镉（Cd）污染对农业与环境安全构成严重威胁，尽管微生物生物膜具备固定重金属的潜力，但如何在Cd胁迫下提升其功能仍缺乏有效策略。研究人员通过开展田间试验，探究有机肥施用对稻田土壤多物种生物膜形成及镉吸附能力的影响。结果表明，有机肥施用改变了生物膜细菌群落组成，富集了Novosphingobium、Pirellula和Ellin6067属，促进多物种生物膜形成并显著增强Cd抗性。有机肥处理组生物膜生物量较对照组提升0.49倍；低浓度Cd（0.2 mmol/L）可促进生物膜发育，而有机肥改良生物膜Cd去除率达88%，显著高于对照组。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，C=O、–NH、C–N、–COO−等功能基团，以及多糖特征基团（C–O、C–C、C–O–H、C–O–C）和胞外DNA（eDNA）标志物PO2−可能作为潜在金属结合位点参与Cd固定。胞外多糖分泌增强被鉴定为生物膜Cd胁迫抗性的主要机制。该研究阐明了有机肥与Cd协同促进生物膜组装及功能以实现高效Cd吸附的调控效应，为优化镉污染土壤微生物修复提供了关键理论依据。
研究背景与意义
镉（Cd）是环境中具有高毒性的重金属，可通过污水灌溉、大气沉降等途径在土壤中持续累积，通过食物链威胁土壤可持续性与人类健康，并破坏土壤微生物群落结构与植物养分循环。当前主流修复技术存在明显局限：化学钝化法成本高，且受土壤pH、氧化还原条件变化影响易发生Cd再释放，长期稳定性不足；植物修复法虽环境友好，但受植物耐性限制，高浓度Cd会诱导氧化胁迫抑制生长，且超积累植物生物量低，整体修复效率受限。微生物生物膜作为自然环境中微生物的主要存在形式，其分泌的胞外聚合物（EPS）赋予其远高于浮游细胞的重金属抗性与吸附、转化能力，是极具潜力的生物修复路径。已有研究证实，农艺措施如施肥可调控土壤微生物组，但有机肥施用如何影响本土多物种生物膜发育及其镉吸附功能的机制尚不明确。湖南农业大学Yu Jiang、Yujia Li等研究人员针对这一空白，以长期定位施肥的株洲稻田为研究对象，系统解析了有机肥调控土壤多物种生物膜形成、结构及镉去除功能的机制，相关成果发表于《Journal of Adolescent Health》，为镉污染农田的微生物修复与施肥管理优化提供了新的理论视角。
关键技术方法
研究人员依托湖南株洲连续5年开展有机肥定位试验的稻田，设置对照（CK）与有机肥（SY）处理组，采集0–20 cm根际土壤。采用载玻片法从土壤中提取多物种生物膜，通过最低抑菌浓度（MIC）测定评估Cd抗性；结合结晶紫染色定量生物膜生物量，利用激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）观察活/死细胞分布；采用火焰原子吸收光谱法测定培养体系中Cd含量，分析其积累与分配特征；通过苯酚–硫酸法与考马斯亮蓝法分别定量EPS中胞外多糖与蛋白质含量，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析生物膜功能基团组成；提取生物膜微生物DNA后进行16S rRNA基因高通量测序，分析细菌群落结构变化；所有数据采用SPSS进行方差分析与显著性检验。
研究结果
有机肥施用下生物膜对Cd的抗性
随着Cd浓度升高，两组生物膜生物量均显著下降，有机肥组MIC达0.6 mmol/L，高于对照组的0.4 mmol/L，且在所有Cd浓度下生物量均显著高于对照组，表明有机肥显著提升了多物种生物膜对Cd胁迫的抗性。基于生物膜在低浓度Cd（0.2 mmol/L）下生物量最高，该浓度被选为后续实验处理浓度。
Cd对多物种生物膜形成的影响
