在煤矸石土壤功能恢复过程中，通过代谢重建和微生物网络组装实现了重金属的固定

《Journal of Hazardous Materials》：Metabolic reconstruction and microbial network assembly immobilised heavy metals during soil function recovery in coal gangue

　　

潘旺|陈成|张宇博|廖超生|李林|唐小龙|张明杰|卢光 rou|黄晓康|李平|陈超

贵州大学动物科学学院，中国贵阳550025

摘要

煤矸石的堆放导致土壤中重金属污染严重及生态功能退化。Vetiveria zizanioides（L.）具有很强的植物修复潜力；然而，其在土壤功能恢复过程中固定重金属的机制尚不明确。本研究采用时空替代法，分析了V. zizanioides在煤矸石中种植九年期间土壤中重金属的分布、微生物群落及代谢物变化。长期种植有效固定了重金属（Cr、Cu和Zn），减少了其迁移，并逐步恢复了土壤pH值，同时增强了土壤的多功能性。细菌网络的脆弱性降低，而网络的复杂性和稳定性提高，使得煤矸石–V. zizanioides系统中的微生物多样性增加。Sulfurifustis这一优势菌属对细菌网络结构有显著影响，并促进了重金属的固定。关键类群（变形菌门、放线菌门和绿弯菌门）在决定细菌网络结构中起重要作用。此外，嘌呤代谢及其中间代谢产物尿囊素显著增强，可能与植物在重金属胁迫下的解毒作用有关。总体而言，这些发现表明V. zizanioides的种植通过细菌网络的构建和代谢重编程实现了重金属的固定、土壤功能的恢复以及微生态平衡的维持。

引言

工业化的快速发展依赖于大规模的煤炭开采和利用以满足能源需求。然而，长期的人类活动（如采矿、运输和废物处理）导致大量重金属（如Cr、Zn、Pb、Cu、As和Cd）释放到土壤中，造成严重污染，并对人类健康构成重大风险[1]。煤炭洗选过程中产生的大量煤矸石被堆放，占用宝贵的土地资源[2]。此外，煤矸石堆的松散结构使周围土壤极易受到重金属污染，污染物扩散到更广泛的环境中，严重破坏生态平衡和可持续土地利用[3]。因此，固定重金属以防止其扩散和环境污染仍是一个关键挑战。

植物修复作为一种经济高效且环境可持续的土壤修复策略，显示出在采矿区管理重金属污染的巨大潜力。重金属污染土壤的植物修复主要包含两种方法：植物提取（将重金属转移到植物组织中[4]和植物稳定（通过植物介导的过程在原位稳定污染物[5]）。Vetiveria zizanioides具有很强的耐逆性、发达的根系和高金属积累能力，已被广泛用于重金属的植物稳定和修复[6]、[7]、[8]。以往的研究主要探讨了V. zizanioides的土壤修复潜力以及根际微生物促进重金属固定的机制。尽管这些研究为重金属积累及相关机制提供了宝贵见解，但对其对周围土壤和土壤微生物生态系统长期影响的理解仍不足。

植物稳定和植物修复后微生物群落的演替已成为生态学研究的重点。重金属污染会降低微生物多样性并破坏群落结构，最终导致微生态失衡[9]、[10]。然而，土壤微生物群落在减轻重金属污染和恢复生态功能中起着关键作用[11]、[12]。微生物共现网络分析的最新进展为生态恢复过程中微生物群落与生态系统功能之间的关系提供了新的见解[13]、[14]。多样性和网络结构对微生物适应至关重要，网络结构是抵抗环境干扰的重要决定因素[15]。通过识别关键类群和分析网络拓扑，微生物网络分析可以揭示微生物介导的重金属固定和土壤功能恢复的机制，从而将群落结构与生态系统过程联系起来。对退化草原的研究表明，细菌群落的组成抗性和恢复力优于真菌群落[16]。同样，细菌群落的多样性和组成对矿山修复的反应比真菌群落更强烈[12]。因此，本研究利用微生物网络分析研究了V. zizanioides长期种植下煤矸石土壤中细菌多样性、网络稳定性和复杂性的动态变化。

