多種微生物菌株在鎘污染土壤修復中的效能比較研究

摘 要：當前，土壤重金屬污染，特別是鎘污染，日趨嚴重，對生態和人類健康構成嚴重威脅。本實驗成功篩選出5種具有鎘耐受和吸收能力的微生物菌種，包括韓國假單胞菌、賴氏菌屬等。深入研究它們的鎘耐受程度與吸收機制，并利用專業軟件進行數據分析和可視化，不僅為重金屬污染土壤治理提供理論依據，還為未來篩選高效微生物菌種應對鎘污染問題奠定基礎。

關鍵詞：土壤重金屬污染；鎘污染；微生物菌種；數據分析；土壤治理

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–0-03

當前，土壤重金屬污染問題愈發嚴重，其中鎘污染尤為嚴重，對生態環境和人類健康構成巨大威脅[1]。從鎘污染的農田土壤中分離出具有鎘耐性和鎘吸附性的微生物菌種，精心篩選，期望找到能夠有效應對鎘污染的菌種資源。同時，深入探究不同細菌對鎘離子的吸收動力學規律，以便更好地理解它們在土壤中的行為模式[2-4]。希望這些研究能夠為鎘污染土壤的修復提供有力的理論依據，為改善土壤環境、保護人類健康作出積極貢獻。

1 實驗材料、設計與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 水稻品種

實驗采用的水稻品種，是由四川農業大學水稻研究所提供的特殊品種——具有鎘高積累特性的水稻材料IR34582。

1.1.2 實驗試劑

為了確保水稻幼苗茁壯成長，精心選擇了木村B營養液，其濃度從初始的1/8逐步提升至1/4、1/2，直至全濃度，以滿足水稻幼苗在不同生長階段的需求。同時，為了增強水稻抗性，特別采用了微生物菌液進行接種。在細菌培養方面，本實驗選用了含有胰蛋白胨、酵母提取物和NaCl的LB培養基，以確保細菌正常繁殖。此外，還準備了充足的超純水，以備實驗所需，確保實驗順利進行[5]。

1.2 實驗設計

1.2.1 微生物分離與培養

對水稻植株懸濁液進行梯度稀釋，涂布于含不同濃度鎘（0.889 7～5.338 2 mmol/L）的LB平板上，每個濃度設3個平行，觀察生長狀況以篩選鎘耐性微生物。分離到的菌株通過Sanger測序確定屬種，并用甘油保存。

1.2.2 營養液培養實驗

消毒后的水稻種子育苗至三葉期，逐步增加營養液濃度至全量培養約2周。之后接種微生物菌懸液，每個月3次，1個月后測定水稻地上部與根系鎘含量，篩選降鎘菌株。

1.2.3 水稻水培實驗

選取飽滿的水稻種子，消毒催芽后暗黑育苗于珍珠巖基質上。7 d后移至光照培養室，用營養液培養至兩葉一心時移栽至培養盆。每盆3株，預培養14 d。隨后分為接菌組（BA）和不接菌組（CK），添加鎘處理[6-7]。

本實驗于2022年12月—2023年4月進行，每組重復4次以確保結果準確性。

1.3 實驗方法

1.3.1 細菌對鎘耐受性與吸附能力測定

（1）耐受性測定：通過不同鎘濃度（0～6 mmol/L）的LB培養基，30 ℃、180 r/min振蕩培養48 h，比較OD600值判斷菌株耐鎘能力。

（2）吸附能力測定：在固定鎘濃度（0.2～0.8 mmol/L）

下培養，離心后利用ICP-MS測定上清液鎘含量，評估菌株吸附能力。

（3）不同脅迫時間耐受性：在0.2 mmol/L鎘濃度下，測定不同時間點（12～48 h）的OD600值，分析菌株生長情況。

（4）不同脅迫時間吸附能力：同樣在0.2 mmol/L鎘濃度下，不同時間點收集上清液測定鎘含量，研究菌株吸附動態。

（5）pH變化測定：通過對比BA與CK處理的pH值，

分析細菌培養過程中pH的變化，判斷其產酸或產堿能力。

1.3.2 韓國假單胞菌對水稻與鎘吸收的影響

溶液培養試驗表明，韓國假單胞菌在鎘濃度為

0.005 mmol/L條件下對水稻生長具有積極影響。通過對比CK與BA處理，觀察水稻長勢并測量生物量株高、根長等生理指標，評估菌株對水稻生長和鎘吸收的影響。

2 結果與分析

2.1 微生物分離和培養

經過富集培養、分離純化，篩選出5株對鎘離子具有較高耐性的細菌菌株能在較高鎘濃度的平板上生長。經過初步鑒定，5種菌株如圖1所示：菌劑5為韓國假單胞菌，菌劑7為賴氏菌，菌劑11為不動桿菌，菌劑13為熒光假單胞菌，菌劑22則為溶血葡萄球菌。這5種菌株各具特色，為后續研究提供了豐富的素材和可能。

2.2 細菌對鎘耐受性和吸附能力測定

2.2.1 水培實驗

水培實驗旨在進行降低水稻鎘含量的根際促生菌的初步篩選。鎘以CdCl2·2.5H2O的形式施入，培養結束后發現，在鎘脅迫下，接菌5、7、11、13、22根系的鎘含量相較于CK顯著降低，符合微生物分離和培養的結果，篩選出以上5種菌株進行下一步研究。

