






摘要:【目的】篩選高耐重金屬、具有促進植物生長作用及高效阻控重金屬向葉菜地上部轉移的微生物,為生物修復重金屬污染土壤提供優質的微生物資源。【方法】以芽孢桿菌為供試菌株,通過選擇性培養基篩選耐鉛(Pb)菌株,采用稀釋涂板法確定其最大耐Pb2+濃度;設置不同濃度Pb2+(25、50、100、200、400 mg/L)水溶液,利用原子吸收光譜法分析菌株對Pb的吸附能力;通過種子萌發試驗,分析菌株對雞毛菜的促生作用;采用不同濃度Pb2+(0.3、30 mg/L)溶液進行水培試驗,研究菌株對雞毛菜地上部吸收Pb的阻控作用。【結果】在Pb2+濃度為1800 mg/L的LB固體培養基上,篩選得到1株能正常生長且產鐵載體的枯草芽孢桿菌。該菌株在水溶液中自然pH、Pb2+初始濃度50 mg/L、濕菌體濃度16 g/L、溫度30℃、轉速150 r/min、吸附時間24 h的條件下,對Pb的吸附率最高達96.1%。種子萌發試驗結果顯示,在有無Pb脅迫下,枯草芽孢桿菌均可明顯增加雞毛菜種子的胚芽長和胚根長。水培試驗結果表明,在較高Pb2+濃度(30 mg/L)下,與未接菌處理相比,接種枯草芽孢桿菌處理的雞毛菜鮮重和干重分別極顯著增加148.8%和125.0%(Plt;0.01);接種菌株處理(Pb2+濃度0.3、30 mg/L)使雞毛菜地上部Pb含量較未接菌處理分別顯著降低53.5%和38.9%(Plt;0.05,下同),Pb轉移系數分別顯著下降23.1%和20.5%。【結論】篩選得到1株枯草芽孢桿菌,不僅對Pb有高耐性和高吸附率,還具有顯著的植物促生功能和阻控Pb向雞毛菜地上部轉移的能力。
關鍵詞:芽孢桿菌;雞毛菜;重金屬;鉛;阻控作用
中圖分類號:S636.9文獻標志碼:A文章編號:2095-1191(2025)02-0655-09
Screening of Bacillus with high lead tolerance and its blocking effects on the lead uptake of Brassica chinensis
LIANG Xue-lian1,CHEN Wei1,ZHANG Lu2,LIAO Jie1,JIANG Wen-yan1,LU Wei-fan1,WANG Hai-jun1,WANG Tian-shun1*
(1Research Institute of Agro-products Quality Safety and Testing Technology,Guangxi Academy of Agriculture Sciences/Total Quality Control Technology Nanning Center for National Newamp;Special Agricultural Product,Nanning,Guangxi530007,China;2China Certificationamp;Inspection Group Guangxi Co.,Ltd.,Nanning,Guangxi 530022,China)
Abstract:【Objective】To screen microorganisms which had high tolerance to heavy metals,promoted plant growth and effectively blocked the transfer of heavy metals to the aboveground part of leafy vegetables,which could provide high-quality microbial resources for bioremediation of heavy metal contaminated soil.【Method】Bacillus was used as the test strain,which was screened for lead(Pb)resistant strains through selective media,and the maximum tolerance con-centration of Pb was determined using the dilution plating method.Different concentrations of Pb2+(25,50,100,200,400 mg/L)solutions were set up to analyze the strain’s adsorption capacity for Pb using atomic absorption spectrometry.Germination experiments were conducted to analyze the growth promoting effects of the strain on the germination of Bras-sica chinensis seeds.Hydroponic experiments with different concentrations of Pb2+(0.3,30 mg/L)were conducted to in-vestigate the ability of the strain to block the absorption of Pb in the aboveground parts of Brassica chinensis.【Result】One strain of Bacillus subtilis was screened on LB solid medium with 1800 mg/L Pb2+concentration,which could grow normally and produce siderophore.Under conditions of natural pH,Pb2+initial concentration of 50 mg/L,wet strain con-centration of 16 g/L,temperature of 30℃,rotation speed of 150 r/min and adsorption time of 24 h,the strain achieved the highest Pb adsorption rate up to 96.1%.The seed germination experiment results showed that the Bacillus subtilis in-creased the germ length and root length of Brassica chinensis seeds under both Pb stress and non-stress conditions.The re-sults of the hydroponic experiment showed that,compared to non-inoculated treatments,at a higher Pb2+concentration(30 mg/L),the fresh weight and dry weight of B.chinensis treated with Bacillus subtilis increased significantly by 148.8%and 125.0%respectively(Plt;0.01),the inoculation treatments with bacterial strains at Pb2+concentrations of 0.3 and 30 mg/L significantly reduced the Pb content in the aboveground parts ofBrassica chinensis by 53.5%and 38.9%(Plt;0.05,the same below)respectively,the Pb transfer coefficient was also significantly decreased by 23.1%and 20.5%respectively.【Conclusion】A strain of Bacillus subtilis has been screened,which not only exhibits high tolerance and adsorption capacity for Pb,but also shows significant plant growth promoting functions and the ability to block Pb trans-fer to the aboveground parts of Brassica chinensis.
