根系分泌物促进微生物降解土壤多环芳烃的机制及强化措施

Root exudates promoting biodegradation is the main process to phytoremediation of organic-contaminated soils, currently becoming the research hotspot in this field. However, the system knowledge on the community structure and ecological function of microbial degraders, and bioavailability of pollutants affected by different root exudate components is limited. Our previous work found celery can efficiently remove polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from soils，therefore，celery root exudates can be considered as a research object for the preceding problem. The current project attempts to take PAHs as the target pollutant to comprehensively investigate the influences of water and non-water soluble celery root exudates on the biomass, community diversity and PAH-degrading ability of soil functional microbes, as well as adsorption and desorption of PAHs in soils through the microcosm culture method combined with molecular biological techniques like DNA based stable-isotope probing (DNA-SIP), and to identify the critical component of root exudates, thus illustrates the mechanisms of root exudates in promoting biodegradation of PAHs in soil. On the basis above, this project will further investigate the enhancement effect of biochar on the promotion of PAH biodegradation by celery root exudates, and finally establish a relevant, novel strengthening measures. The expected results of this project can provide basic data for improving phytoremediation mechanisms of organic-contaminated soils, and raising the application level of phytoremediation in practice.

根系分泌物促进微生物降解是植物修复有机污染土壤的主要途径，但根系分泌物不同组分如何影响降解微生物群落结构、生态功能以及污染物生物可利用性等方面的系统认识尚不全面。前期工作发现芹菜能有效降低土壤多环芳烃（PAHs）浓度，因此可将其根系分泌物作为探讨上述问题的研究对象。本项目拟以PAHs为目标污染物，采用微宇宙培养方法，结合稳定同位素核酸探针（DNA-SIP）等分子生物学技术，综合研究芹菜水溶性和非水溶性根系分泌物对土壤功能微生物数量、群落多样性和PAHs降解能力，以及PAHs在土壤中吸附解吸行为的影响，确定起关键作用的分泌物组分，从分子生态学和化学角度阐明根系分泌物促进微生物降解土壤PAHs的机制；在此基础上，研究添加生物炭对芹菜根系分泌物促进微生物降解土壤PAHs的强化效果，建立相应的新型强化措施，最终为完善有机污染土壤的植物修复机理，提高其实际应用水平提供基础数据。

根系分泌物促进微生物降解是植物修复有机污染土壤的主要途径，其中调控机制和强化措施是该领域两个重要的研究方向。本项目采用微宇宙培养实验，并结合DNA-SIP等分子生物学技术，研究了芹菜根系分泌物促进微生物降解土壤PAHs的生物和化学调控机制及生物炭对其调控过程的强化作用。主要研究结果如下：1）污染土壤中总体根系分泌物的适宜添加率为100 μg C/g soil/d，水溶性和非水溶性组分的适宜添加率分别为80 μg C/g soil/d和22.3 μg fatty acids/g soil/d；添加非水溶性根系分泌物及同时添加水溶性和非水溶性根系分泌物的土壤中芘降解率提升最为明显（22.03%和39.03%），说明非水溶性根系分泌物可能是促进土壤PAHs降解的关键根系分泌物组分。2）水溶性根系分泌物能提高土壤中总体微生物的数量，但对PAHs降解菌产生负选择压力，而脂溶性根系分泌物则产生正选择压力；两种根系分泌物组分对微生物生长的协同刺激效应并不明显；变形菌和放线菌是污染土壤中利用根系分泌物的主要细菌类群，而酸杆菌、绿弯菌等PAHs降解菌并未对根系分泌物产生明显的正响应。3) 非水溶性根系分泌物具有一定的表面活性（CMC为33.17 mg/L）；在临界胶束浓度（CMC）以上，非水溶性根系分泌物能显著提高芘在水溶液中的溶解度；低浓度非水溶性根系分泌物对土壤中芘的解吸有一定促进作用，且效果要好于相同浓度下的化学表面活性剂。4）施加生物炭对强化芹菜根系分泌物去除土壤PAHs的效果显著，最佳强化条件为：选用芦苇秸秆生物炭，制备温度为500 ℃，添加量为5%，土壤含水率为20%；盆栽试验验证了这一强化措施能够使植物修复土壤中芘的去除率增加24.72%。综上所述，根系分泌物主要通过非水溶性组分增加土壤PAHs解吸，提高其生物可利用性，刺激功能微生物降解活性来促进土壤PAHs的生物降解；添加生物炭是一种可行的根系分泌物促进微生物降解土壤多环芳烃的强化措施。该研究结果有望为阐明有机污染土壤植物修复机理，开发有效强化措施提供科学依据和技术支持。