此外，土壤代谢功能的重构是土壤微生物应对重金属水平波动的关键机制[17]。因此，将微生物群落动态与代谢响应结合起来，对于理解植物修复过程中生态平衡的维持至关重要。特别是嘌呤代谢途径——参与微生物氮循环和应激反应的重要途径——在重金属污染环境中通常显著上调[18]、[19]。尿囊素作为嘌呤代谢的关键中间产物，在植物和微生物的应激适应及重金属固定中起关键作用。对拟南芥的非生物胁迫研究表明，胁迫会激活参与嘌呤分解的酶并诱导尿囊素的合成，从而增强耐受性[20]。此外，尿囊素水平在Cr、Cd、Zn和Pb污染下升高[21]、[22]，并通过调节活性氧（ROS）的积累有助于减轻重金属胁迫[23]、[24]。

然而，长期固定不可避免会导致重金属在原位的积累，这可能继续对土壤生物造成毒性压力。在这种矛盾条件下，土壤微生态系统如何维持生态平衡仍不清楚。本研究调查了中国贵州省典型煤矿区V. zizanioides不同种植年限的修复区域，系统分析了重金属的时空分布、土壤功能恢复、微生物群落动态及代谢物变化。我们假设V. zizanioides的长期种植可以固定重金属，恢复土壤功能，并增强煤矸石土壤中微生物网络的复杂性、稳定性和多样性，从而促进微生态平衡。

章节摘录

研究地点和样品采集

本研究在中国贵州省六盘水市大湾镇的五个煤矸石堆进行（东经104°36′，北纬26°46′）。这些煤矸石堆是由长期煤炭开采活动产生的废弃物积累形成的。生态修复前，这些地点的特征是裸露的矸石基底，山坡上杂草稀少。为了稳定矸石基底并促进生态恢复，种植了Vetiveria zizanioides

重金属的固定和土壤多功能的恢复

为了研究V. zizanioides长期种植对煤矸石土壤中常见重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb）的影响，我们在多个种植年份（图1；表S1）的不同植物生长阶段（E、M和L）测量了重金属浓度。在所有土壤深度中，第九年的累积重金属浓度显著高于新鲜煤矸石（P?

在

结论

V. zizanioides的长期种植固定了重金属并恢复了煤矸石土壤的功能。本研究揭示了一种涉及V. zizanioides、微生物群落和嘌呤代谢的协同修复机制。结果表明，在持续的重金属污染下，微生态平衡可以得到维持。尽管煤矸石土壤继续积累重金属，但微生物群落通过双重机制保持了稳定性。

环境意义

由于煤炭运输和洗选产生的煤矸石在煤矿集中区域大量堆积。这些堆积物导致重金属富集，通过降水及人为活动扩散到周围环境中，造成二次污染。本研究表明，Vetiveria zizanioides》这种典型的重金属固定植物能够固定重金属，防止其向外迁移和相关污染

CRediT作者贡献声明

陈超：资源管理、项目协调、方法学设计、资金申请、数据分析、概念构思。黄晓康：调查工作、概念构思。卢光 rou：调查工作、概念构思。张明杰：调查工作、概念构思。唐小龙：调查工作、概念构思。李林：调查工作、概念构思。廖超生：调查工作、概念构思。张宇博：调查工作、概念构思。陈成：撰写 – 审稿与编辑，

资助

本研究得到了贵州省草地资源开发、利用科学技术创新人才团队项目（黔科合平台人才 – CXTD [2022]）和贵州省高层次创新人才（****）（黔科合平台人才 – GCC [2023）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢贵州省草地资源开发、利用科学技术创新人才团队项目（黔科合平台人才 – CXTD[2022]011）和贵州省高层次创新人才（****）（黔科合平台人才 – GCC[2023]012）的财政支持。