巧克力生产中的关键环节：原料配方、加工技术以及迈向可持续糖果系统的路径

《Science of The Total Environment》：Life cycle hotspots in chocolate production: Ingredient formulation, processing technologies, and pathways toward sustainable confectionery systems

重金属污染土壤中，通过单株及联合接种Acinetobacter sp. ME1、Kosakonia sp. W18、Burkholderia sp. ZF6三类植物促生菌（PGPB），研究高羊茅对Cr、Zn、Cd、Pb的修复效果。结果显示，ME1+W18双菌接种使四种重金属去除率均超30%，且土壤脲酶、过氧化氢酶活性及金属耐受相关基因丰度显著提升，根系生物量达40克以上，而三菌接种未进一步优化效果，表明功能互补优于菌株数量增加。

　　

李秀妍|尹敏秀|赵京淑

韩国首尔梨花女子大学环境科学与工程系，邮编03760

摘要

受重金属污染的土壤对生态系统构成严重威胁，因此迫切需要可持续且经济高效的修复策略。虽然植物修复是一种环保的方法，但在多重金属压力下其效率往往受限，而且多种促进植物生长的细菌（PGPB）之间的相互作用尚未得到充分理解。在本研究中，我们评估了三种耐重金属的PGPB——鲍曼不动杆菌（Acinetobacter）ME1株、科萨科尼亚菌（Kosakonia）W18株和伯克霍尔德菌（Burkholderia）ZF6株——单独或联合接种对高羊茅（tall fescue）在同时含有Cr、Zn、Cd和Pb的土壤中修复效果的影响。ME1和W18的双重接种（D1处理）对这四种金属的去除效率均超过了30%。D1处理和ME1 + ZF6（D2处理）中的吲哚-3-乙酸及脱氢酶活性比单菌株接种高出1.1–1.3倍。D1处理的金属转运因子比未接种对照组高出1.7倍，表明金属的吸收和转运能力得到增强。植物生长也得到了促进，根生物量超过了40克。微生物网络和功能基因分析显示，在D2处理下根际-内生菌群的连通性增强，Cd/Zn耐受基因的丰度增加。相比之下，三菌株联合接种并未在金属去除、微生物功能指标或植物生长方面带来进一步改善。这些结果表明，修复效率取决于菌株间的功能互补性，而非接种菌株的数量。总体而言，本研究表明，通过策略性设计的多菌株PGPB接种可以增强土壤-植物-微生物之间的相互作用，提高受多重重金属污染土壤的植物修复效果。

引言

受重金属污染的土壤对生态系统和人类健康构成了持续且严重的环境威胁（Alves等人，2022年）。因此，实施环保的土壤生态系统恢复技术已成为全球的紧迫任务（Alves等人，2022年）。在现有的修复方法中，植物修复因其经济性和环境可持续性而受到广泛关注（Alves等人，2022年）。先前的研究表明，包括玉米（Zea mays）、龙葵（Solanum nigrum）和黑芥菜（Brassica nigra）在内的多种植物能够从受污染的土壤中积累或去除多种重金属（Alves等人，2022年）。然而，在严重重金属污染的环境中，植物生长常常受到严重抑制，从而限制了植物修复的整体效率（Kafle等人，2022年）。

为克服这些限制，最近的研究提出了并验证了利用促进植物生长的细菌（PGPB）的辅助植物修复策略，这些细菌能够同时缓解金属引起的压力并促进植物生长（Cho，2020年；X. Wang等人，2022年）。例如，一种耐铅的荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）菌株能够产生吲哚-3-乙酸（IAA）和铁载体，从而增加扁豆（Lathyrus sativus）中的脯氨酸含量并促进铅的积累（X. Wang等人，2022年）。同样，一种耐镉且能产生IAA的鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）C40株能够提高水稻（Oryza sativa的生物量，并有助于高效的植物提取（X. Wang等人，2022年）。

