多种微生物菌株在镉污染土壤修复中的效能比较研究

摘 要：当前，土壤重金属污染，特别是镉污染，日趋严重，对生态和人类健康构成严重威胁。本实验成功筛选出5种具有镉耐受和吸收能力的微生物菌种，包括韩国假单胞菌、赖氏菌属等。深入研究它们的镉耐受程度与吸收机制，并利用专业软件进行数据分析和可视化，不仅为重金属污染土壤治理提供理论依据，还为未来筛选高效微生物菌种应对镉污染问题奠定基础。

关键词：土壤重金属污染；镉污染；微生物菌种；数据分析；土壤治理

中图分类号：X53 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–0-03

当前，土壤重金属污染问题愈发严重，其中镉污染尤为严重，对生态环境和人类健康构成巨大威胁[1]。从镉污染的农田土壤中分离出具有镉耐性和镉吸附性的微生物菌种，精心筛选，期望找到能够有效应对镉污染的菌种资源。同时，深入探究不同细菌对镉离子的吸收动力学规律，以便更好地理解它们在土壤中的行为模式[2-4]。希望这些研究能够为镉污染土壤的修复提供有力的理论依据，为改善土壤环境、保护人类健康作出积极贡献。

1 实验材料、设计与方法

1.1 实验材料

1.1.1 水稻品种

实验采用的水稻品种，是由四川农业大学水稻研究所提供的特殊品种——具有镉高积累特性的水稻材料IR34582。

1.1.2 实验试剂

为了确保水稻幼苗茁壮成长，精心选择了木村B营养液，其浓度从初始的1/8逐步提升至1/4、1/2，直至全浓度，以满足水稻幼苗在不同生长阶段的需求。同时，为了增强水稻抗性，特别采用了微生物菌液进行接种。在细菌培养方面，本实验选用了含有胰蛋白胨、酵母提取物和NaCl的LB培养基，以确保细菌正常繁殖。此外，还准备了充足的超纯水，以备实验所需，确保实验顺利进行[5]。

1.2 实验设计

1.2.1 微生物分离与培养

对水稻植株悬浊液进行梯度稀释，涂布于含不同浓度镉（0.889 7～5.338 2 mmol/L）的LB平板上，每个浓度设3个平行，观察生长状况以筛选镉耐性微生物。分离到的菌株通过Sanger测序确定属种，并用甘油保存。

1.2.2 营养液培养实验

消毒后的水稻种子育苗至三叶期，逐步增加营养液浓度至全量培养约2周。之后接种微生物菌悬液，每个月3次，1个月后测定水稻地上部与根系镉含量，筛选降镉菌株。

1.2.3 水稻水培实验

选取饱满的水稻种子，消毒催芽后暗黑育苗于珍珠岩基质上。7 d后移至光照培养室，用营养液培养至两叶一心时移栽至培养盆。每盆3株，预培养14 d。随后分为接菌组（BA）和不接菌组（CK），添加镉处理[6-7]。

