草酸青霉诱导磷酸铅沉淀影响细胞代谢调控及土壤Pb(Ⅱ)固化机制.pdfVIP

摘要

微生物诱导的磷(P)酸盐沉淀(MIPP)被认为是一种通过添加外源磷矿物质和

解磷微生物(PSM)来生物固定铅(Pb)并提高Pb稳定性的新颖且有前景的方法。然

而，当PSM接种至Pb污染环境发生MIPP过程时，外加磷源对Pb2+引起的生理

毒性的改变及其机制变化还尚未明确。本研究以解磷真菌P.oxalicum作为研究对

象，探究其在MIPP过程中的生理特性、胞内调控变化。随后，P.oxalicum被接

种至Pb污染土壤中，探究P.oxalicum诱导土壤磷循环进而改变MIPP过程，影

响Pb固化的潜在机制。主要研究结果如下：

（1）环境中的Pb2+能够诱导P.oxalicum细胞膜破裂导致胞内物质外泄，从而

致使细胞死亡，而磷酸钙(TCP)被P.oxalicum溶解后，通过MIPP过程将Pb2+固定从

而改善Pb毒性，显著提高了P.oxalicum生物量和抗氧化应激酶活，有助于P.

oxalicum在Pb胁迫下生长；游离Pb2+和可溶性P之间的显着负相关(R=-0.66，p

0.001)表明P自由基参与Pb2+的固化，通过次生矿化产物表征及形态观察，发现

MIPP过程中产生的次生矿化产物主要为羟基磷酸铅[Pb(PO)(OH)]。

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（2）使用非靶向代谢组学和转录组学，研究发现Pb2+暴露会刺激Pb膜完整

性的恶化。P.oxalicum细胞内Pb2+直接与嘧啶反应，促进核苷酸代谢障碍和抑制

DNA/RNA合成；P.oxalicum可以产生更高水平的γ-氨基丁酸(GABA)以增强Pb2+胁

迫下的适应性细胞机制。在MIPP介导的Pb矿化过程中，TCP促进了细胞外Pb矿化

并降低了细胞外Pb2+浓度，从而减轻了核苷酸代谢抑制和膜退化。多组学联合分

析表明，Pb矿化后GABA分流合成途径被抑制，GABA降解途径被刺激改善了精

氨酸生物合成和TCA循环。

（3）在Pb污染土壤添加羟基磷灰石(HAP)后，接种P.oxalicum可显著刺激土

壤酸\碱性磷酸酶活性，有效磷和有效Pb呈显著负相关（R=-0.78，p0.001），

表明P.oxalicum刺激土壤MIPP过程；接种P.oxalicum后，土壤中较易利用吸收利

用的磷含量显著提高，土壤磷生物可利用性显著提高；同时，土壤中残渣态Pb占

比显著提高，且土壤Pb流动性和生物有效性显著降低，表明P.oxalicum能够通过

MIPP过程，实现更稳定、高效的Pb生物固定作用。

（4）通过shotgun测序，发现增强的α多样性，土壤磷循环功能基因的组成均

与有效磷密切相关。接种P.oxalicum可能不直接参与土壤磷循环，但可以通过直

接影响慢生根瘤菌属Bradyrhizobium、中慢生根瘤菌属Mesorhizobium、Niastella属、

链霉菌属Streptomyces等相对丰度，从而间接参与土壤磷循环。P.oxalicum接种处

2

理的磷循环功能基因之间拥有更复杂的共现模式，随机森林模型表明（R=0.703，

I

p0.001），涉及磷吸收转运与饥饿响应调节（pstSABC，phoU）、有机磷矿化（phoX，

phnA）和全部的无机磷溶解（gcd，ppa，ppx）基因被认为是有效磷的重要预测

因子（p0.05），其相对丰度均在接种P.oxalicum后有不同程度地增加。结构方程

模型表明P.oxalicum对无机磷溶解和有机磷矿化基因的相对丰度具有显著正影响

（p0.01），且仅有无机磷溶解相关的基因显著正向影响土壤有效磷（β=0.81，

p0.001）。因此，P.oxalicum能够显著刺激土壤磷循环，并通过增强无机磷溶解

潜力，提高土壤有效磷并驱动土壤MIPP过程，增强Pb生物固定作用。

关键词：草酸青霉；铅；微生物诱导磷酸盐沉淀；胞内机制；磷循环