Key words:Bacillus;Brassica chinensis;heavy metal;lead;block effect
Foundation items:General Project of Guangxi Natural Science Foundation(2024GXNSFAA010469);Basic Re-search Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences(Guinongke 2021YT137,Guinongke 2023YM118);Pioneer of Science and Technology’s“Strengthening Agriculture and Enriching the People”and“Six Ones”Special Actions(Gui-nongkemeng 202516)
0引言
【研究意義】隨著工業快速地發展,近幾年有關蔬菜地重金屬污染超標的報道日益增多,在鉛(Pb)污染為主的土地種植蔬菜,其可食部分Pb含量均顯著超標(李想等,2020;賈艷麗等,2022;王建兵等,2024)。Pb具有較強毒性,食用后會對人體健康造成嚴重危害。低濃度Pb會產生慢性效應,中濃度Pb則會產生急性效應,而高濃度Pb會給生態系統帶來嚴重危害。如10 mg/LPb對敏感性生物內分泌系統有不良影響,而1000 mg/L Pb可完全破壞生態系統(Brink et al.,2020)。面對目前農用土地重金屬污染的嚴峻形勢,修復治理重金屬污染土壤,降低土壤重金屬有效性,從而減少農作物中重金屬含量已成為研究熱點之一(何雪蓮等,2023)。其中,利用微生物阻控農作物吸收、積累重金屬已成為熱門的研究方向(Yao et al.,2021;許天宇等,2023;莊杰等,2024)。與其他類型的蔬菜相比,葉菜類蔬菜更容易吸收、積累重金屬(陳志琴等,2022)。雞毛菜是富含維生素和礦物質的葉菜類蔬菜之一,深受消費者喜歡,在全國各地均有栽培;但有報道顯示市售的雞毛菜Pb含量為各類蔬菜中最高(徐映如等,2021)。因此,探討高耐Pb菌株對雞毛菜生長及其吸收重金屬Pb的影響,對實現重金屬污染農田生產和修復同時進行具有重要意義。【前人研究進展】目前,治理重金屬污染土壤的措施主要有化學修復、物理修復和生物修復(朱雅琪等,2024)。物理和化學修復技術具有成本高、容易造成二次污染等缺點(Ali etal.,2013),而生物修復技術因具有成本低、對環境友好、無二次污染等優點得到廣泛的應用和發展(李冬和范曉琳,2019;李天成等,2024)。其中,微生物修復技術通過微生物對重金屬的吸收積累、沉淀、吸附、氧化和還原轉化等作用,將重金屬離子轉化為低毒化學形態,降低環境中重金屬毒性而備受關注(文雅等,2020;付思遠等,2023)。此外,有研究顯示,具有重金屬鈍化功能的植物促生菌可通過產生鐵載體、吲哚乙酸(IAA)等物質促進植物生長,以及通過生物吸附、分泌代謝產物與重金屬螯合、或改變重金屬形態來固定重金屬,從而降低作物對重金屬的吸收(Etesami and Maheshwari,2018;Ge etal.,2023)。芽孢桿菌作為一種常見的植物促生菌,不僅抗逆能力強,還可與植物根系形成共生關系(張藝燦等,2020),且大多數芽孢桿菌對重金屬污染土壤具有修復能力(余勁聰等,2016;楊文玲等,2021)。紀宏偉等(2015)研究發現,枯草芽孢桿菌可使土壤有效態鎘(Cd)含量降低5.1%~42.6%,且培養時間越長,鈍化效果越顯著。楊麗等(2018)研究發現,1株耐Cd、Pb芽孢桿菌不僅能促進辣椒生長發育,還可阻控辣椒吸收重金屬。Han等(2020)從重金屬污染農田白菜根際土中分離得到1株巨大芽孢桿菌N3,其可分泌脫落酸(ABA)和IAA等物質,通過胞外吸附和沉淀使土壤pH升高,減弱土壤Cd和Pb生物活性,進而降低白菜葉片Cd和Pb含量。張凈然等(2024)研究表明,接種巨大芽孢桿菌能顯著降低小麥根系Cd的富集能力,并使根際土壤砷(As)有效性顯著降低8.2%,小麥地上部對As富集率及由根向莖葉轉運率分別顯著降低27.9%和41.2%。【本研究切入點】芽孢桿菌是修復土壤重金屬污染的理想微生物資源,但目前對重金屬耐受性強、吸附率高,同時對植物具有促生作用、可阻控重金屬向植物地上部轉移的芽孢桿菌篩選研究甚少,此類型的菌種資源缺乏。【擬解決的關鍵問題】以從菌種庫購買的芽孢桿菌為試驗材料,通過耐受試驗篩選高耐Pb芽孢桿菌,探索其對水溶液中Pb的吸附能力;通過種子萌發試驗分析該菌株對雞毛菜的促生性能,通過水培試驗研究其對雞毛菜地上部吸收Pb的阻控能力,以豐富重金屬Pb污染農用土地的微生物修復資源庫,為微生物修復重金屬污染土壤提供科學依據。
1材料與方法
1.1試驗材料
芽孢桿菌菌株(產品編號:BNCC194976)購自北納生物科技有限公司;雞毛菜種子購自壽光欣欣然園藝有限公司。LB培養基、CAS培養基、King’B培養基和Ashby無氮培養基均購自青島海博生物技術有限公司。硝酸鉛[Pb(NO3)2]為優級純,購自昆山金城試劑有限公司。主要儀器設備:EHD36電熱消解儀(北京萊伯泰科儀器有限公司)、PE900T原子吸收光譜儀(美國珀金埃爾默股份有限公司)。
