由磷石膏引发的细菌群落适应性重构及其在植被覆盖策略中的应用：从硫循环到碳固定

《Applied Soil Ecology》：Phosphogypsum-induced adaptive restructuring of bacterial communities in vegetation capping strategies: From sulfur cycling to carbon fixation in vegetation

　　谭家琪|王镇|陈英东|张朝阳|孟德龙|李文超|J. Viridiana García Meza|宋绍贤|夏玲
中国教育部武汉理工大学关键非金属矿产资源绿色利用重点实验室，武汉，430070

**摘要**
植被覆盖策略和活性磷石膏（PG）成分控制着覆盖土壤群落的演替以及重金属的命运，直接影响PG堆的长期稳定性。本研究调查了中国中部不同存放期限（0–15年）的PG堆，分析了覆盖土壤的地球化学特征、细菌群落以及植物对金属的转移过程。高通量测序和功能基因定量（PICRUSt2）研究表明，PG通过持续的结构分化重塑了覆盖土壤的细菌群落，并改变了元素循环模式。在早期阶段（≤1年），PG成分（如Ca和S）的迁移促进了适应PG的细菌（如变形菌门和放线菌门）的生长，这些细菌占土壤微生物群的一半以上。这些细菌促进了硫磺酸氧化和硫酸盐的还原作用，导致土壤酸化，并使Cu和Pb的迁移增加，同时将土壤有机碳从7.3 mg/g降低到4.6 mg/g。在后期阶段（1–15年），细菌群落从以硫循环为主的细菌转向以碳固定为主的古菌，Crenarchaeota的数量增加。碳固定基因的表达增强，使C:N比值从10.9恢复到15.6，平均粒径增加了2.8倍。同时，黑麦草根系固定了大部分砷和铬，并将锌和镍转移到叶片中。这些机制解释了93.5%的元素循环相关的基因变化。本研究为预测和管理覆盖PG堆的长期生态稳定性提供了机制上的见解和策略。

**引言**
磷石膏（PG）是磷酸盐肥料工业的副产品，通过将原始磷酸盐（氟磷灰石）与浓硫酸在75–80°C下反应生成（方程式（1）（Akfas等，2024）。由于这一过程，PG具有颗粒细小、酸性强（含有残留的磷酸、硫酸和氢氟酸）以及元素（包括重金属）迁移性高的特点。此外，PG的产量巨大，每生产一吨磷酸盐大约会产生五吨PG（Bilal等，2023）。全球年产量在100亿至300亿吨之间，但只有约15%被重新利用，其余部分堆积形成大量库存（Yang等，2024）。这些特性和大量积累使得PG成为环境影响的重点研究对象（Wu等，2022）。

Ca10PO26F+10H2SO4+20H2O=6H3PO4+2HF+10CaSO4·2H2O

尽管已采取多种措施改进PG的利用方法（如回填、水泥添加剂、土壤肥料和化学回收），但仍有大量PG未经处理或未得到利用（Yang等，2024），占据大量土地并长期堆积。因此，将土壤覆盖作为最可行的处理策略尤为重要，尤其是对于历史遗留的PG堆。理论上，土壤-PG界面成为一个动态区域，PG通过多种途径持续影响覆盖土壤和植被，但其综合环境影响尚不明确。虽然PG中的重金属和酸性强带来明显风险，但也有研究指出其在无害处理后能改善土壤结构（Costa等，2022；Khalifa等，2021；Silva等，2022）。当PG适当施用时，其富含钙、磷和硫的细颗粒组成可以促进土壤团聚（Bossolani等，2021；Huang等，2022）。然而，大多数研究仅限于短期实验室或田间试验，关于PG在自然条件下的长期影响记录较少。