无Cd条件下，两组生物膜生物量均在48 h达到峰值，有机肥组生物量（1.82±0.03）较对照组（1.22±0.03）提升0.49倍，证实有机肥促进生物膜发育。添加0.2 mmol/L Cd后，两组生物膜最大生物量进一步升高，有机肥组呈现双峰生长特征，48 h生物量达2.24±0.16，表明低浓度Cd与有机肥具有协同促生物膜形成效应。CLSM结果显示，有机肥组生物膜细胞数量更多；Cd暴露后有机肥组细胞数继续增加，且其死细胞比例始终稳定在30%，而对照组死细胞比例从5%升至24%，进一步验证了有机肥对生物膜的保护作用。
有机肥对生物膜微生物群落的影响
主成分分析显示有机肥处理显著改变生物膜细菌群落结构。门水平上，有机肥显著提升变形菌门（Proteobacteria）与绿弯菌门（Chloroflexi）相对丰度，降低酸杆菌门（Acidobacteriota）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota）与蓝藻门（Cyanobacteria）丰度。LEfSe分析鉴定出Novosphingobium、Pirellula与Ellin6067三个属在有机肥组显著富集，这些类群均具有产EPS或强重金属抗性的功能特征。
培养系统中Cd的去除与分布
0.2 mmol/L Cd处理下，两组生物膜Cd去除率均在48 h达到最高，有机肥组为88.0%，显著高于对照组的62.4%；随后去除率下降，可能与生物膜结构解体导致已吸附Cd释放有关。单位生物膜Cd吸附量有机肥组显著低于对照组，表明有机肥并非通过提升单位生物膜吸附能力，而是通过增加总生物量实现更高去除效率。Cd分布分析显示，有机肥组85.64%的Cd被生物膜胞外固定，残留于培养基中的Cd仅占12.12%，远低于对照组的31.16%，证实胞外固定是主要去除途径。
多物种生物膜组分对Cd的响应
无Cd胁迫时，两组EPS组分无显著差异；Cd暴露后，对照组与有机肥组胞外多糖含量分别提升30.77%与57.14%，有机肥组胞外蛋白含量较对照提升20.45%。单位生物膜归一化分析显示，Cd胁迫下两组单位生物膜多糖含量均显著上升，而蛋白含量无显著变化，表明胞外多糖分泌增强是生物膜应对Cd胁迫的核心机制。FTIR光谱显示，Cd暴露后生物膜中C=O、–NH、C–N、C–O、C–C、C–O–H、C–O–C、–COO−与PO2−等功能基团发生特征峰变化，其中多糖与核酸相关基团信号强度在有机肥组显著升高，提示这些基团为Cd潜在结合位点。
有机肥通过调控生物膜降镉的概念框架
基于实验结果，研究人员构建了有机肥通过调控生物膜提升Cd去除效率的概念模型：有机肥通过改变土壤微生物群落结构，提升微生物成膜能力，增加的生物膜生物量直接增强土壤Cd吸附；同时Cd胁迫下生物膜细胞上调胞外多糖分泌，提供更多金属结合位点，进一步强化Cd固定。
讨论与结论
讨论部分指出，有机肥可能通过影响微生物群体感应（QS）系统，改变生物膜群落组装与功能，富集的Novosphingobium等类群通过产EPS直接参与Cd固定。低浓度Cd刺激生物膜形成的机制可能与死细胞释放营养物质促进存活细胞生长，或Cd诱导EPS合成基因上调有关。研究同时指出，实验室培养体系可能无法完全模拟原位土壤生物膜的复杂性，但处理间的比较趋势仍能反映有机肥诱导的群落功能差异，未来需结合非培养方法在自然条件下验证。
结论部分明确：长期有机肥施用显著改变土壤多物种生物膜细菌群落结构，富集Novosphingobium、Pirellula与Ellin6067属，提升生物膜成膜能力、Cd抗性与去除效率；低浓度Cd通过刺激胞外多糖分泌促进生物膜形成；EPS是Cd固定的关键载体，胞外多糖分泌增强是Cd胁迫抗性的核心机制；C=O、–NH、C–N、C–O、C–C、C–O–H、C–O–C、–COO−、PO2−等功能基团为潜在Cd结合位点。该研究首次揭示了本土多物种生物膜在有机肥介导的镉污染土壤修复中的作用，为基于微生物组的土壤重金属污染治理策略开发提供了理论基础。