耐重金属的PGPB通过多种生物化学和分子机制调节金属的生物可利用性并减轻植物的金属压力，包括黑色素介导的金属吸附、胞外多糖（EPS）驱动的金属固定、铁载体的产生以及ATP酶介导的金属外排（Fanai等人，2024年；Gogoi等人，2023年）。尽管有关多菌株接种益处的报道越来越多，但关于单个菌株在多重金属压力下的功能特性如何相互作用的机制理解仍有限（Fanai等人，2024年；Gogoi等人，2023年）。特别是，尚不清楚菌株特异性功能（如IAA生物合成、EPS产生以及金属耐受和转运基因）在复杂的多金属（Cr–Zn–Cd–Pb）污染环境中的整合方式，以及这些功能如何产生系统级的协同效应（Tariq和Farhat，2025年）。此外，很少有研究全面探讨根际和根内菌群的 compartment-specific 响应，这留下了关于PGPB接种如何重构土壤-植物-微生物相互作用以增强植物修复效率的关键知识空白（Fanai等人，2024年；Gogoi等人，2023年）。

为填补这些空白，本研究考察了三种耐重金属的PGPB菌株——鲍曼不动杆菌ME1株、科萨科尼亚菌W18株和伯克霍尔德菌ZF6株——单独或联合接种对高羊茅（Festuca arundinacea）修复效果的影响，高羊茅是一种广泛用于植物修复的深根多年生草本植物。这些菌株具有互补的功能特性：ME1具有IAA和黑色素产生能力，W18具有EPS产生和抗氧化活性，ZF6具有重金属耐受性、固氮和磷酸盐溶解能力，表明它们在多菌株联合体中具有很强的合作潜力（Lee和Cho，2025a；Lee和Cho，2025b；Lee和Cho，2025c）。具体而言，本研究评估了单独和联合接种对（1）重金属积累和植物生长，（2）土壤酶活性和功能基因谱型，以及（3）根际和根内菌群结构的影响。通过这种综合方法，我们旨在评估基于菌株联合体的PGPB策略在修复多重重金属污染土壤方面的潜在优势，并探索微生物联合体提高植物修复效率的机制。

实验设置

多重重金属污染土壤中耐重金属PGPB接种的实验方案

用于植物培养的土壤采集自韩国京畿道杨平郡杨西面Buyong-ri（纬度37°55′N，经度127°35′E）。去除石头和杂物后，将土壤与猪粪堆肥按9.5:0.5（重量比）充分混合以促进植物生长。使用分析级试剂制备了重金属标准溶液：Cr用Cr?K?O?（浓度100 mg/L），Zn用ZnSO?·7H?O（浓度3000 mg/L），Cd用CdCl?·H?O（浓度10 mg/L），Pb用Pb(NO?)?（浓度10 mg/L）。

重金属去除

在重金属污染土壤的植物修复过程中，根际土壤中残留Cr、Zn、Cd和Pb的总浓度如图1a–d所示。45天后，所有接种PGPB的处理组中这四种金属的浓度均显著低于未接种对照组（p < 0.05），表明PGPB接种在多重金属压力条件下有助于提高土壤中金属的去除效率。值得注意的是，D1处理组（ME1 + W18）的效果尤为显著

结论

本研究评估了耐重金属PGPB的单菌株和双菌株接种对高羊茅在多重重金属（Cr、Zn、Cd和Pb）污染土壤中的修复效果、植物生理反应和微生物功能指标的影响。鲍曼不动杆菌ME1株、科萨科尼亚菌W18株和伯克霍尔德菌ZF6株表现出不同的功能特性，在联合接种条件下这些特性具有互补性。特别是ME1 + W18（D1）处理组的效果尤为明显

CRediT作者贡献声明

李秀妍：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，方法学设计，数据管理，概念构思。尹敏秀：数据收集与分析。赵京淑：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府科学信息通信技术部[MSIT]提供，项目编号：2022R1A2C2006615），以及韩国环境产业技术研究所（KEITI）的颗粒物管理专项研究生项目的支持（由环境部[MOE]提供）。