1.2高耐Pb芽孢桿菌菌株篩選
將芽孢桿菌菌株接種到LB液體培養基中培養24 h,再將菌株稀釋涂布于含有100 mg/L Pb2+的LB固體培養基上,于恒溫培養箱中30℃培養48h。對有菌落長出的菌株,繼續稀釋涂布于逐步增加Pb2+濃度的LB固體培養基上,最終確定菌株對Pb耐受度,篩選出耐受度最高的菌株,用于后續試驗。
1.3菌株的生物學特性試驗
1.3.1解磷能力測定配制有機、無機磷固體培養基,將篩選出的菌株點種在培養基上,30℃培養3d,具有解磷作用的菌株會在菌落周圍形成透明的溶解圈。
1.3.2產淀粉酶能力測定配制含淀粉固體培養基,將篩選出的菌株點種在培養基上,30℃培養2 d,在長出的單菌落上滴1滴盧戈碘液,具有產淀粉酶能力的菌株會在菌落周圍形成透明的溶解圈。
1.3.3產鐵載體能力測定將篩選出的菌株點種在CAS檢測培養基上,30℃培養5d,觀察菌落。若菌落周圍存在明顯透明的溶解圈,則證明菌株具有產鐵載體能力。
1.3.4產IAA能力測定將篩選出的菌株接種于King’B液體培養基中,培養3 d,分別取500μL離心后的上清液和Salkowski比色液混勻,于暗處靜置30 min,等待顯色。用King’B液體培養基和50mg/L IAA替換菌液分別作為陰性對照和陽性對照,通過顏色變化初步判斷是否產IAA。
1.3.5固氮能力測定將篩選出的菌株點種在Ashby無氮固體培養基上,30℃培養3d,觀察菌落。若菌落周圍存在明顯透明的溶解圈,則證明菌株具有固氮能力。
1.4不同條件下高耐Pb菌株的Pb吸附能力測定
在含Pb水溶液中,以濕菌體濃度、吸附時間和Pb2+初始濃度為影響因素,考察確定菌株的最佳吸附條件。設置條件:固定吸附時間0.5 h、Pb2+初始濃度100 mg/L,濕菌體濃度分別設為4、8、12、16和20 g/L;固定濕菌體濃度16 g/L、Pb2+初始濃度100 mg/L,吸附時間分別設為0、0.5、1、4、8、24和48 h;固定濕菌體濃度16 g/L、吸附時間24 h,Pb2+初始濃度分別設為25、50、100、200和400 mg/L;均置于恒溫培養箱中30℃、150 r/min振蕩培養,培養后于離心機中6000 r/min離心5 min,收集上清液采用原子吸收光譜儀測定Pb2+濃度,計算Pb吸附率。
Pb吸附率(%)=(Pb2+初始濃度-Pb2+終濃度)/Pb2+初始濃度×100
1.5 Pb脅迫下菌株對雞毛菜促生、Pb吸收的影響
1.5.1菌株對雞毛菜萌發期的影響將過夜培養24 h的高耐Pb芽孢桿菌菌液稀釋1000倍。處理液試驗設計:將菌液再稀釋100倍后加入適量60000 mg/L Pb2+溶液,使Pb2+濃度分別為0、100、300和600 mg/L,共設8個處理,分別為0(Pb2+濃度為0 mg/L,不加菌液)、0-k(Pb2+濃度為0 mg/L,加菌液)、100(Pb2+濃度為100 mg/L,不加菌液)、100-k(Pb2+濃度為100 mg/L,加菌液)、300(Pb2+濃度為300 mg/L,不加菌液)、300-k(Pb2+濃度為300 mg/L,加菌液)、600(Pb2+濃度為600 mg/L,不加菌液)、600-k(Pb2+濃度為600 mg/L,加菌液),每處理3個重復。每個培養皿底部鋪置3層滅菌濾紙,放置30顆經75%乙醇消毒的雞毛菜種子,加5 mL處理液,置于28℃黑暗環境下培養,在第7 d記錄種子發芽數,計算種子發芽率,并用游標卡尺測量胚根長和胚芽長。
種子發芽率(%)=發芽種子數/試驗種子總數×100 1.5.2菌株對雞毛菜幼苗促生、Pb吸收的影響雞毛菜種子用75%乙醇消毒后,放入培養皿(底部鋪置3層滅菌濾紙)中,置于28℃黑暗環境下發芽,再轉移到營養瓊脂培養基中培養至長出5~6片真葉,選取生長一致的幼苗,用去離子水沖洗干凈。將幼苗根浸于菌液(經過夜培養24h的高耐Pb芽孢桿菌菌液稀釋100倍)1 h后,分別轉移至含有250 mL 1/2 Hoagland營養液(Pb2+濃度分別為0、0.3、30 mg/L)的塑料容器中,分別標記為0-k、0.3-k和30-k處理,每盆6株;同時,將幼苗根浸于去離子水中處理1h后,分別轉移至含有250 mL 1/2 Hoagland營養液(Pb2+濃度分別為0、0.3、30 mg/L)的塑料容器中,分別標記為0、0.3和30處理,每處理3個重復。將各處理幼苗在10h光照、14 h黑暗條件下培養。試驗期間,為減少水分蒸發,每隔5 d添加含相應Pb2+濃度水溶液至初始水位線。培養15 d后,按上述方法制備菌液,再次進行浸根處理,分別轉移至含有250 mL 1/2 Hoa-gland營養液(Pb2+濃度分別為0、0.3、30 mg/L)培養。水培30 d后收獲雞毛菜,分地上部和地下部(根),分別用去離子水清洗干凈;根再用0.01 mol/L EDTA-2Na溶液浸泡10min,然后用去離子水沖洗干凈,稱量濕重,放入烘箱105℃殺青30 min后,于65℃烘干至恒重,稱量干重。烘干的樣品經消解處理成待測液,采用原子吸收光譜儀測定消解液Pb含量,并計算雞毛菜地下部和地上部Pb含量及轉移系數。
