又一篇！天昊客户微生物16S扩增子测序再登顶级环境科学杂志《Journal of Hazardous Materials》

发稿时间：2021-07-06来源：天昊生物

“昊”文章

在本项研究中，天昊生物有幸承担了微生物细菌16S扩增子相对定量测序工作，在恭喜客户取得好成绩的同时，让我们简单看下这篇文章。

国际顶级环境科学杂志《Journal of Hazardous Materials》本月正式发表了由浙江大学、浙江省农业资源与环境重点实验室及美国加州大学戴维斯分校合作的研究成果。该论文系统研究了在有氧和无氧培养条件下，磁性稻草生物质炭/细菌复合物对镉污染水稻土壤的修复机理。这项研究对细菌/生物质炭复合物在厌氧和好氧土壤中的交互作用和固定机制提供了新的见解。

英文题目：Effects of magnetic biochar-microbe composite on Cd remediation and microbial responses in paddy soil

中文题目：磁性生物质炭-微生物复合物对水稻土壤镉修复及微生物响应的影响

期刊名：Journal of Hazardous Materials

发表时间：2021年6月

影响因子：10.582

由于全球工业活动的增加，污染普遍出现在土壤生态系统中。无机污染物是土壤污染的主要来源(82.4%)，其中镉是最大的无机污染物(7.0%)。镉容易通过食物链在人体内进行生物累积，并导致非常严重的疾病(如前列腺癌、肝癌和肾癌)。近年来，生物质炭与生物修复技术相结合的污染原位固定化技术在低成本、高效率和土壤修复效率方面显示出优势。生物质炭与微生物的结合是一个很有前途的研究领域。生物质炭减轻了土壤中镉对微生物的毒性，通过降低镉的迁移率促进了微生物的定殖，还改变土壤的酸碱度等特性。以往的研究主要集中在细菌/生物质炭复合材料的修复效果上。然而，接种微生物、生物质炭和土壤中微生物之间的相互作用却知之甚少。
在本研究中，作者在中国湖南省的稻田中获得了一片镉污染土壤(深度0-20cm)。在实验室条件下进行了为期90天的实验。处理为对照(CK)、细菌(B)、稻草生物质炭(SB)、磁性生物质炭(MB)、磁性细菌/生物质炭复合物(MBB)和稻草细菌/生物质炭复合物(SBB)，各4个重复。土壤用1-2cm的地表水进行厌氧培养，用60%的田间土壤持水量进行好氧培养。然后将不同处理的土壤在25℃的培养箱中培养90天。在1、30和90天后取样分成两部分。在每次取样中，一部分用于确定样品冷冻干燥并研磨至< 2mm后分析土壤化学性质，另一部分储存于-80℃用于微生物群落分析。
对土壤酸碱度的检测结果发现，在有氧培养过程中，土壤的pH值在整个实验过程中几乎保持不变，大多数变化发生在开始阶段。MBB和SBB处理对土壤酸碱度的影响比SB、MB或B处理更明显。厌氧条件下土壤pH值的增加与H+的持续消耗有关(图1)。

图1、培养过程中不同改良剂对土壤酸碱度的影响。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分别代表不含改良剂、稻草生物质炭、磁性生物质炭、细菌/生物质炭复合物、磁性细菌/生物质炭复合物、细菌接种的土壤样品。

不同处理中土壤CaCl₂可提取镉浓度(有效镉)的变化如图2所示。在有氧和无氧条件下，Bacillus sp. K1菌分别使CaCl₂可提取的镉浓度降低了44.7%和39.8%，表明镉在土壤中的固定效率很高。在有氧土壤中，改良剂对有效镉浓度降低的影响是不同的。SBB和MBB在有氧条件下显著降低了有效镉。然而，在厌氧条件下，MBB引起的有效镉下降幅度最大。复合材料(SBB和MBB)在土壤中固定镉的潜力更大，细菌接种在低酸碱度土壤中可能无效。所有处理中可还原镉的增加都发生在厌氧条件下(图2)。

图2、培养过程中CaCl₂提取的有效镉和培养后镉组分的变化。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分别代表不含改良剂、稻草生物质炭、磁性生物质炭、细菌/生物质炭复合物、磁性细菌/生物质炭复合物、细菌接种的土壤样品。

研究结构进一步表明，细菌/生物质炭复合物的添加提高了好氧和厌氧条件下的生物质碳。在培养过程中，生物质碳在有氧条件下略有下降，在无氧条件下显著下降（图3）。向土壤中添加生物质炭减少了CO2的释放，增加了土壤中的碳固存和有机物含量，这是由于释放了易流失的生物质炭部分。因此，生物质炭处理提供了更合适的微生物栖息地，细菌代谢过程的速率增加，导致生物质碳的增加。

图3、培养过程中土壤生物质碳的变化。有氧和无氧条件下的处理分别用实线和虚线表示。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分别代表不含改良剂、稻草生物质炭、磁性生物质炭、细菌/生物质炭复合物、磁性细菌/生物质炭复合物、细菌接种的土壤样品。

确定细菌群落组成，以评估不同改良剂固定镉的进一步机制，可以更详细地阐明MBB和SBB对土壤微生物群落的可能影响(图4)。结果表明使用生物质炭作为载体(MBB和SBB)可能比直接接种(B)更好地存活和定殖。

图4、通过16S rRNA高通量测序揭示的属水平土壤微生物群落的相对丰度。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分别代表不含改良剂、稻草生物质炭、磁性生物质炭、细菌/生物质炭复合物、磁性细菌/生物质炭复合物、细菌接种的土壤样品。

添加生物质炭作为缓释肥料可以持续供应养分(氮、磷、钾等)，并为微生物生长提供底物。这将导致生物质炭处理土壤中α-多样性的增加。相比之下，MBB的应用可能通过将Fe3O4固定到藻酸盐中来减轻毒性效应，这减缓了其与土壤粘土和微生物的相互作用，从而导致比MB更高的细菌α多样性。

图5、在土壤中进行有氧和无氧培养后微生物α多样性的变化。CK、SB、MB、SBB、MBB、B分别代表不含改良剂、稻草生物质炭、磁性生物质炭、细菌/生物质炭复合物、磁性细菌/生物质炭复合物、细菌接种的土壤样品。

通过RDA分析可以发现，Bacillus sp. K1菌的变异与有效镉和酸碱度高度相关。在厌氧条件下，土壤微生物群落(属级)的分布和施用改良剂的Bacillus sp. K1菌是影响生物量碳含量的主要因素。在氧条件下对有效镉的变化比HOAc提取的镉更敏感。

图6、环境以及a)有氧培养和b)厌氧培养下样品的微生物群落变化RDA分析。红色标识中的环境因子包括酸碱度、有效镉、可提取镉、还原镉、氧化镉、残留镉和MBC生物量。

本研究结果表明，在有氧和无氧土壤条件下，MBB处理法是一种很有前途的镉修复方法。MBB和SBB的加入都在有氧条件下将镉固定在土壤中，这是由于生物质炭的碱性和被加入的细菌吸收。MBB复合材料在厌氧条件下表现更好，因为镉的残余部分含有更复杂的晶体铁氧化物。MBB还增加了土壤生物质碳，提高了K1菌的存活率和定殖率，并改变了土壤微生物群落结构。