本实验于2022年12月—2023年4月进行，每组重复4次以确保结果准确性。

1.3 实验方法

1.3.1 细菌对镉耐受性与吸附能力测定

（1）耐受性测定：通过不同镉浓度（0～6 mmol/L）的LB培养基，30 ℃、180 r/min振荡培养48 h，比较OD600值判断菌株耐镉能力。

（2）吸附能力测定：在固定镉浓度（0.2～0.8 mmol/L）

下培养，离心后利用ICP-MS测定上清液镉含量，评估菌株吸附能力。

（3）不同胁迫时间耐受性：在0.2 mmol/L镉浓度下，测定不同时间点（12～48 h）的OD600值，分析菌株生长情况。

（4）不同胁迫时间吸附能力：同样在0.2 mmol/L镉浓度下，不同时间点收集上清液测定镉含量，研究菌株吸附动态。

（5）pH变化测定：通过对比BA与CK处理的pH值，

分析细菌培养过程中pH的变化，判断其产酸或产碱能力。

1.3.2 韩国假单胞菌对水稻与镉吸收的影响

溶液培养试验表明，韩国假单胞菌在镉浓度为

0.005 mmol/L条件下对水稻生长具有积极影响。通过对比CK与BA处理，观察水稻长势并测量生物量株高、根长等生理指标，评估菌株对水稻生长和镉吸收的影响。

2 结果与分析

2.1 微生物分离和培养

经过富集培养、分离纯化，筛选出5株对镉离子具有较高耐性的细菌菌株能在较高镉浓度的平板上生长。经过初步鉴定，5种菌株如图1所示：菌剂5为韩国假单胞菌，菌剂7为赖氏菌，菌剂11为不动杆菌，菌剂13为荧光假单胞菌，菌剂22则为溶血葡萄球菌。这5种菌株各具特色，为后续研究提供了丰富的素材和可能。

2.2 细菌对镉耐受性和吸附能力测定

2.2.1 水培实验

水培实验旨在进行降低水稻镉含量的根际促生菌的初步筛选。镉以CdCl2·2.5H2O的形式施入，培养结束后发现，在镉胁迫下，接菌5、7、11、13、22根系的镉含量相较于CK显著降低，符合微生物分离和培养的结果，筛选出以上5种菌株进行下一步研究。

2.2.2 不同镉浓度、48 h镉胁迫时间各菌株对镉的耐受性

实验设置了不同镉浓度梯度，胁迫处理48 h后，实验数据显示，随着镉浓度上升，菌株生长受抑制。

1 mmol/L镉浓度下，菌株生长显著受抑，耐镉能力各异。高浓度镉下，各菌株生长抑制加剧，但13菌株在6 mmol/L下仍生长，表现出最强耐镉性。

2.2.3 不同镉浓度、48 h镉胁迫时间各菌株的吸镉能力

通过初步实验，发现当镉浓度为1 mmol/L时，各菌株的生长均显著受到抑制。为了更精确地探究不同菌株的镉吸收能力，调整了镉的浓度梯度，将其设定为0.2～0.8 mmol/L，并进行了吸镉率的测定。

通过观察实验数据，发现随着镉浓度的逐渐降低，各菌株的吸镉能力显著增强。在0.8 mmol/L镉胁迫下，5菌株和13菌株展现出最强的吸镉能力，其次是11、22和7菌株。当镉浓度降至0.6 mmol/L时，各菌株的吸镉能力进一步提升，尤其13菌株最为显著。降低至0.4 mmol/L后，各菌株的吸镉能力继续增强，13菌株仍领先，其后是7、22、5和11菌株。在最低的0.2 mmol/L镉浓度下，各菌株的吸镉能力达到新高，5菌株和13菌株再次表现出最强的吸镉能力，7、22和11菌株紧随其后。

2.2.4 相同镉浓度、不同镉胁迫时间各菌株对镉的耐受性

调整实验条件，将镉浓度统一设定为0.2 mmol/L，并在不同时间段对菌株的镉吸收和OD600进行了测定。通过观察实验数据，随着镉胁迫时间的延长，各菌株的生长总体呈现上升趋势。特别是在镉胁迫18～24 h，13和5菌株的生长进入稳定期；而7菌株则在18～36 h内生长迅速，之后也进入稳定期；11菌株则在24～36 h内达到生长稳定。结果表明，不同菌株在相同镉浓度下的生长响应和稳定期存在差异。

2.2.5 相同镉浓度、不同镉胁迫时间各菌株的吸镉能力

调整实验条件，将镉浓度统一设定为0.2 mmol/L，并在不同时间段对菌株的吸镉能力进行了测定。通过观察实验数据，发现在镉胁迫时间不断延长的情况下，各菌株对镉的吸附能力逐渐增强。当镉胁迫达到50 h时，各菌株的吸附能力均达到顶峰。在所有菌株中，13菌株和5菌株的吸附能力尤为突出，位列前二，其次是7菌株和11菌株，它们的吸附能力也相当可观。

