研究背景

工业化推动下，大量难降解污染物 (如塑料、重金属、持久性有机物与农药) 进入土壤与水体，并通过农田生态系统进入食物链，威胁粮食安全与人类健康。重金属具有持久性和生物累积性，过量会抑制植物光合作用、矿质营养与关键酶活性，导致生长受阻；在人体内可在脑、肝、肾等器官富集。传统的物理化学修复 (如电渗、反渗透、土壤洗脱与稳定化) 虽有效，但耗能高、成本大且可能产生二次污染。近年来，重金属耐受的促植物生长微生物与植物协同的生物修复因经济、环境友好而受到关注。本文系统梳理了重金属耐受促生微生物的作用机制、典型案例与效能，讨论纳米技术与代谢通路重构在修复中的新进展，并提出未来机遇与限制；研究目的在于为重金属污染土壤的高效、生物学治理提供新维度与可行路径。

研究内容

该综述首先界定了重金属污染的环境效应：钴、镍、铜、钼、铁、锰等在微量必需，但镉、铬、汞、砷、硒、镍等一旦超阈值即对土壤-作物系统和人体造成危害，实验室证据显示其可损伤呼吸过程、电子传递链、光合作用与细胞分裂。相较于高成本的工程手段，微生物介导的生物修复通过促进金属迁移转化与植物耐受，成为污染区治理的重要补充。作者汇总了大量源自受污染土与根围、根内的微生物资源，包括细菌 (如Arthrobacter、Bacillus、Burkholderia、Pseudomonas、Stenotrophomonas)、真菌 (如Mucor、Talaromyces、Trichoderma) 以及古菌 (如Natrialba、Haloferax)，展示其作为生物净化种质的潜力。

图1.HMT-PGP微生物修复机制示意。

在机制层面，综述归纳了几条核心路径：(1) 通过酸化、络合、螯合、沉淀与氧化还原改变土壤中金属的生物有效性，提升植物吸收或实现固定与解毒；(2) 依靠金属硫蛋白、植物螯合肽及细菌分泌物 (如铁载体、邻苯二酚类) 进行胞外或胞内金属螯合与隔离；(3) 通过特异外排泵降低胞内金属浓度，或改变代谢通路以减少金属摄取；(4) 菌根与共生真菌参与的细胞器 (尤其液泡) 隔离。作者给出多个精准案例：耐铬的Cellulosimicrobium cellulans可将六价铬还原为三价铬并促进辣椒吸收；来源于砷污染土的Geobacillus与Bacillus可将三价砷转为毒性更低的五价形态。外膜C型细胞色素、孔蛋白-细胞色素复合物与跨膜电子传递系统在这些氧化还原过程中发挥关键作用。

图2.微生物吸附、沉淀与氧化还原协同机制。

生物吸附方面，微生物细胞壁的羟基、羧基与巯基等基团对金属具有高亲和力；谷胱甘肽衍生肽与金属硫蛋白增强金属结合；某些促生菌分泌的胞外多糖形成生物膜，构建带阴离子功能团的“保护层”，既提高细胞耐受，又将金属转化为低毒或难溶形态。研究指出，胞外多糖与生物膜形成彼此联动，是生物矿化与生物吸附的重要基础。丛枝菌根真菌对逆境适应亦有重要贡献，在Rhizophagus irregularis的菌丝中观察到锌、铜、镉的液泡隔离。作者强调，单菌株往往不及菌群联合高效：在一项混合污染土实验中，四株细菌 (Viridibacillus arenosi B-21、Sporosarcina soli B-22、Enterobacter cloacae KJ-46与KJ-47) 组合在48小时内对铅、镉、铜的生物修复效率分别达99%、86%和6.6%，显著优于单菌株。

该文还拓展到“组学—计算—实验”的闭环以重构污染物代谢通路。基于整基因组测序、参考通路与反向生物合成的计算设计，可快速拼装跨物种的酶促反应网络；随后通过分子生物学与高通量筛选进行验证与优化，形成可用于污染物转化的合成代谢模块，提升生物修复的针对性与效率。

图3.代谢通路重构的实验验证流程。

在纳米技术与生物修复融合方面，作者归纳了“绿色”生物合成纳米材料的优势：粒径小、比表面积大、反应性强，可作为载体固定酶与微生物、增强吸附与催化；微生物分泌的包覆剂可防止纳米粒聚集，提高稳定性。若与植物、微生物协同，可显著提升污染物去除速率。文中给出多例重金属治理证据：由红树林真菌Aspergillus niger BSC-1生物合成的氧化铁纳米片在特定pH与温度下高效吸附铬；以Lysinibacillus包埋于环糊精纳米纤维的材料对六价铬与镍表现出有效去除；活体Deinococcus radiodurans制备的磁性纳米颗粒展现出优异砷去除能力；绿藻Chlorococcum sp. MM11生物合成的铁纳米颗粒可将92%的六价铬还原为三价铬。作者还指出，零价铁纳米材料对铅与六价铬的处理效率远高于微米级铁，对砷形态的去除速率亦可提升8—10倍。纳米-生物协同 (如酶固定化、菌体负载、磁性回收) 为高浓度与复合污染提供了新的工具箱。

研究总结

本文从污染现状、微生物—植物互作机制、代谢工程与纳米材料三个层面，为重金属污染土壤的生物修复提供了系统证据与可操作思路。重金属耐受的促生微生物通过酸化、络合、还原、沉淀、外排与胞器隔离等途径，既提升植物存活与生物量，又加速金属固定或清除；菌群联合与菌根—胞外多糖—生物膜的耦合，是提高场景适配性与效率的关键。基于整基因组的通路重构与实验验证可定制化构建“污染物转化模块”，而绿色纳米材料作为载体与活性添加剂，显著放大吸附与催化效应，并便于回收。作者同时指出，生物修复的规模化仍受制于配方开发、田间验证与环境异质性；营养添加、工程化微生物与快速生物传感、以及面向超累积植物的微生物组调控，均是提升效率与准确评估的方向。总体而言，基于微生物—植物协同并融合纳米技术的低投入、可持续策略，有望在保障生态安全与农田生产力的前提下，实现重金属污染土壤的高效净化。

原文出自 Jox 期刊：

JoX 期刊介绍

主编：François Gagné, Aquatic Contaminant Research Division, Canada

期刊主题涵盖异型生物质毒素、异型生物质药理学、环境有害异物、内分泌干扰物、氧化应激、抗生素、生物标记物、纳米粒子、塑料微粒、农药、除草剂。期刊现已被  Scopus, ESCI (Web of Science), PubMed 等数据库收录。

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