2.2.2 不同鎘濃度、48 h鎘脅迫時間各菌株對鎘的耐受性

實驗設置了不同鎘濃度梯度，脅迫處理48 h后，實驗數據顯示，隨著鎘濃度上升，菌株生長受抑制。

1 mmol/L鎘濃度下，菌株生長顯著受抑，耐鎘能力各異。高濃度鎘下，各菌株生長抑制加劇，但13菌株在6 mmol/L下仍生長，表現出最強耐鎘性。

2.2.3 不同鎘濃度、48 h鎘脅迫時間各菌株的吸鎘能力

通過初步實驗，發現當鎘濃度為1 mmol/L時，各菌株的生長均顯著受到抑制。為了更精確地探究不同菌株的鎘吸收能力，調整了鎘的濃度梯度，將其設定為0.2～0.8 mmol/L，并進行了吸鎘率的測定。

通過觀察實驗數據，發現隨著鎘濃度的逐漸降低，各菌株的吸鎘能力顯著增強。在0.8 mmol/L鎘脅迫下，5菌株和13菌株展現出最強的吸鎘能力，其次是11、22和7菌株。當鎘濃度降至0.6 mmol/L時，各菌株的吸鎘能力進一步提升，尤其13菌株最為顯著。降低至0.4 mmol/L后，各菌株的吸鎘能力繼續增強，13菌株仍領先，其后是7、22、5和11菌株。在最低的0.2 mmol/L鎘濃度下，各菌株的吸鎘能力達到新高，5菌株和13菌株再次表現出最強的吸鎘能力，7、22和11菌株緊隨其后。

2.2.4 相同鎘濃度、不同鎘脅迫時間各菌株對鎘的耐受性

調整實驗條件，將鎘濃度統一設定為0.2 mmol/L，并在不同時間段對菌株的鎘吸收和OD600進行了測定。通過觀察實驗數據，隨著鎘脅迫時間的延長，各菌株的生長總體呈現上升趨勢。特別是在鎘脅迫18～24 h，13和5菌株的生長進入穩定期；而7菌株則在18～36 h內生長迅速，之后也進入穩定期；11菌株則在24～36 h內達到生長穩定。結果表明，不同菌株在相同鎘濃度下的生長響應和穩定期存在差異。

2.2.5 相同鎘濃度、不同鎘脅迫時間各菌株的吸鎘能力

調整實驗條件，將鎘濃度統一設定為0.2 mmol/L，并在不同時間段對菌株的吸鎘能力進行了測定。通過觀察實驗數據，發現在鎘脅迫時間不斷延長的情況下，各菌株對鎘的吸附能力逐漸增強。當鎘脅迫達到50 h時，各菌株的吸附能力均達到頂峰。在所有菌株中，13菌株和5菌株的吸附能力尤為突出，位列前二，其次是7菌株和11菌株，它們的吸附能力也相當可觀。

2.2.6 細菌生長引起的培養基pH變化情況

通過觀察實驗數據可知，各BA的培養基pH值均顯著高于CK，這表明各菌劑均具備產堿能力。值得注意的是，當培養基pH偏堿性時，鎘主要呈現為氧化物結合態和殘留態，這兩種形態下的鎘相對穩定，從而有效降低了鎘的吸收。特別值得一提的是，5號菌劑在降低鎘吸收方面的效果相較于13號菌劑更為顯著，顯示出其在應對鎘污染問題上的優越性能。這一發現對于今后利用微生物技術處理鎘污染具有重要指導意義。

2.3 韓國假單胞菌對水稻農藝性狀的影響

2.3.1 生物量

觀察圖2可以發現，BA水稻的根系干重顯著高于CK。具體來說，BA的根系干重約為0.04 g/株，而CK僅為0.025 g/株。同樣的，BA的地上部干重也明顯高于CK，前者約為0.1 g/株，后者僅為0.05 g/株。由此可以看出，BA水稻的生物總量明顯高于CK，且其長勢也更為旺盛，顯示接菌處理對水稻生長的積極促進作用。

2.3.2 株高、根長

對比CK與BA兩組水稻實驗（圖3）發現，在0.005 mmol/L的鎘添加濃度下，BA的水稻長勢顯著優于CK。觀察根系掃描儀圖像發現，BA水稻地上部長度約為21 cm，根系長度約為19 cm，顯示出較小的鎘抑制。相比之下，CK與水稻地上部長度僅約15 cm，根系長度約13 cm，長勢明顯較差，鎘抑制效應更為顯著。這一結果凸顯了接菌處理在緩解鎘脅迫、促進水稻生長方面的積極作用。

2.3.3 水稻不同器官鎘含量測定

由圖4可以觀察到，BA與CK的根系鎘含量大致相當，均保持在約670 mg/kg的水平。然而，在地上部的鎘含量方面，BA卻展現出了顯著的優勢。具體而言，BA的地上部鎘含量約為120 mg/kg，明顯低于CK的187 mg/kg。這一結果表明，韓國假單胞菌菌株在吸收鎘方面具有較強的能力，能夠有效降低地面鎘含量，對減輕鎘污染具有積極意義。

2.3.4 水稻根系生長發育測定

由根系掃描圖（圖5）可知水稻根系的長度、表面積、體積和水稻根尖數量等基本生長情況。BA水稻根系長度達175 cm，遠超CK的68 cm。BA的根系表面積與體積也顯著增大，分別為17 cm2和0.36 cm3，而CK僅為6 cm2和0.08 cm3。此外，BA根尖數量也顯著多于CK，分別為430根和210根。這些數據凸顯了接菌處理對水稻根系生長的明顯促進作用。

3 結論

從農田土壤樣本中篩選出了5種能有效降低水稻鎘吸收能力的菌種。這些菌種在治理鎘污染中展現出獨特潛力，特別是韓國假單胞菌，其能促進水稻側根形成并降低鎘的生物有效性，顯著提高水稻抗鎘性。該發現不僅揭示了這些菌種在水稻降鎘中的關鍵作用，還為應對土壤鎘污染提供了新的視角。未來，這些菌種的進一步研究和應用有望在農業生產和生態環境保護中發揮重要作用。

參考文獻

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