轉移系數=地上部Pb含量/地下部Pb含量
1.6統計分析
采用DPS 7.05和Origin Pro 2021統計分析數據和制圖。
2結果與分析
2.1高耐Pb芽孢桿菌菌株的篩選結果
在30℃培養條件下,不同Pb2+濃度下各種芽孢桿菌菌株的生長狀況如表1所示,5株芽孢桿菌菌株對Pb均有一定耐受性,其中枯草芽孢桿菌對Pb耐受度最高,其在Pb2+濃度為1800 mg/L條件下仍可生長,確定枯草芽孢桿菌進行后續試驗。
2.2菌株的生物學特性
由表2可知,枯草芽孢桿菌無解磷、產淀粉酶、產IAA及固氮等特性,但在鐵載體定性檢測中呈陽性,具有產鐵載體能力,表明該枯草芽孢桿菌具有一定的植物促生能力。
2.3不同條件下高耐Pb菌株的Pb吸附能力分析結果
2.3.1濕菌體濃度如圖1-A所示,隨著濕菌體濃度的增加,枯草芽孢桿菌對水溶液中Pb的吸附率呈升高趨勢。當濕菌體濃度由4 g/L增至16 g/L時,Pb吸附率從30.0%升至85.1%,之后繼續增加濕菌體濃度,Pb吸附率升高趨勢較緩;當濕菌體濃度為20 g/L時,Pb吸附率為90.4%。表明濕菌體濃度對水溶液中Pb吸附率的影響較大。綜合考慮,枯草芽孢桿菌吸附Pb的最佳濕菌體濃度為16 g/L。
2.3.2吸附時間如圖1-B所示,隨著吸附時間的延長,枯草芽孢桿菌對水溶液中Pb的吸附率有所變化。菌株對Pb的吸附率在0 h時極快達到平衡,吸附率為82.6%,說明枯草芽孢桿菌對Pb吸附是一個相對快速的過程;在0.5~4 h內吸附率無明顯變化,在8h時吸附率有升高趨勢,8~24 h吸附率增長相對較快,24~48 h吸附率已趨于穩定;在24~48 h吸附率均在90.0%左右。表明枯草芽孢桿菌在不同時間段下對Pb的吸附能力均較強,但延長吸附時間至48h吸附效果并不會持續增加,處于飽和狀態。綜合考慮,枯草芽孢桿菌吸附Pb的最佳時間為24h。
2.3.3 Pb2+初始濃度不同Pb2+初始濃度對枯草芽孢桿菌吸附Pb的效果影響如圖1-C所示,Pb吸附率隨Pb2+初始濃度增加呈先升高后快速下降的變化趨勢。Pb2+初始濃度為50 mg/L時,Pb吸附率最高,達96.1%;Pb2+初始濃度升至200 mg/L時,Pb吸附率下降至58.4%;當Pb2+初始濃度為400 mg/L時,Pb吸附率僅為40.3%。
2.4 Pb脅迫下枯草芽孢桿菌對雞毛菜萌發期、幼苗生長影響及其吸收Pb的阻控作用
2.4.1枯草芽孢桿菌對雞毛菜萌發期的影響如圖2-A所示,接菌處理(0-k、100-k、300-k、600-k)的雞毛菜種子發芽率均為100%,表明雞毛菜種子對Pb具有較強的耐受度,適用于本研究的對象。在無Pb脅迫下,與未接菌處理(0)相比,接菌處理(0-k)雞毛菜的胚根長和胚芽長分別顯著增加26.6%和66.7%(rlt;0.05,下同);在Pb脅迫下,未接菌處理(100、300、600)的雞毛菜胚根和胚芽生長發育受到明顯的抑制作用,特別是胚根長在300和600 mg/LPb2+脅迫下分別下降77.3%和89.8%;在100 mg/L Pb2+脅迫下,與未接菌處理(100)相比,接菌處理(100-k)雞毛菜的胚根長和胚芽長分別增加21.3%和86.4%;在300 mg/L Pb2+脅迫下,與未接菌處理(300)相比,接菌處理(300-k)雞毛菜的胚根長和胚芽長分別增加37.9%和82.4%;在600 mg/L Pb2+脅迫下,與未接菌處理(600)相比,接菌處理(600-k)雞毛菜的胚根長和胚芽長分別增加146.2%和48.1%(圖2-B和圖2-C)。總之,100、300和600 mg/L Pb2+脅迫下,接種枯草芽孢桿菌均能提高雞毛菜的胚根長和胚芽長。表明枯草芽孢桿菌可緩解Pb對雞毛菜萌發期的毒害作用,在有Pb或無Pb脅迫環境下對雞毛菜種子萌發均有一定的促生作用。
2.4.2枯草芽孢桿菌對雞毛菜生長、吸收Pb的影響
由表3可知,在無Pb脅迫下,與未接菌處理(0)相比,接菌處理(0-k)雞毛菜的鮮重和干重分別提高45.4%和37.5%。在無接菌條件下,Pb脅迫處理(0.3、30)雞毛菜的鮮重和干重相較于無Pb處理顯著上升;尤其是在低濃度Pb處理(0.3)條件下,雞毛菜的鮮重和干重分別極顯著增加224.3%和184.4%(rlt;0.01,下同),表明低濃度Pb2+對雞毛菜生長具有顯著的促進作用。因此,在低濃度Pb2+脅迫下,由于單獨Pb已對雞毛菜表現出明顯的促生效果,使得接菌處理(0.3-k)對雞毛菜生長的額外促進效果不明顯。然而,在較高Pb2+濃度條件下,接菌處理(30-k)的雞毛菜鮮重和干重較未接菌處理(30)分別極顯著增加148.8%和125.0%,說明接種枯草芽孢桿菌能在較高Pb2+濃度條件下極顯著提高雞毛菜的生物量。綜上所述,無論是在無Pb還是在不同濃度Pb2+條件下,接種枯草芽孢桿菌均對雞毛菜生長有顯著的促進作用;特別是在高濃度Pb2+環境下,接種該菌株更能促進雞毛菜的生長,增加其鮮重和干重。
