汞（Hg） 是一种强烈的神经毒性元素，会损害人类的中枢神经系统，并已被列为优先控制污染物。近年来，由于汞矿产资源的开采、化石燃料的燃烧和氯碱工业的发展，农田中汞的浓度增加了3至10倍，农田汞污染对人类健康构成重大威胁。
物理和化学修复技术是修复汞污染土壤的主要方法。但这些技术存在着一些缺点，例如消耗丰富的资源、产生二次污染、破坏土壤结构以及从土壤中去除重金属的一半。植物提取是一种生物修复方法，它栽培植物以从土壤中提取汞。这种方法不仅有效地减少了土壤和大气中的二次污染物，而且实施简单、节能且环保。此外，从植物修复中获得的生物质可以通过各种处置方法进行处理，包括用作生物肥料、焚烧和热解，从而有效防止二次污染。凭借这些优势，植物修复有望成为汞污染土壤修复的领先技术。
在各种螯合剂中，聚-γ-谷氨酸 （γ-PGA） 是一种对环境无害、高度吸水的生物聚合物，由于γ-PGA具有极强的亲水性，固相吸附的重金属将转移到土壤溶液中，从而增加土壤环境中重金属的可用性和可移动性。此外，γ-PGA分解时会产生大量的低分子有机酸，这将改变土壤环境中的微生物群落结构，增加耐汞细菌的数量，从而提高植物对汞的耐受性。因此，周坤等研究了γ-PGA对汞污染土壤中巨型桔梗植物提取能力的影响。
试验设计
实验设计的总体策略包括以下步骤：收集土壤样本，将汞引入样本中，从而模拟汞污染土壤的环境。继续将γ-PGA加入这种人工污染的土壤基质并培养巨菌草。在预定的时间间隔内，我们系统地收集土壤和植物样本，然后对相关生物指标进行全面分析。这项研究旨在描述巨菌草在γ-PGA的增强下，有效地从土壤中螯合和提取汞的潜在机制。用冻干机干燥样品土壤和洗净巨菌草的根、茎和叶，研磨至0.15μm，使用冷蒸汽原子荧光光谱法检测根、茎和叶中的Hg浓度。采用改进的顺序提取程序提取土壤汞组分，即可交换物质、碳酸盐结合物质、Fe/Mn氧化物结合物质、有机物质结合物质和残留物质。使用DNA提取和16S rRNA测序分析根际微生物群落。通过半微量凯氏定氮法检测巨菌草根、茎和叶中的 TN 含量。
1
巨菌草的生长和汞的积累
在γ-PGA处理的土壤中，与空白对照相比，巨菌草表现出旺盛的生长和更多的枝条数量（图S2），这表明γ-PGA可以促进巨菌草的枝条生长。γ-PGA的施用似乎激活了土壤微生物的活性，其官能团有助于保留养分，减少其淋溶。γ-PGA的降解产物通过其活性官能团，促进土壤中结合养分的吸收。这个过程增加了植物吸收这些营养物质的可用性，为植物提供了更多获得必需营养物质的机会。因此，在土壤中施用γ-PGA会导致巨菌草的生长和生物量增加。
在60天时，与空白对照组相比，成熟的巨菌草的根、茎和叶的生物量分别减少了18%、15%和5%，如图1A所示。这归因于γ-PGA促进了汞在茎和叶中的积累（图1B）；然后对巨菌草的生长构成有害威胁。在对照组中，根部的汞浓度最高，其次是茎和叶子。然而，与空白对照组相比，γ-PGA处理后，根、茎和叶中的Hg含量分别增加了1.1倍、4.3倍和18.9倍。这表明γ-PGA在促进（巨菌草）吸收汞方面发挥着重要作用，特别是在其地上部分。
图 1.γ-PGA对空白对照和γ-PGA处理对巨型松生长生物量（A）、组织内汞浓度（B）、Hg积累和易位指数（C）、地上部和地下部分巨型松总汞质量（D）和巨型松总质量的影响（E）
2
汞组分对土壤汞的影响
在空白对照中，60天的可用物种比例下降了34.77%，而不可利用物种的比例上升了51.65%，如图2A、B所示。在γ-PGA处理下，可用物种和潜在可用物种均显著减少，不可利用物种增加了2.75倍。这种趋势意味着现有和潜在可用物种可能转变为不可利用的物种，特别是在γ-PGA的影响下。治疗组和对照组之间的汞分数浓度变化，特别是F5的变化并不显著（图2C、D）。最初，γ-PGA处理和空白对照在汞分数浓度上没有差异，但60天后，γ-PGA处理在F1、F2、F3和F4上的浓度远低于空白对照。在CK、F1、F2、F3和F4浓度分别下降了47.17%、66.85%、34.22%和59.41%，而这些降低在γ-PGA处理中更为明显，突出了其在促进潜在可用汞转化为有效汞组分方面的作用。
