重金属污染土壤植物修复技术具有环境友好、成本低廉、视觉美观等优势。龙葵是一种镉超积累植物，常用于镉污染土壤修复。然而，当作用于复合重金属污染土壤时，多种重金属会制约龙葵生长，降低修复效率。团队前期研究发现多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes, MCNTs）可通过激活龙葵抗氧化酶活系统、促进其对微量元素的吸收，提高龙葵在镉砷复合污染土壤中生物量和修复效率，并降低土壤中镉砷的迁移风险，表现出良好的土壤修复应用潜力（Small structures with big impact: Multi-walled carbon nanotubes enhanced remediation efficiency in hyperaccumulator Solanum nigrum L. under cadmium and arsenic stress. Chemosphere, 276, 130130.，https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130130）。植物生长不仅受土壤性质影响，还与土壤微生物有着密切关系，多壁碳纳米管作用下的龙葵根际微环境状态尚不明确。因此，深入研究多壁碳纳米管处理的土壤微生物群落结构和组成变化，揭示其对龙葵根际微环境的调控机制，明确潜在的生态风险，具有重要意义。
该研究通过多壁碳纳米管处理的植物盆栽实验,重点研究多壁碳纳米管处理下龙葵根区微环境的变化：土壤细菌和真菌的多样性、群落组成及结构,土壤酶活和土壤有效养分含量。通过高通量测序分析首次揭示，处理组龙葵根际微生物的alpha和beta多样性相比于对照组均无显著性变化，展现出良好的稳定性。
Fig. 1 NMDS (non-metric multidimensional scaling) ordinations and ANOSIM (analysis of similarity) test showing the difference of soil microbial community structure among different MCNT treatments.
研究者进一步解析微生物群落组成，发现不同菌属对多壁碳纳米管表现出不同的适应性，且细菌比真菌敏感性更强。多壁碳纳米管增加了Chloroflexi、Actinobacteria等细菌门水平上的相对丰度，强化了根际碳循环和有机质分解能力，促进植物生长。对于真菌而言，多壁碳纳米管减少了Ascomycota的相对丰度。大多数植物病原体属于Ascomycota,Ascomycota相对丰度的减少可能有利于植物抗病，从而提高了植物的抗逆性。在龙葵生长条件最好的M组（500 mg k-1MWCNTs）鉴定出5种细菌生物标记物Acinetobacter、Moraxellaceae、Solirubrobacteraceae、Solirubrobactreales、Conexibacter，以及3种真菌生物标记物Magnaporthaceae、Magnaporthales、Nakataea，与龙葵生长呈显著正相关关系。其中Conexibacter可强化根际微区对生态毒性的抗性，并提高重金属污染土壤中微生物群落稳定性。此外，研究还发现，多壁碳纳米管处理显著提高土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶含量，增强了土壤根际微生物的活性，促进土壤养分循环。
Fig.2 Soil bacterial taxonomic composition and LEfse (LDA Effect Size) analysis.
Fig. 3 Soil fungal taxonomic composition and LEfse (LDA Effect Size) analysis.
研究揭示，多壁碳纳米管促进龙葵在镉砷复合污染土壤中生长，机理之一在于土壤酶活的提高和某些有益菌属的富集，以及根际土壤微生物在多壁碳纳米管微环境中的良好稳定性。研究为碳纳米材料在环境修复中的应用和评价提供科学依据。
上海交通大学农业与生物学院生态学博士生陈寻峰为论文第一作者，周培教授为通讯作者，博士后初少华、惠楠副教授及张丹副研究员等参与了该研究。周培教授团队多年来一直从事土壤生物修复方面的研究，在Journal of Hazardous Materials、Environmental Pollution、Bioresource Technology、Science of The Total Environment等国际知名期刊发表多篇论文。相关研究得到国家重大研发计划和国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126947
