重要作用；（2）外源硫素施加能显著改变土壤中镉的生物有效性，其中在有氧条件下，施加S0和Na2SO4对土壤中镉的生物有效性提高效果最为显著，而在无氧状态下，S0和Na2S2O3的加入显著降低了镉的生物有效性；此外，不同形态的硫对土壤中的细菌类群具有不同的选择性，这些特异性类群可能在硫-镉形态转化中发挥重要作用；（3）在水稻-东南景天轮作修复体系中，持续淹水结合硫肥施用可以显著降低水稻根际土壤中镉的有效性和籽粒中镉的积累量，有助于实现水稻安全生产；在后茬东南景天的轮作过程中，硫肥施用也可以显著提高东南景天对于镉污染土壤的修复效率，达到强化修复效果。本项目研究结果可为发展污染土壤根际调控修复技术、提高植物修复效率、保障土壤生态系统健康提供科学依据。