图 2.添加γ-PGA对土壤中Hg组分的影响空白对照和0 d和60 d的γ-PGA处理中汞级分（A和B）的比例和每个级分（C、D）的汞浓度
3
微生物群落对土壤汞的影响
γ-PGA处理后，Shannon、Chao1和ACE丰富度多样性指数显著下降，与对照组相比分别下降了23.15%、33.24%和32.82%（图S3A-C）。在门水平上，治疗组和对照组的独特细菌群落随时间变化显著，在不同阶段鉴定出15、20、18、21和13个独特菌落（图3A）。同样，在属水平上，我们分别观察到24、23、32、32和17个独特的群落（图3B）。值得注意的是，对照组在60天的门和属水平上都表现出比γ-PGA处理更多的细菌群落。这些发现表明，γ-PGA改良剂降低了汞污染土壤中的细菌群落多样性。
图 3.空白对照和0d和60d细菌群落在门（A）和属（B）水平上的γ-PGA处理的翻转图
当γ-PGA被改性为汞污染土壤时，土壤微生物群落丰富度的降低可归因于几个因素：（a）γ-PGA具有螯合性质，能与土壤环境中的汞离子结合，可使土壤汞的生物利用度和亲水性显著增加（b）γ-PGA的改性会影响土壤pH值（图S4A）。pH值的变化可以直接影响微生物活性和群落结构（c） 一些微生物可能对γ-PGA的存在敏感。添加这种化合物可能会创造一个对某些微生物物种不利的环境，导致微生物群落组成的变化和丰富度的降低（d） γ-PGA的引入可以改变微生物物种之间的竞争性相互作用。一些微生物更有效地利用γ-PGA作为碳源，在资源方面比其他微生物更胜一筹。
在门水平上，所有处理和孵育阶段排名前10位的优势细菌门包括黄杆菌属、疣微菌、芽单胞菌、硝化螺旋菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、拟杆菌属、不动杆菌属、酸杆菌属和变形菌门，其中变形菌门最丰富，相对丰度从70.28%到89.93%不等（图4）特别是γ-PGA处理，与空白对照组相比，60天的变形菌增加了1.18倍。酸杆菌门、绿藻门、植物霉门、宝石藻门和硝化螺旋门，随着时间的推移，这两种处理都出现了下降。与空白对照组相比，γ-PGA处理还导致酸杆菌、绿化菌、浮游菌和硝基螺旋体的丰度下降更明显。分层聚类热图描绘了前 30 个丰富的细菌属，突出了 γ-PGA 处理与空白对照之间的显着差异，链霉菌属、假单胞菌属和窄养单胞菌属等在γ-PGA处理的土壤中丰度增加（图4B）。
图 4.不同处理和采样时间下门水平细菌群落的相对丰度（A）和属水平（B）30个最丰度细菌群落的热图
4
γ-PGA吸收土壤汞的机制
γ-PGA处理的巨菌草茎的汞浓度大于空白对照。巨菌草的叶子主要由表皮、叶浆细胞、机械组织、维管束和叶脉组成（图5C）。当汞从维管束到达叶组织时，通过通道叶脉分布在整个叶片中。液泡是叶肉细胞中汞的主要解毒结构，谷胱甘肽和半胱氨酸可以复合汞并不可逆地隔离叶肉细胞中的汞。因此，用于γ-PGA处理的巨菌草的叶子可以固定更多的Hg。
图 5.巨菌草的根（A）、茎（B）和叶（C）的横截面
