生物质炭固定化菌群(BCMs)调控稻田土壤Cd迁移转化的机制

For the widespread problem of Cd pollution in rice fields of China and the high Cd content in rice, this study aims to immobilize the soil Cd continuously in the paddy soils by biochar-immobilized microorganisms (BCMs). The Cd-resistant microorganisms are screened in situ under different Cd stress, and the culturable Cd-resistant microorganisms are enriched on bacterial culture medium. The 16SrRNA amplification sequencing and the metagenome sequencing technology are used to identify the community composition of Cd-resistant microorganisms and predict Cd-resistant microbial related functional genes. To illuminate the effect of BCMs on Cd migration and transformation in paddy soils, the changes of Cd species, microbial community structure and soil properties including organic matter, pH value, Eh and CEC in different paddy soils and rice rhizosphere soils after the addition of BCMs, combined with the changes of BCMs surface characteristics are analyzed. This study reveals the comprehensive mechanism of BCMs regulating transformation of Cd speciation and Cd migration in Soil-Rice system, which provides theoretical basis and technology for the remediation of Cd contaminated paddy soils by biochar- immobilized microorganisms.

针对我国稻田土壤重金属Cd中轻度污染普遍、稻米Cd含量超标的问题，本研究以原位持续固定稻田土壤Cd为目标，通过对土壤微生物原位驯化与富集培养方式筛选高效固定Cd的微生物菌群，制备生物质炭固定化菌群（BCMs）材料。采用16SrRNA扩增子测序及宏基因组测序技术鉴定原位驯化微生物及可培养驯化微生物的群落结构，预测耐Cd微生物相关基因功能；通过分析BCMs对不同稻田土壤及水稻根际土壤有机质、pH值、Eh、CEC、微生物群落结构、Cd形态分布、及稻米Cd积累的影响，并结合BCMs表面特性、Cd形态及定殖微生物群落结构的变化，揭示BCMs对不同特性稻田土壤Cd形态转化及土壤-水稻系统Cd迁移的综合调控机制，为生物质炭固定化微生物强化修复稻田土壤Cd污染提供理论依据与技术手段。

针对稻田土壤Cd中、轻度污染问题，本研究以原位固定稻田土壤Cd为目标，采用对土壤微生物进行原位驯化与培养基富集的方式，筛选出高效耐受Cd的菌株。通过比较不同菌株在溶液与土壤中固定Cd的效果，筛选出可以高效固定土壤Cd的菌株，以生物质炭为载体，制备了固定化菌群（BCMs）材料，并对该材料进行了溶液Cd吸附实验与水稻盆栽实验，测定了BCMs对水稻根际土壤有机质、pH值、Eh、微生物群落结构、Cd形态分布、及稻米Cd积累的影响。结果表明：（1）高温（700C）制备的杨木屑炭和水稻秸秆炭能够显著降低土壤有效Cd与弱酸提取态Cd浓度，并增加土壤残渣态Cd比例，增加土壤细菌多样性指数；（2）分别以高温制备的木屑炭和稻杆炭与高效固定镉的菌群（伯克霍尔德菌，贪铜菌和蜡样芽孢杆菌）制备BCMs，分别标记为WSB-MS1和RSB-MS1，两种材料都可以有效吸附溶液中的Cd，两种固定化菌群小球材料吸附Cd的过程均符合伪二级动力学吸附方程（R2分别0.971和0.931），Freundlich和Langmuir方程都可以很好的拟合两种材料对Cd的等温吸附曲线，最大吸附量分别为79.78 mg g-1 和134.64 mg g-1。（3）与对照相比，RSB-MS1处理的籽粒Cd含量显著降低35.0%，主要是由于土壤有效Cd含量和Cd从根向籽粒转移的系数降低；而WSB-MS1处理籽粒Cd降低30.1%，主要是由于Cd从根向籽粒转移降低；且RSB-MS1处理降低了土壤弱酸提取态Cd比例，增加了残渣态比例；（4）与对照相比，RSB-MS1与WSB-MS1显著提高了土壤pH值和有机质含量，并增加了水稻千粒重约5%。（5）两种BCMs处理改变了土壤细菌的相对丰度和群落结构，降低了其丰度和多样性；影响细菌群落结构的关键环境因子为土壤DOC和EC。该研究为修复稻田土壤Cd污染提供了理论依据与技术手段。