2.2.6 细菌生长引起的培养基pH变化情况

通过观察实验数据可知，各BA的培养基pH值均显著高于CK，这表明各菌剂均具备产碱能力。值得注意的是，当培养基pH偏碱性时，镉主要呈现为氧化物结合态和残留态，这两种形态下的镉相对稳定，从而有效降低了镉的吸收。特别值得一提的是，5号菌剂在降低镉吸收方面的效果相较于13号菌剂更为显著，显示出其在应对镉污染问题上的优越性能。这一发现对于今后利用微生物技术处理镉污染具有重要指导意义。

2.3 韩国假单胞菌对水稻农艺性状的影响

2.3.1 生物量

观察图2可以发现，BA水稻的根系干重显著高于CK。具体来说，BA的根系干重约为0.04 g/株，而CK仅为0.025 g/株。同样的，BA的地上部干重也明显高于CK，前者约为0.1 g/株，后者仅为0.05 g/株。由此可以看出，BA水稻的生物总量明显高于CK，且其长势也更为旺盛，显示接菌处理对水稻生长的积极促进作用。

2.3.2 株高、根长

对比CK与BA两组水稻实验（图3）发现，在0.005 mmol/L的镉添加浓度下，BA的水稻长势显著优于CK。观察根系扫描仪图像发现，BA水稻地上部长度约为21 cm，根系长度约为19 cm，显示出较小的镉抑制。相比之下，CK与水稻地上部长度仅约15 cm，根系长度约13 cm，长势明显较差，镉抑制效应更为显著。这一结果凸显了接菌处理在缓解镉胁迫、促进水稻生长方面的积极作用。

2.3.3 水稻不同器官镉含量测定

由图4可以观察到，BA与CK的根系镉含量大致相当，均保持在约670 mg/kg的水平。然而，在地上部的镉含量方面，BA却展现出了显著的优势。具体而言，BA的地上部镉含量约为120 mg/kg，明显低于CK的187 mg/kg。这一结果表明，韩国假单胞菌菌株在吸收镉方面具有较强的能力，能够有效降低地面镉含量，对减轻镉污染具有积极意义。

2.3.4 水稻根系生长发育测定

由根系扫描图（图5）可知水稻根系的长度、表面积、体积和水稻根尖数量等基本生长情况。BA水稻根系长度达175 cm，远超CK的68 cm。BA的根系表面积与体积也显著增大，分别为17 cm2和0.36 cm3，而CK仅为6 cm2和0.08 cm3。此外，BA根尖数量也显著多于CK，分别为430根和210根。这些数据凸显了接菌处理对水稻根系生长的明显促进作用。

3 结论

从农田土壤样本中筛选出了5种能有效降低水稻镉吸收能力的菌种。这些菌种在治理镉污染中展现出独特潜力，特别是韩国假单胞菌，其能促进水稻侧根形成并降低镉的生物有效性，显著提高水稻抗镉性。该发现不仅揭示了这些菌种在水稻降镉中的关键作用，还为应对土壤镉污染提供了新的视角。未来，这些菌种的进一步研究和应用有望在农业生产和生态环境保护中发挥重要作用。

参考文献

[1] 韩辉，王晓宇，蔡红，等.重金属固定植物促生细菌的筛选及其阻控小麦富集重金属效应[J].环境科学，2019，40（7）： 3339-3346.

[2] 孙乐妮，郭迎雪，侯雪婷，等.镉耐性固定细菌的筛选及其对不同品种小麦镉吸收的阻控效应[J].农业环境科学学报，2020，39（9）：1878-1887.

[3] 孙晋伟，黄益宗，石孟春，等.土壤重金属生物毒性研究进展[J].生态学报，2008（6）：2861-2869.

[4] 宋玉婷，雷泞菲.我国土壤镉污染的现状及修复措施[J].西昌学院学报（自然科学版），2018，32（3）：79-83.

[5] 崔祥芬，张琴，田森林，等.中国稻田土壤镉污染及务农性暴露概率风险[J].中国环境科学，2021，41（8）：3878-3886.

[6] 黄卫，庄荣浩，刘辉，等.农田土壤镉污染现状与治理方法研究进展[J].湖南师范大学自然科学学报，2022，45（1）：49-56.

[7] 丁禺乔，柳晓光.土壤重金属污染修复技术及展望[J].资源节约与环保，2021（6）：77-78.