聚γ-谷氨酸产生菌对土壤重金属修复及植物生长的效应与机制

来源：农环视界

近日，齐鲁工业大学生物工程学院、生物基材料与绿色造纸国家重点实验室夏涛教授团队的研究成果以“Poly-γ-glutamic acid-producing bacteria reduced Cd uptake and effffected the rhizosphere microbial communities of lettuce”为题发表在国际环境领域顶级学术期刊Journal of Hazardous Materials （IF=9.038）。齐鲁工业大学（山东省科学院）为上述工作完成单位，王晓菡博士（讲师）为论文第一作者，夏涛教授为论文通讯作者。

土壤镉（Cd）污染日益严峻，对人体健康危害极大。降低土壤镉生物有效性、减少植物对镉的吸收已成为国内外研究热点之一。土壤重金属固定剂通过吸附、络合和沉淀作用，降低重金属的生物有效性，减少重金属从土壤向植物的转移。然而，持续添加这些有机、无机固定剂可能会对土壤性质、结构和生态系统产生有害影响。近年来，植物生长促进菌（PGPB）作为一种新型土壤固定剂，通过产生铁载体、吲哚乙酸（IAA）和降低土壤中金属的有效性，在促进植物生长和减少金属吸收方面得到了广泛的应用。

聚γ-谷氨酸（γ-PGA）是一种由D/L-谷氨酸形成的生物大分子，由芽孢杆菌胞外产生，其无毒、富含羧基、含有大量能与金属离子结合的阴离子官能团，是一种高效的生物吸附材料，也被广泛用作生物肥料，具有广阔的应用前景。然而，目前关于γ-PGA产生菌对污染土壤重金属钝化和植物生长影响的研究还未见报道。

本项工作研究了产γ-PGA的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis W7）和淀粉液化芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens  W25）对土壤Cd固定化、γ-PGA产生、镉污染土壤中生菜镉吸收、根际土壤细菌群落以及对生菜生长和品质的影响及机制。研究结果表明，二种菌株均降低了土壤滤液中Cd的浓度（16～75%），菌株W25产生γ-PGA和固定Cd的能力高于W7菌株。与对照相比，二种菌株的施用显著增加了生菜的生物量（41-85%），减少了镉的吸收（19-41%），降低了有效镉含量（25-37%）。进一步研究发现，这些菌株通过提高土壤滤液中γ-PGA的产生量、pH值、鞘氨醇单胞菌Sphingomonas 和芽孢杆菌Bacillus 等的相对丰度（24-30%），从而固定化镉；通过提高镉污染土壤pH值和脲酶活性，降低土壤镉的有效性。所有这些因素都有助于降低Cd污染土壤生菜中的Cd含量。此外，这些菌剂还通过提高土壤酶活性和产生IAA来改善土壤质量，促进了生菜的生长，提高了Vc和可溶性蛋白质含量。盆栽试验表明，接种这些菌株的生菜食用组织中Cd含量低于FAO/WHO规定的叶菜类蔬菜的最高允许量。

本研究利用产聚谷氨酸细菌钝化土壤Cd，为Cd污染农田的修复和农作物的安全生产提供了一种环保、经济的技术途径。研究团队正在开展重金属适用性、大田条件下细菌重金属原位修复和植物在重金属污染土壤中安全生产关键技术的研究。

上述研究成果已申报国家发明专利一项。

本研究得到齐鲁工业大学（山东省科学院）科教融合人才基金和生物基材料与绿色造纸国家重点实验室基金的资助。