Journal of Hazardous Materials—周培教授團隊揭示多壁碳納米管對龍葵-土壤根區(qū)微生物和養(yǎng)分循環(huán)的作用機制
近日，上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院周培教授團隊在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域國際著名期刊Journal of Hazardous Materials?（中科院一區(qū)Top）在線發(fā)表了題為When nanoparticle and microbes meet: The effect of multi-walled carbon nanotubes on microbial community and nutrient cycling in hyperaccumulator system的研究論文。研究探討了多壁碳納米管對植物根際微環(huán)境的影響，從土壤微生物和營養(yǎng)循環(huán)角度揭示多壁碳納米管的促生機理。
重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)具有環(huán)境友好、成本低廉、視覺美觀等優(yōu)勢。龍葵是一種鎘超積累植物，常用于鎘污染土壤修復(fù)。然而，當(dāng)作用于復(fù)合重金屬污染土壤時，多種重金屬會制約龍葵生長，降低修復(fù)效率。團隊前期研究發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotubes, MCNTs）可通過激活龍葵抗氧化酶活系統(tǒng)、促進其對微量元素的吸收，提高龍葵在鎘砷復(fù)合污染土壤中生物量和修復(fù)效率，并降低土壤中鎘砷的遷移風(fēng)險，表現(xiàn)出良好的土壤修復(fù)應(yīng)用潛力（Small structures with big impact: Multi-walled carbon nanotubes enhanced remediation efficiency in hyperaccumulator Solanum nigrum L. under cadmium and arsenic stress. Chemosphere, 276, 130130.，https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130130）。植物生長不僅受土壤性質(zhì)影響，還與土壤微生物有著密切關(guān)系，多壁碳納米管作用下的龍葵根際微環(huán)境狀態(tài)尚不明確。因此，深入研究多壁碳納米管處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成變化，揭示其對龍葵根際微環(huán)境的調(diào)控機制，明確潛在的生態(tài)風(fēng)險，具有重要意義。
本研究通過多壁碳納米管處理的植物盆栽實驗,重點研究多壁碳納米管處理下龍葵根區(qū)微環(huán)境的變化：土壤細菌和真菌的多樣性、群落組成及結(jié)構(gòu),土壤酶活和土壤有效養(yǎng)分含量。通過高通量測序分析首次揭示，處理組龍葵根際微生物的alpha和beta多樣性相比于對照組均無顯著性變化，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
Fig. 1 NMDS (non-metric multidimensional scaling) ordinations and ANOSIM (analysis of similarity) test showing the difference of soil microbial community structure among different MCNT treatments.
研究者進一步解析微生物群落組成，發(fā)現(xiàn)不同菌屬對多壁碳納米管表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性，且細菌比真菌敏感性更強。多壁碳納米管增加了Chloroflexi、Actinobacteria等細菌門水平上的相對豐度，強化了根際碳循環(huán)和有機質(zhì)分解能力，促進植物生長。對于真菌而言，多壁碳納米管減少了Ascomycota的相對豐度。大多數(shù)植物病原體屬于Ascomycota, Ascomycota相對豐度的減少可能有利于植物抗病，從而提高了植物的抗逆性。在龍葵生長條件最好的M組（500 mg k-1?MWCNTs）鑒定出5種細菌生物標記物Acinetobacter、Moraxellaceae、Solirubrobacteraceae、Solirubrobactreales、 Conexibacter，以及3種真菌生物標記物Magnaporthaceae、 Magnaporthales、 Nakataea，與龍葵生長呈顯著正相關(guān)關(guān)系。其中Conexibacter可強化根際微區(qū)對生態(tài)毒性的抗性，并提高重金屬污染土壤中微生物群落穩(wěn)定性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，多壁碳納米管處理顯著提高土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶含量，增強了土壤根際微生物的活性，促進土壤養(yǎng)分循環(huán)。
Fig.2 Soil bacterial taxonomic composition and LEfse (LDA Effect Size) analysis.
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Fig. 3 Soil fungal taxonomic composition and LEfse (LDA Effect Size) analysis.
研究揭示，多壁碳納米管促進龍葵在鎘砷復(fù)合污染土壤中生長，機理之一在于土壤酶活的提高和某些有益菌屬的富集，以及根際土壤微生物在多壁碳納米管微環(huán)境中的良好穩(wěn)定性。研究為碳納米材料在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用和評價提供科學(xué)依據(jù)。
上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生態(tài)學(xué)博士生陳尋峰為論文第一作者，周培教授為通訊作者，博士后初少華、惠楠副教授及張丹副研究員等參與了該研究。周培教授團隊多年來一直從事土壤生物修復(fù)方面的研究，在Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Bioresource Technology、Science of The Total Environment等國際知名期刊發(fā)表多篇論文。相關(guān)研究得到國家重大研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目支持。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126947.
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