生长10天后，γ-PGA处理的巨菌草根、茎、叶的TN浓度分别比空白对照高96.55%、76.89%和83.48%（图6A）。这证实了γ-PGA确实是从土壤中吸收的，并在巨菌草内转移，这为支持其枝条的生长提供了养分。这就是为什么巨菌草生长旺盛的原因，与空白对照相比，γ-PGA 处理的枝条更多。γ-PGA处理时，60天时，巨菌草成熟根、茎、叶的TN浓度分别是空白对照的1.24、1.20和1.39倍（图6B）。这也证明了巨菌草可以通过其根部吸收γ-PGA。氮含量的增加与茎和叶中观察到的较高汞浓度相对应，支持这些组织中的汞主要通过γ-PGA的作用来自土壤。γ-PGA处理时，与新生上部相比，60天时成熟根、茎、叶的TN浓度分别降低了78.43 %、84.56%和69.46 %。这可归因于土壤汞与土壤中的γ-PGA同步吸收。然而，随着汞累积质量的增加，汞对巨菌草的毒性作用在生长一定阶段后显现出来，进而影响生长。
图 6.巨菌草在幼苗和成熟期根、茎、叶的TN含量
在γ-PGA处理下，汞在土壤巨菌草中的迁移和转化过程涉及四步机制（图7）。γ-PGA与Hg的络合增强了其亲水性和生物利用度，促进了其在水力作用下向巨菌草根际的运输。此外，γ-PGA富集土壤中的变形菌，通过螯合和pH改变等机制改变汞的可用性。然后，γ-PGA-Hg复合物被巨菌草根吸收，并通过质外体途径运输到木质部。此外，γ-PGA配位的汞被有效地吸收，同时通过根部嫩芽的无角质层未萌芽细胞壁吸收到巨菌草根，然后通过Casparian条带通过质外体途径到达木质部。随后，γ-PGA配位的Hg具有亲水性特征，可以在蒸腾作用下通过木质部容器主动向上输送到茎或叶。最后，运输到叶片的汞通过静脉分布，然后在叶肉细胞中与谷胱甘肽和半胱氨酸螯合，在那里被隔离和固定。
图 7.在γ-PGA辅助下，巨菌草吸收土壤汞的机理
summarize
总 结
1. γ-PGA的引入显著增强了巨菌草的生长和生物量，与对照处理相比，显著增加了地上部产量。
2. γ-PGA改变了土壤中汞的形态，从而提高了植物可直接吸收的汞部分的生物利用度，处理过的植物对汞的吸收增加就证明了这一点。
3. γ-PGA处理影响了土壤微生物群落的结构，这在汞的生物地球化学循环中起着关键作用。
4. γ-PGA处理显著增加了汞耐药细菌的丰度，如变形菌，促进了汞解毒。
5. γ-PGA显著促进了巨型汞的积累，特别是在地上部分，突出了其在提高汞污染土壤中植物提取效率的潜力。
引用
Kun Zhou, Deliang Yin, Chen Liu, Rongguo Sun,Investigating the role of poly-γ-glutamic acid in Pennisetum giganteum phytoextraction of mercury-contaminated soil,Science of The Total Environment,Volume 944,2024.
——————END——————
版权说明
文案 | 来源Kun Zhou, Deliang Yin, Chen Liu, Rongguo Sun,Investigating the role of poly-γ-glutamic acid in Pennisetum giganteum phytoextraction of mercury-contaminated soil,Science of The Total Environment,Volume 944,2024.
图片 | 来源Kun Zhou, Deliang Yin, Chen Liu, Rongguo Sun,Investigating the role of poly-γ-glutamic acid in Pennisetum giganteum phytoextraction of mercury-contaminated soil,Science of The Total Environment,Volume 944,2024.其它产品图来源光华时代（海南）生物科技有限公司拍摄或设计（不可作其它商用）
本文所有自主文案、图片等如需转载需事先联系光华时代（海南）生物科技有限公司授权，转载需注明来源！
