“昊”文章
在本項研究中，天昊生物有幸承擔了微生物細菌16S擴增子相對定量測序工作，在恭喜客戶取得好成績的同時，讓我們簡單看下這篇文章。
國際頂級環境科學雜志《Journal of Hazardous Materials》本月正式發表了由浙江大學、浙江省農業資源與環境重點實驗室及美國加州大學戴維斯分校合作的研究成果。該論文系統研究了在有氧和無氧培養條件下，磁性稻草生物質炭/細菌復合物對鎘污染水稻土壤的修復機理。這項研究對細菌/生物質炭復合物在厭氧和好氧土壤中的交互作用和固定機制提供了新的見解。
期刊名：Journal of Hazardous Materials
發表時間：2021年6月
影響因子：10.582
由于全球工業活動的增加，污染普遍出現在土壤生態系統中。無機污染物是土壤污染的主要來源(82.4%)，其中鎘是最大的無機污染物(7.0%)。鎘容易通過食物鏈在人體內進行生物累積，并導致非常嚴重的疾病(如前列腺癌、肝癌和腎癌)。近年來，生物質炭與生物修復技術相結合的污染原位固定化技術在低成本、高效率和土壤修復效率方面顯示出優勢。生物質炭與微生物的結合是一個很有前途的研究領域。生物質炭減輕了土壤中鎘對微生物的毒性，通過降低鎘的遷移率促進了微生物的定殖，還改變土壤的酸堿度等特性。以往的研究主要集中在細菌/生物質炭復合材料的修復效果上。然而，接種微生物、生物質炭和土壤中微生物之間的相互作用卻知之甚少。
在本研究中，作者在中國湖南省的稻田中獲得了一片鎘污染土壤(深度0-20cm)。在實驗室條件下進行了為期90天的實驗。處理為對照(CK)、細菌(B)、稻草生物質炭(SB)、磁性生物質炭(MB)、磁性細菌/生物質炭復合物(MBB)和稻草細菌/生物質炭復合物(SBB)，各4個重復。土壤用1-2cm的地表水進行厭氧培養，用60%的田間土壤持水量進行好氧培養。然后將不同處理的土壤在25℃的培養箱中培養90天。在1、30和90天后取樣分成兩部分。在每次取樣中，一部分用于確定樣品冷凍干燥并研磨至< 2mm后分析土壤化學性質，另一部分儲存于-80℃用于微生物群落分析。
對土壤酸堿度的檢測結果發現，在有氧培養過程中，土壤的pH值在整個實驗過程中幾乎保持不變，大多數變化發生在開始階段。MBB和SBB處理對土壤酸堿度的影響比SB、MB或B處理更明顯。厭氧條件下土壤pH值的增加與H+的持續消耗有關(圖1)。
不同處理中土壤CaCl2可提取鎘濃度(有效鎘)的變化如圖2所示。在有氧和無氧條件下，Bacillus sp. K1菌分別使CaCl2可提取的鎘濃度降低了44.7%和39.8%，表明鎘在土壤中的固定效率很高。在有氧土壤中，改良劑對有效鎘濃度降低的影響是不同的。SBB和MBB在有氧條件下顯著降低了有效鎘。然而，在厭氧條件下，MBB引起的有效鎘下降幅度最大。復合材料(SBB和MBB)在土壤中固定鎘的潛力更大，細菌接種在低酸堿度土壤中可能無效。所有處理中可還原鎘的增加都發生在厭氧條件下(圖2)。
圖2、培養過程中CaCl2提取的有效鎘和培養后鎘組分的變化。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分別代表不含改良劑、稻草生物質炭、磁性生物質炭、細菌/生物質炭復合物、磁性細菌/生物質炭復合物、細菌接種的土壤樣品。
研究結構進一步表明，細菌/生物質炭復合物的添加提高了好氧和厭氧條件下的生物質碳。在培養過程中，生物質碳在有氧條件下略有下降，在無氧條件下顯著下降（圖3）。向土壤中添加生物質炭減少了CO2的釋放，增加了土壤中的碳固存和有機物含量，這是由于釋放了易流失的生物質炭部分。因此，生物質炭處理提供了更合適的微生物棲息地，細菌代謝過程的速率增加，導致生物質碳的增加。
圖3、培養過程中土壤生物質碳的變化。有氧和無氧條件下的處理分別用實線和虛線表示。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分別代表不含改良劑、稻草生物質炭、磁性生物質炭、細菌/生物質炭復合物、磁性細菌/生物質炭復合物、細菌接種的土壤樣品。
確定細菌群落組成，以評估不同改良劑固定鎘的進一步機制，可以更詳細地闡明MBB和SBB對土壤微生物群落的可能影響(圖4)。結果表明使用生物質炭作為載體(MBB和SBB)可能比直接接種(B)更好地存活和定殖。
圖4、通過16S rRNA高通量測序揭示的屬水平土壤微生物群落的相對豐度。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分別代表不含改良劑、稻草生物質炭、磁性生物質炭、細菌/生物質炭復合物、磁性細菌/生物質炭復合物、細菌接種的土壤樣品。
添加生物質炭作為緩釋肥料可以持續供應養分(氮、磷、鉀等)，并為微生物生長提供底物。這將導致生物質炭處理土壤中α-多樣性的增加。相比之下，MBB的應用可能通過將Fe3O4固定到藻酸鹽中來減輕毒性效應，這減緩了其與土壤粘土和微生物的相互作用，從而導致比MB更高的細菌α多樣性。
圖5、在土壤中進行有氧和無氧培養后微生物α多樣性的變化。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分別代表不含改良劑、稻草生物質炭、磁性生物質炭、細菌/生物質炭復合物、磁性細菌/生物質炭復合物、細菌接種的土壤樣品。
通過RDA分析可以發現，Bacillus sp. K1菌的變異與有效鎘和酸堿度高度相關。在厭氧條件下，土壤微生物群落(屬級)的分布和施用改良劑的Bacillus sp. K1菌是影響生物量碳含量的主要因素。在氧條件下對有效鎘的變化比HOAc提取的鎘更敏感。
