巨大芽孢杆菌活化土壤镉的机理研究

Soil contamination by cadmium is a major environmental issue which threatens food safety in China. Efforts in trying to remediate cadmium-contaminated soil by using phytoremediation has been limited by the low bio-availability of cadmium in the soil. Research has shown that acid-producing microbes can significantly increase the bioavailability of cadmium in the soil and increase the efficiency of phytoremediation. This research programme is to study the mechanisms by which an acid-producing organism, Bacillus megaterium, activates cadmium and makes it more available in the soil. The research will first study the effect of Bacillus megaterium on the transformations of cadmium in sterile soil conditions. We will then use GC-MS and DGGE techniques to study the effect of low molecular weight organic acids, microbial communities, enzyme activities, and pH on the bioavailability of cadmium in the rhyzosphere soil. We will then use more advanced techniques, such as GC-MS and FTIR, to study the mechanisms of cadmium activation in micro bioreactors and hydroponic experiments. This study is important for selecting microbial communities that can activate cadmium in the soil, and establishing plant-microbe systems for cadmium remediation in the soil.

本项目针对土壤镉(Cd)污染严重危及食品安全，植物修复技术的发展受土壤镉生物有效性制约的瓶颈，已研究发现产酸菌具有活化土壤镉的功能，能大幅度提升植物修复土壤镉污染效率。在此基础上，以农用产酸菌- - 巨大芽孢杆菌为试材，研究其活化土壤镉的机理。首先采用灭菌土培试验，明确巨大芽孢杆菌对土壤镉形态转化的影响；然后，采用土培根际试验，利用气质联用(GC-MS)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)等分析手段，研究其对土壤与植物根际低分子有机酸、微生物种群、土壤酶活性、pH值等土壤镉活化因子的影响；进而，采用小型生物反应器和水培试验，利用GC-MS、傅里叶远红外光谱(FTIR)等先进手段，深入探索土壤镉活化主要因子的形成机制及其活化机理，超前探索该领域的科学前沿，为筛选活化土壤镉的微生物，创建植物-微生物联合修复技术奠定科学基础，具有较高的学术价值和实用价值，开发前景十分广阔。

农田土壤镉污染较为严重，植物修复有不可或缺的优势。本研究在已有研究基础上，针对土壤镉有效性低制约植物修复效果的“瓶颈”，以提高土壤镉生物有效性为突破口，采用生物模拟方法和先进测试手段，研究了印度芥菜修复镉污染条件下，自主优选的巨大芽孢杆菌活化土壤镉的作用机理及其联合修复机制。.研究结果表明，土壤中变形菌门相对丰度占41%以上，为优势菌群；接种巨大芽孢杆菌可使根际和非根际变形菌门丰度发生相对变化、向根际聚集，根际丰度提高 %，在非根际减低 %。变形菌门为具有脂多糖外膜的菌群，在根际聚集促进土壤镉的活化。模拟试验表明，巨大芽孢杆菌分泌草酸、乙酸、琥珀酸、柠檬酸等低分子有机酸；随着巨大芽孢杆菌代谢活动，自消耗一定量的乙酸、琥珀酸、柠檬酸等；综合试验结果表明，巨大芽孢杆菌分泌低分子有机酸可活化土壤镉，其中分泌的草酸起主导作用。通过远红外光谱分析，巨大芽孢杆菌菌体表面存在O-H、C=O、N-H、C-N等官能团，镉胁迫条件下菌体细胞表面功能团主要是C=O络合吸附Cd2+起活化作用。从而，揭示了巨大芽孢杆菌活化土壤镉的作用机理。同时，研究明确了巨大芽孢杆菌活化土壤镉的适宜接菌量为5×1010CFU/kg，可促进土壤碳酸盐结合态镉和铁锰结合态镉转化为交换态镉，提高土壤镉的生物有效性。并且，探明了巨大芽孢杆菌可促进镉富集植物生长，提高印度芥菜生物量，增强富集土壤镉效果的生物联合修复机制。.本研究基于土壤-微生物-富集植物系统的交互作用，揭示了巨大芽孢杆菌通过促进变形菌门优势菌群向根际聚集、分泌草酸、菌体表面C=O络合吸附Cd2+活化土壤镉的机理。进而，明确了其促进不同形态土壤镉向交换态转化，提高镉富集植物生物量，增强修复效果的机制。为土壤镉污染生物联合修复奠定了科学基础，应用前景十分广阔。