由圖3可知,與未接菌處理(0.3、30)相比,接菌處理(0.3-k、30-k)的雞毛菜地上部Pb含量均顯著降低,分別降低53.5%和38.9%。表明接種枯草芽孢桿菌可有效降低雞毛菜地上部Pb含量。
由表4可知,與未接菌處理(0.3、30)相比,接菌處理(0.3-k、30-k)均能使雞毛菜地上部Pb轉移系數下降,其中0.3 mg/L Pb2+處理的雞毛菜地上部Pb轉移系數極顯著下降23.1%,30 mg/L Pb2+處理的雞毛菜地上部Pb轉移系數下降20.5%。雞毛菜地上部Pb含量和轉移系數的降低,說明接種枯草芽孢桿菌有利于阻控雞毛菜對Pb的吸收。
3討論
芽孢桿菌是一類抗逆能力強,且可與植物根系形成共生關系的常見促生菌(張藝燦等,2020)。部分芽孢桿菌不僅可促進植物生長發育、改善土壤根際環境,還具有阻控植物吸收重金屬的能力(車建美等,2015;楊麗等,2018;申佳麗等,2021)。葛占標等(2020)發現貝萊斯芽孢桿菌B9和B25可阻控蔬菜吸收Cd和Pb。本研究篩選得到1株在1800 mg/LPb2+濃度的LB固體培養基中正常生長的枯草芽孢桿菌,說明菌株對Pb有較高的耐受性;通過單因素試驗發現,該菌株對Pb吸附能力會隨著濕菌體濃度、吸附時間和Pb2+初始濃度的變化而變化;在濕菌體濃度為16 g/L、Pb2+初始濃度為50 mg/L、吸附時間為24 h的條件下,30℃、150 r/min振蕩培養,菌株對Pb的吸附率最高達96.1%,表明該菌株具有較強的重金屬吸附能力。種子萌發試驗和水培試驗結果表明,枯草芽孢桿菌對雞毛菜具有顯著的促生作用,接種菌株使雞毛菜地上部Pb含量和轉移系數與未接菌處理相比顯著下降,說明該菌株具有阻控Pb向上轉移的能力。芽孢桿菌具備重金屬吸附作用及重金屬污染土壤修復能力已有報道(鄒春艷等,2018;黃浩杰,2020),邵云等(2016)從鉛礦廠周邊農田篩選到1株芽孢桿菌對Pb的耐受濃度高達1700 mg/L,在Pb2+濃度為150 mg/L時,該菌株對Pb的吸附率最高為66.3%;章文波等(2022)從淤泥中篩選得到的耐Pb芽孢桿菌,在150 mg/L Pb2+濃度下,對Pb的吸附率達90.0%以上,且具有良好的促生潛力。與上述研究結果相比,本研究篩選得到的枯草芽孢桿菌不僅具有對Pb的高耐受性、高吸附能力及植物促生能力,還具有阻控植物吸收、積累重金屬的能力,為重金屬污染農用土地的微生物修復提供優質微生物資源。
本研究篩選到高耐Pb的枯草芽孢桿菌同時具有產鐵載體能力;通過種子萌發試驗,在有無Pb脅迫下,與未接菌處理相比,接菌處理的雞毛菜胚芽長和胚根長均有所增加,表明該菌株表現出明顯的促生效果,推測可能是菌株分泌的鐵載體參與了植物的生長發育及其抗逆過程,有利于提高菌株在重金屬脅迫環境中的促生作用(王亞軍等,2022;韋鑫等,2023)。通過水培試驗發現,在較高Pb2+濃度下,接種菌株可顯著增加雞毛菜的生物量;在不同Pb2+濃度下,與未接菌處理相比,接菌處理地上部Pb含量和轉移系數均顯著降低,阻控雞毛菜地上部吸收Pb的作用顯著。微生物阻控植物吸收重金屬的有效性主要取決于其產生的促生長物質。有研究表明,在重金屬脅迫條件下接種產鐵載體的菌株對一些植物的生長有促進作用。趙樹民等(2017)研究發現,經產鐵載體LY02的菌懸液處理后,黑麥草種子在Cd脅迫環境中發芽率顯著增加。李韻雅(2018)研究表明,特基拉芽孢桿菌CD36分泌的鐵載體可緩解Pb2+對芒草種子的脅迫與毒害作用。王亞軍等(2022)研究發現,高產鐵載體菌Burkholderia vietnamiensis YQ9及其培養上清液可提高重金屬脅迫下黑麥草和甜高粱種子的發芽率。基于上述研究結果,推測本研究的枯草芽孢桿菌可能具有利用鐵載體契合重金屬的特性(Khan et al.,2020),使環境中的Pb含量降低,從而阻控雞毛菜地上部對Pb的吸收與積累。本研究接種枯草芽孢桿菌處理可顯著降低雞毛菜地上部Pb含量,但未深入研究接種該菌是否可將雞毛菜地上部Pb含量降低至現行世界衛生組織食品安全標準規定的限量值(0.3 mg/kg)。因此,后續還需系統全面地研發該菌株適用條件,進一步降低葉菜地上部Pb含量,開展長期田間試驗,探究該菌株的作用機制及長期效果,為保障蔬菜安全生產提供有效技術途徑。
4結論
篩選得到1株枯草芽孢桿菌,不僅對Pb有高耐性和高吸附率,還具有顯著的植物促生功能和阻控Pb向雞毛菜地上部轉移的能力。
參考文獻(References):
車建美,劉波,郭慧慧,劉國紅,葛慈斌,劉丹瑩.2015.短短芽胞桿菌FJAT-0809-GLX對番茄促長作用的研究[J].福建農業學報,30(5):498-503.[Che J M,Liu B,Guo H H,Liu G H,Ge C B,Liu D Y.2015.Growth-promoting effect of Brevibacillus brevis FJAT-0809-GLX on tomato[J].Fu-jian Journal of Agricultural Sciences,30(5):498-503.]doi:10.19303/j.issn.1008-0384.2015.05.015.
