鎘被公認(rèn)是最具生物毒性的重金屬之一，該元素容易通過(guò)食物鏈在人體和動(dòng)物體內(nèi)積累，對(duì)全球環(huán)境和公共健康構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。研究表明，冶金采礦、工業(yè)廢水、汽車(chē)尾氣及農(nóng)業(yè)化學(xué)品的使用是鎘污染的主要來(lái)源，這一問(wèn)題在中國(guó)尤為突出。根據(jù)《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》顯示，鎘元素已成為土壤無(wú)機(jī)污染中超標(biāo)率最高的元素之一，其點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7%。冬小麥作為中國(guó)主要口糧作物，播種面積占比超20%，但其主產(chǎn)區(qū)正面臨嚴(yán)重的鎘污染威脅，因此需要采取有效的土壤修復(fù)措施，以保障土壤生態(tài)健康與糧食安全。

化學(xué)修復(fù)材料由于修復(fù)周期短、見(jiàn)效快的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)。其中，新型納米硅材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而廣受關(guān)注。與傳統(tǒng)硅材料不同，納米硅材料具有更大的比表面積，在重金屬吸附方面具有更好的優(yōu)勢(shì)。此外，納米硅能提高植物光合效率，通過(guò)促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增強(qiáng)抗逆性和改善生理功能來(lái)減輕鎘的毒性。但如果過(guò)度施用納米硅仍可能會(huì)對(duì)土壤-植物體系產(chǎn)生二次危害，從而限制修復(fù)效果。

近年來(lái)，微生物修復(fù)手段因其環(huán)境友好性而逐漸受到關(guān)注，為克服傳統(tǒng)方法的局限性，青島能源所生物燃?xì)馀c環(huán)境工程中心提出了一種創(chuàng)新性的雙重修復(fù)策略，將葉面施用納米材料與土壤施用微生物胞外聚合物相結(jié)合，聯(lián)合提高土壤修復(fù)效率，緩解重金屬對(duì)小麥的脅迫。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，葉面施用納米硅和土壤添加胞外聚合物的聯(lián)合應(yīng)用能夠協(xié)同減輕鎘對(duì)小麥幼苗的毒性，顯著改變了鎘在小麥根部和葉片中的亞細(xì)胞分布，同時(shí)提高了其抗氧化能力。該策略通過(guò)協(xié)調(diào)抑制鎘從土壤到根系的富集和抑制鎘從根系到葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)，發(fā)揮了顯著作用。此外，納米硅和土壤添加胞外聚合物，特別是胞外聚合物，顯著介導(dǎo)了根-土壤界面蛋白質(zhì)和多糖的積累，同時(shí)刺激了根部巰基化合物的合成和氨基酸代謝過(guò)程，為鎘從土壤到根的流入創(chuàng)造了多種障礙。這一方法還提高了小麥的光合作用效率，減少了脂質(zhì)過(guò)氧化，減輕了氧化損傷，保護(hù)了細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，同時(shí)限制了鎘從根到葉的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。

該研究證明，相較于傳統(tǒng)化學(xué)修復(fù)材料，微生物胞外聚合物兼具環(huán)境兼容性和生態(tài)安全性，顯著降低了土壤修復(fù)過(guò)程中所帶來(lái)的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)，可通過(guò)定向篩選高效胞外聚合物產(chǎn)生菌、優(yōu)化復(fù)合菌群構(gòu)建，并結(jié)合分子修飾提升其吸附特異性，微生物胞外聚合物有望成為綠色可持續(xù)土壤修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵突破口，為安全修復(fù)和高效利用受損土壤提供創(chuàng)新解決方案。

相關(guān)研究成果以“Reducing Cd Uptake and Translocation in Wheat Seedlings through Integrated Approaches Using Nanosilicon and Extracellular Polymeric Substances”為題發(fā)表在Journal of Agriculture and Food Chemistry期刊上，青島能源所生物燃?xì)馀c環(huán)境工程中心博士后張雨為本文第一作者，天津生工所程庭峰與青島能源所生物燃?xì)馀c環(huán)境工程中心付善飛研究員為本文共同通訊作者。該工作得到了泰山學(xué)者計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)A黑土專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院-吉林省院地合作產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。（文/圖 張雨）

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.5c03321