《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Periphytic biofilm at saline soil-water interface captured more cadmium than at non-saline ones: process, mechanism, and implication
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为解决盐渍化稻田中镉(Cd)污染加剧的问题，研究人员开展了盐生附生生物膜(SPB)对Cd的富集过程与机制研究。结果表明，SPB的最大Cd吸附量达619.7 mg/kg，较非盐生生物膜(NPB)提升69%，其增强的Cd富集能力主要归因于胞外聚合物(EPS)含量增加、离子交换能力强化及耐金属微生物群落富集。该研究为盐渍化农田Cd污染修复提供了新策略。
随着全球气候变化和农业活动的影响，土壤盐渍化问题日益严重，约20%的农田受到盐渍化威胁。盐渍化土壤不仅抑制水稻生长，更棘手的是，其中的氯离子(Cl?)等成分能与镉(Cd)形成可溶性络合物（如CdCl+），显著增强Cd的迁移性和生物有效性，导致稻米Cd积累风险升高，严重威胁粮食安全和人体健康。
在这一背景下，天然存在于稻田土壤-水界面的附生生物膜(PB)展现出巨大的环境修复潜力。PB是由藻类、细菌、真菌等微生物及其分泌的胞外聚合物(EPS)形成的聚合体，以往研究表明其对Cd有较强的吸附能力。然而，盐渍化条件下PB（简称SPB）是否仍能有效富集Cd？其背后的机制是什么？这些问题尚未明确。为此，研究人员从滨海滩涂复垦稻田采集了不同盐度（SPB：盐度>10‰；NPB：盐度<1‰）的PB样本，系统比较了它们的Cd富集效能，并深入解析了相关机制。
为揭示SPB的Cd富集机制，研究团队整合运用了扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)、非损伤微测技术(NMT)、吸附动力学与热力学模型、傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)以及微生物宏基因组测序等多种先进技术。样本来源于江苏盐城射阳县顺泰盐碱地改良试验基地的稻田土壤-水界面。
3.1. Cd捕获能力
SEM-EDS显示，SPB表面粗糙、呈多孔网状结构，比NPB具有更大的比表面积和更高的钠(Na)含量（7.9% vs. 0.3%）。NMT分析表明，SPB中Cd的流入通量达到?1189 pmol/(cm2·s)，是NPB的3倍；Na的流出通量也显著高于NPB（约6倍），说明盐度显著增强了PB的离子交换过程。
3.2. Cd吸附过程
吸附实验显示，SPB对Cd的最大吸附量为619.7 mg/kg，较NPB（366.8 mg/kg）提高69%。动力学和热力学拟合表明，Cd吸附是一个自发的、放热的物理吸附过程，以单层吸附为主。进一步分析发现，EPS是Cd富集的主要贡献者（占90%以上），其中可溶性EPS(S-EPS)的吸附占比超过50%。
3.3. EPS特性
SPB的EPS总量显著高于NPB，其中蛋白质含量增加20.6%。FT-ICR-MS分析揭示，SPB的EPS中含有更多CHON和CHONS类化合物，分子量更大、芳香性更高，这些特性有助于增强其对Cd的络合能力。
3.4. 微生物群落特性
宏基因组测序显示，SPB具有更高的微生物多样性和功能基因丰度。其中，Proteobacteria和Cyanobacteria（如Coleofasciculus chthonoplastes）的相对丰度显著高于NPB。同时，SPB中检测到更多Cd相关基因（如cmtR）和EPS合成相关基因（如lptG、mleP），且CAZyme基因家族（如GH、GT）更为丰富。微生物共现网络分析表明，SPB的微生物互作以竞争关系为主，网络结构更简化，可能有利于关键功能类群的稳定存在。
3.5. 相关性分析
偏最小二乘路径模型(PLS-PM)显示，盐度通过促进离子交换、调控微生物群落和增加EPS生产，间接增强了Cd的富集能力，其中离子交换的直接效应最强（路径系数=1.626）。
本研究系统阐明了盐度增强PB对Cd富集能力的三重机制：短期内，高Na+环境促进Na+/Cd2+离子交换，加速Cd初始吸附；中长期来看，盐胁迫诱导微生物分泌更多EPS，且其分子组成更富含氮、硫官能团，能通过络合作用稳定固定Cd；同时，SPB中富集的耐金属微生物及其相关功能基因进一步强化了系统的Cd耐受与固定能力。该研究不仅深化了对盐渍湿地中Cd生物地球化学过程的理解，也为利用SPB修复盐化稻田Cd污染提供了理论依据和技术途径。未来需进一步开展田间验证，评估PB衰亡阶段Cd的再释放风险，以推动该技术的实际应用。