实际上，PG对土壤的影响不仅包括土壤地球化学性质的变化，还涉及微生物层面的改变。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，对土壤条件变化敏感，并作为土壤健康和功能的关键指标（Banerjee和van der Heijden，2023；Bastida等，2021）。研究发现，PG可以影响土壤细菌和真菌群落组成，促进有机物降解过程，调节氮转化，最终影响土壤组成和生态系统稳定性（Lei等，2021；Sengupta和Dhal，2021）。这为评估PG对土壤环境的影响提供了新的视角。即使在极端环境（如极地和沙漠）中，微生物也能生存（Lu等，2024；Shu和Huang，2022）。尽管PG的化学成分相对简单且酸性强，但它仍支持微生物群落的生存，其中包含大量耐盐和耐酸细菌，以及硫酸盐还原菌和其他功能性细菌（Bounaga等，2023；Sengupta和Dhal，2021），为预测PG影响下的土壤生态功能变化提供了依据。然而，植被恢复策略与活性PG成分之间的动态相互作用复杂化了原始土壤群落的时间演替以及重金属和其他有害物质的命运（Dal Co等，2020；Michalska-Smith等，2022）。这些问题最终影响土壤覆盖坡面的水稳性（通过土壤团聚体）、植物存活能力（通过重金属和养分）以及微生物生态（涉及养分积累和植物适应性），这些都直接关联到PG堆的生态修复管理。

在本研究中，我们在中国中部的一个PG堆中收集了17年期间的PG样本及其覆盖土壤和植被。我们研究了地球化学性质、微生物群落结构以及植物根部和叶片中重金属积累模式的时间变化，特别是它们之间的复杂关系。此外，我们还分析了不同年份土壤群落生物标志物与关键生态系统功能（包括碳、氮、磷、硫循环和重金属抗性）之间的相关性。这种多维度方法有助于识别控制土壤功能的关键分类学和化学因素，同时揭示了需要环境监测的重点重金属污染物及其在土壤-植物系统中的迁移途径。

**样本收集与处理**
样本采集于2023年9月4日，地点是中国湖北省钟祥市（31.17°N，112.58°E）。为了代表不同的演替阶段，选择了5个存放期限为0年、1年、5年、10年和15年的PG地块。这些地块在同一采矿区内分不同批次建立。由于生产要求，前两年PG未被覆盖任何土壤。随后，覆盖了本地土壤并种植了黑麦草。

**矿物和团聚体组成**
XRD分析显示，PG样本与土壤样本之间以及不同年份的土壤样本之间的矿物组成存在显著差异。PG样本主要由硬石膏（CaSO4）、石膏（CaSO4·(H2O)2）和刷石膏（CaHPO4·(H2O)2）组成。在17年期间，PG的XRD图案没有变化。相比之下，土壤样本主要由硬石膏（CaSO4）、石英（SiO2）和CaMg(CO3)2组成（图S1）。在样本T0、T1中检测到CaSO4的特征峰。

**PG对覆盖土壤的短期和长期影响**
目前PG的低利用率使得大规模原位生态修复成为一个有吸引力的选择（Akfas等，2024；Yang等，2024），但未经处理的PG会引入不可预测的生态风险（Huang等，2022）。与以往关注短期植被生长或静态浸出的研究（Bounaga等，2023；Sengupta和Dhal，2021）不同，我们的15年时间序列显示了土壤功能的非线性恢复。

**结论**
本研究通过识别三个核心驱动因素建立了PG长期修复的机制框架：首先，从硫转化细菌到碳固定古菌的演替使生态系统在5年后趋于稳定，表现为Crenarchaeota数量增加了8.5倍，土壤结构改善了2.8倍。其次，植物介导的金属分配有助于自然封存，黑麦草根系能够固定砷。

**作者贡献声明**
谭家琪：撰写原始草稿、正式分析、数据管理。
王镇：方法论、研究设计。
陈英东：数据管理。
张朝阳：数据管理。
孟德龙：验证、监督。
李文超：软件应用。
J. Viridiana García Meza：验证、软件应用。
宋绍贤：项目监督、资金筹措。
夏玲：项目监督、资金申请。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告内容。

**致谢**
本工作得到了湖北省自然科学基金（2023AFA087）、国家自然科学基金（项目编号22478311）和中央高校基本科研业务费（S202510497161）的财政支持。