陳志琴,劉奇珍,林強,陸利民,陸萍,金海洋,黃璐璐,楊肖娥.2022.不同葉菜品種鎘積累評價及降低鎘積累的措施[J].農業環境科學學報,41(8):1671-1681.[Chen Z Q,Liu Q Z,Lin Q,Lu L M,Lu P,Jin H Y,Huang L L,Yang X E.2022.Evaluation of cadmium accumulation in different leafy vegetable cultivars and approaches for reducing accumulation[J].Journal of Agro-Environment Science,41(8):1671-1681.]doi:10.11654/jaes.2021-1362.
付思遠,彭玉林,黃水明,郭達偉,李忠金,江麗芳,江巍,陳萍萍.2023.內生菌協助水稻緩解重金屬脅迫和積累研究進展[J].江蘇農業學報,39(3):859-872.[Fu S Y,Peng Y L,Huang S M,Guo D W,Li Z J,Jiang L F,Jiang W,Chen PP.2023.Research progress of endophytes in allevia-ting heavy metal stress and accumulation in rice[J].Jiangsu Journal of Agricultural Sciences,39(3):859-872.]doi:10.3969/j.issn.1000-4440.2023.03.028.
葛占標,殷涂童,周倩倩,張靜,盛下放,何琳燕.2020.產生物膜芽胞桿菌阻控葉菜吸收鎘、鉛及其修復菜地土壤的作用[J].南京農業大學學報,43(1):80-88.[Ge Z B,Yin T T,Zhou Q Q,Zhang J,Sheng X F,He LY.2020.Reduced cadmium and lead uptake by leafy vegetables and soil remediation in the presence of the biofilm-producing Bacil-lus strains[J].Journal of Nanjing Agricultural University,43(1):80-88.]doi:10.7685/jnau.201902022.
何雪蓮,韋超前,來楷迪,段明宇.2023.耕地土壤重金屬污染與修復技術研究進展[J].資源節約與環保,(12):141-148.[He X L,Wei C Q,Lai K D,Duan M Y.2023.Research progress of heavy metal pollution and remedia-tion technology in cultivated soil[J].Resources Econo-mizationamp;Environmental Protection,(12):141-148.]doi:10.16317/j.cnki.12-1377/x.2023.12.023.
黃浩杰.2020.三種微生物菌種對鎘的吸附作用及機理研究[D].太原:山西大學.[Huang H J.2020.Comparison of adsorption capacity and adsorption mechanism of three microorganisms to cadmium[D].Taiyuan:Shanxi Univer-sity.]doi:10.27284/d.cnki.gsxiu.2020.000448.
紀宏偉,王小敏,龐宏偉,李博文,張培培,郝佳騰.2015.枯草芽孢桿菌與巨大芽孢桿菌對土壤有效態Cd的影響研究[J].水土保持學報,29(3):325-329.[Ji H W,Wang X M,Pang H W,Li B W,Zhang P P,Hao J T.2015.Effect of Bacillus subtilis and Bacillus megaterium on soil available Cd[J].Journal of Soil and Water Conservation,29(3):325-329.]doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2015.03.059.
賈艷麗,郝春明,劉敏,張偉.2022.銻礦區土壤和蔬菜重金屬污染及健康風險評價[J].科學技術與工程,22(7):2943-2949.[Jia Y L,Hao C M,Liu M,Zhang W.2022.Soil-vegetable pollution of heavy metals and health risk assess-ment in antimony mining area[J].Science Technology and Engineering,22(7):2943-2949.]doi:10.3969/j.issn.1671-1815.2022.07.052.
李冬,范曉琳.2019.生物修復技術在土壤污染治理中的應用[J].節能與環保,(7):109-110.[Li D,Fan X L.2019.Application of bioremediation technology in soil pollution control[J].Energy Conservationamp;Environmental Protec-tion,(7):109-110.]doi:10.3969/j.issn.1009-539X.2019.0 7.049.
李天成,關清卿,劉自蓮,王琨.2024.微生物固定化技術在鉻污染修復中的應用及研究進展[[J].廣東化工,51(19):104-107.[Li T C,Guan Q Q,Liu Z L,Wang K.2024.Application of microbial immobilisation technology for remediation of chromium pollution and research progress[J].Guangdong Chemical Industry,51(19):104-107.]doi:10.3969/j.issn.1007-1865.2024.019.033.
李想,龍振華,朱彥諺,楊昳,李明堂.2020.東北設施葉菜類蔬菜鎘鉛污染安全生產分區研究[J].農業環境科學學報,39(10):2239-2248.[Li X,Long Z H,Zhu Y Y,Yang Y,Li M T.2020.Zoning of cadmium and lead pollution for the safe production of facility leafy vegetables in nor-theast China[J].Journal of Agro-Environment Science,39(10):2239-2248.]doi:10.11654/jaes.2020-0315.
李韻雅.2018.高產鐵載體根際促生菌的篩選及其在土壤修復方面的潛在應用[D].無錫:江南大學.[Li YY.2018.Screening of siderophore-high-yield plant growth promo-ting rhizobacteria and its potential application in soil reme-diation[D].Wuxi:Jiangnan University.]
邵云,郝真真,王海磊,李向力,王文斐,陳靜雯,王敬婼.2016.麥田土壤中抗鉛菌株篩選及其吸附特性的研究[J].華北農學報,31(6):199-205.[Shao Y,Hao Z Z,Wang H L,Li X L,Wang W F,Chen J W,Wang J R.2016.Screening of lead resistance strains and their absorption characteristics in wheat field soil[J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,31(6):199-205.]doi:10.7668/hbnxb.2016.06.031.
申佳麗,曹樹檳,焦甜甜,朱紅艷,曹云娥.2021.7株根際促生菌對設施小黃瓜生長發育及土壤根際環境的影響[J].甘肅農業大學學報,56(4):51-60.[Shen J L,Cao S B,Jiao T T,Zhu H Y,Cao Y E.2021.Effects of seven rhizo-spheric growth-promoting bacteria on growth and soil rhizospheric environment on greenhouse cucumbers[J].Journal of Gansu Agricultural University,56(4):51-60.]doi:10.13432/j.cnki.jgsau.2021.04.008.
王建兵,顏可昕,王金濤,郭小蘭,王盾,戴洪文.2024.市售葉菜蔬菜鎘、鉛污染特征分析——以惠州市惠城區為例[J].肇慶學院學報,45(2):38-46.[Wang J B,Yan K X,Wang J T,Guo X L,Wang D,Dai H W.2024.Characteris-tics of cadmium and lead pollution of some leafy vege-tables sold in the markets:Taking Huicheng District of Huizhou as an example[J].Journal of Zhaoqing Univer-sity,45(2):38-46.]
王亞軍,馮炬威,李雅倩,虞方伯.2022.高產鐵載體菌Burk-holderia vietnamiensis YQ9促生特性研究及其對重金屬脅迫條件下種子萌發的影響[J].環境科學學報,42(2):430-437.[Wang Y J,Feng J W,Li Y Q,Yu F B.2022.Studies on growth-promoting properties of an efficient side-rophore producing bacterium,Burkholderia vietnamiensis YQ9,and its effects on seed germination under heavy metal stress[J].Acta Scientiae Circumstantiae,42(2):430-437.]doi:10.13671/j.hjkxxb.2021.0206.
韋鑫,韋興迪,丁磊磊,李亞嬌,王小利,張禮維.2023.高產鐵載體菌對重金屬脅迫下牧草種子萌發的影響[J].種子,42(11):16-22.[Wei X,Wei X D,Ding L L,Li Y J,Wang X L,Zhang L W.2023.Effects of efficient siderophore-producing bacteria on germination of forage seeds under heavy metal stress[J].Seed,42(11):16-22.]doi:10.16590/j.cnki.1001-4705.2023.11.016.
文雅,冷艷,李師翁.2020.微生物重金屬耐受性及其機制的研究進展[J].環境科學與技術,43(9):79-86.[Wen Y,Leng Y,Li S W.2020.Research progress on microbial to-lerance to heavy metals and its mechanisms[J].Environ-mental Scienceamp;Technology,43(9):79-86.]doi:10.19672/j.cnki.1003-6504.2020.09.012.
徐映如,凌利民,沈俊毅,張穎琦,李思佳,陳道湧.2021.上海市虹口區PM2.5中重金屬和類重金屬污染特征及健康風險評價[J].職業與健康,37(15):2100-2105.[Xu Y R,Ling L M,Shen J Y,Zhang Y Q,Li S J,Chen D Y.2021.Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals and metalloids in atmospheric PM2.5 in Hong-kou District of Shanghai[J].Occupation and Health,37(15):2100-2105.]doi:10.13329/j.cnki.zyyjk.2021.0510.
許天宇,夏濤,王曉菡.2023.植物促生細菌阻控小麥吸收鎘和砷的效應研究[J].齊魯工業大學學報,37(2):52-60.[Xu T Y,Xia T,Wang X H.2023.Effects of plant growth-promoting bacteria on inhibiting the uptake of cadmium and arsenic by wheat[J].Journal of Qilu University of Te-chnology,37(2):52-60.]doi:10.16442/j.cnki.qlgydxxb.2023.02.009.
楊麗,燕傳明,賀卓,盛下放,何琳燕.2018.重金屬耐性芽孢桿菌的篩選及其對辣椒吸收鎘鉛的阻控效應[J].農業環境科學學報,37(6):1086-1093.[Yang L,Yan C M,He Z,Sheng X F,He L Y.2018.Effect of heavy metal-tolerant spore-forming bacteria on the cadmium and lead uptake of pepper[J].Journal of Agro-Environment Science,37(6):1086-1093.]doi:10.11654/jaes.2017-1473.
楊文玲,杜志敏,孫召華,周伏忠,安明理,雷高,魏傳軍,鞏濤.2021.芽孢桿菌在重金屬污染土壤修復中的研究進展[J].環境污染與防治,43(6):759-763.[Yang W L,Du Z M,Sun Z H,Zhou F Z,An M L,Lei G,Wei C J,Gong T.2021.Research progress of Bacillus in remediation of heavy metal contaminated soil[J].Environmental Pollu-tionamp;Control,43(6):759-763.]doi:10.15985/j.cnki.1001-3865.2021.06.017.
余勁聰,何舒雅,曾潤穎,林克明.2016.芽孢桿菌修復土壤重金屬鎘污染的研究進展[J].廣東農業科學,43(1):73-78.[Yu J C,He S Y,Zeng R Y,Lin K M.2016.Research progress in remediation of cadmium contaminated soil with Bacillus[J].Guangdong Agricultural Sciences,43(1):73-78.]doi:10.16768/j.issn.1004-874x.2016.01.014.
張凈然,王婧瑤,王釗,韓夢真,華桂麗,劉文菊.2024.巨大芽孢桿菌對復合污染土壤—苗期小麥中鎘砷累積和轉運的影響[J].河北農業大學學報,47(4):28-35.[Zhang J R,Wang J Y,Wang Z,Han M Z,Hua G L,Liu W J.2024.Effect of Bacillus megaterium on cadmium and arsenic accumulation and transport in wheat seedlings grown in the co-contaminated soil[J].Journal of Hebei Agricultural University,47(4):28-35.]doi:10.13320/j.cnki.jauh.2024.0051.
張藝燦,劉鳳之,王海波.2020.根際溶磷微生物促生機制研究進展[J].中國土壤與肥料,(2):1-9.[Zhang Y C,Liu F Z,Wang H B.2020.Research progress on plant-growth-promoting mechanisms of phosphate-solubilizing rhizo-sphere microbes[J].Soil and Fertilizer Sciences in China,(2):1-9.]doi:10.11838/sfsc.1673-6257.19156.
章文波,楊瓊,廖森泰,邢東旭,肖陽,周東來,李慶榮.2022.一株具有植物促生作用的重金屬鉛吸附菌的篩選與鑒定[J].微生物學通報,49(9):3617-3630.[Zhang W B,Yang Q,Liao S T,Xing D X,Xiao Y,Zhou D L,Li Q R.2022.Screening and identification of a heavy metal lead-adsorbing strain with plant growth-promoting activity[J].Microbiology China,49(9):3617-3630.]doi:10.13344/j.microbiol.china.220014.
趙樹民,李曉東,虞方伯,鮑雅莉,沈穎,張媚,林馬水,王冰璇,林海萍.2017.巨大芽孢桿菌LY02對黑麥草修復重金屬污染土壤的影響[J].水土保持學報,31(5):340-344.[Zhao S M,Li X D,Yu F B,Bao Y L,Shen Y,Zhang M,Lin M S,Wang B X,Lin H P.2017.Effect of Bacillus megaterum LY02 on phytoremediation of heavy metal from contaminated soil by Lolium perenne L.[J].Journal of Soil and Water Conservation,31(5):340-344.]doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2017.05.053.
朱雅琪,巫靜,余震,鄧玉,劉德洪,徐長林,呂亞輝,楊國義.2024.我國農田土壤重金屬污染現狀及治理研究進展[J].現代農業科技,(5):115-118.[Zhu Y Q,Wu J,Yu Z,Deng Y,Liu D H,Xu C L,LüY H,Yang G Y.2024.Cur-rent situation and control research progress on heavy metal pollution in farmland soil in China[J].Modern Agricul-tural Science and Technology,(5):115-118.]doi:10.3969/j.issn.1007-5739.2024.05.029.
莊杰,孫樂妮,楊恩東,歐陽文凱,曹媛媛,張夕紅.2024.金屬抗性促生細菌Burkholderia sp.減緩玉米幼苗鎘毒害和阻抗鎘轉運[J].農業環境科學學報,43(4):763-773.[Zhuang J,Sun L N,Yang E D,Ouyang W K,Cao Y Y,Zhang X H.2024.Alleviation of Cd toxicity and impe-dance of Cd transport in maize seedlings by the metal resistant-plant growth promoting bacterium Burkholderia sp.[J].Journal of Agro-Environment Science,43(4):763-773.]doi:10.11654/jaes.2023-0711.
鄒春艷,于楊格,連賓.2018.膠質芽孢桿菌對重金屬離子Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+和Cr3+的吸附與解吸特征[J].南京師大學報(自然科學版),41(1):68-75.[Zou C Y,Yu Y G,Lian B.2018.Adsorption and desorption of Pb2+,Zn2+,Cd2+,Cu2+and Cr3+by Bacillus mucilaginosus[J].Journal of Nanjing Normal University(Natural Science Edition),41(1):68-75.]doi:10.3969/j.issn.1001-4616.2018.01.013.
Ali H,Khan E,Sajad M A.2013.Phytoremediation of heavy metals—Concepts and applications[J].Chemosphere,91(7):869-881.doi:10.1016/j.chemosphere.2013.01.075.
Brink H G,Horstmann C,Peens J.2020.Microbial Pb(II)-pre-cipitation:The influence of oxygen on Pb(II)-removal from aqueous environment and the resulting precipitate identity[J].International Journal of Environmental Science and Technology,17(1):409-420.doi:10.1007/s 13762-019-02502-4.
Etesami H,Maheshwari D K.2018.Use of plant growth pro-motingrhizobacteria(PGPRs)with multiple plant growth promoting traits in stress agriculture:Action mechanisms and future prospects[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,156:225-246.doi:10.1016/j.ecoenv.2018.03.013.
Ge Y Y,Wen Z Y,He L Y,Sheng X F.2023.Metal-immobilizing Pseudomonas taiwanensis WRS8 reduces heavy metal accumulation in Coriandrum sativum by changing the metal immobilization-related bacterial popu-lation abundances[J].Environmental Science and Pollu-tion Research International,30(31):76911-76922.doi:10.1007/s 11356-023-27967-2.
Han H,Cai H,Wang X Y,Hu X M,Chen Z J,Yao L G.2020.Heavy metal-immobilizing bacteria increase the biomass and reduce the Cd and Pb uptake by pakchoi(Brassica chi-nensis L.)in heavy metal-contaminated soil[J].Ecotoxi-cology and Environmental Safety,195:110375.doi:10.1016/j.ecoenv.2020.110375.
Khan A,Gupta A,Singh P,Mishra A K,Ranjan R K,Srivas-tava A.2020.Siderophore-assisted cadmium hyperaccu-mulation in Bacillus subtilis[J].International Microbio-logy,23(2):277-286.doi:10.1007/s 10123-019-00101-4.
Yao X,Chen P,Cheng T,Sun K,Megharaj M,He W.2021.Inoculation of Bacillus megaterium strain A14 alleviates cadmium accumulation in peanut:Effects and underlying mechanisms[J].Journal of Applied Microbiology,131(2):819-832.doi:10.1111/jam.14983.
(責任編輯:王暉,羅麗)