1. 生物炭和植物根系調(diào)節(jié)PAH脅迫土壤的土壤性質(zhì)和酶活性

圖1 土壤酶活性在生物炭(BC),、根際圈(R)及其協(xié)同作用(BC-R)下的相對變化

柱子上的不同字母表示在LSD事后比較檢驗的p <0.05水平下,，各處理之間存在顯著差異。

2. 生物炭和植物根系調(diào)節(jié)PAH脅迫土壤中的細菌群落

與對照相比,，生物炭和根際的共同作用可顯著增加細菌豐富度及其多樣性（圖S3a）,，細菌群落結(jié)構(gòu)由于生物炭和根際的作用而發(fā)生了變化（圖S3b）。與對照相比,，在用生物炭和植物根系聯(lián)合處理時,，前30種細菌門類中有30％的細菌門類的RA值顯著增加，而13％細菌門類的RA值顯著降低（p <0.01,，圖S3c）,。與RA> 1％的細菌門相比，RA <1％的細菌門對生物炭和植物根系的響應(yīng)程度更大（圖S3c）,。

LefSe分析反映了細菌分別對生物炭,、根際以及生物炭和根際的共同影響的響應(yīng)。生物炭和根際的共同作用導(dǎo)致變形菌門和酸桿菌門的相對豐度下降,，以及其他細菌門的富集,，例如，厚壁菌門,，綠彎菌門,，細菌擬桿菌門，放線菌門和疣微菌門（圖2）,。這表明生物炭和植物根系的存在有助于細菌群落的恢復(fù),。大多數(shù)細菌應(yīng)答者之間是正相關(guān)的（圖S6），表明在生物炭和植物根系的影響下,，微生物組之間發(fā)生了較強的合作,。微生物共生作用的增強也將有利于微生物對PAH的抵抗力,。

對生物炭和/或根際的主要細菌應(yīng)答者不同（圖2）。在根際土壤中,，特定微生物如綠彎菌門,，細菌擬桿菌門和放線菌門的富集可以改善細菌活性和養(yǎng)分循環(huán)（圖1和表S1）。PAH與根系分泌物的共代謝,，以及根系分泌物導(dǎo)致的PAH生物利用度增加既可以減輕PAH對微生物的毒性,，又可以提高PAH的去除效率。另外,，生物炭的吸附會降低高毒性PAH的生物可及性并保護細菌生境,。此外，通過生物炭和植物根系的聯(lián)合作用而富集的特定細菌組分可以潛在地減輕對植物的污染脅迫,。例如,，許多PAH降解菌（如芽孢桿菌和分枝桿菌）的富集，有助于去除PAH并減少其對土壤微生物組的脅迫,。

圖2 在PAH脅迫的土壤中細菌群落成員對（a）生物炭效應(yīng),、（b）根際效應(yīng)和（c）生物炭和根際共同效應(yīng)的響應(yīng)

分支圖的六個環(huán)表示域（最內(nèi)），門,，綱,，目，科和屬（最外）,。

3. 生物炭和植物根系調(diào)節(jié)PAH脅迫土壤的細菌代謝功能

除了土壤細菌群落的變化以外,，有必要進行細菌的代謝功能的分析以進行土壤質(zhì)量改善的評估。不同處理之間的細菌功能有所不同,，在生物炭和根際的共同作用下的變化最大（圖S4）,。PAH脅迫使大多數(shù)細菌代謝功能的RA值降低，而在用生物炭和根際處理時,，RA值升高（圖3a）,。在根際土壤中施用生物炭可顯著改善細菌功能（增加16.63％），包括異生物素的生物降解和代謝,，這種改善支持了該處理中最大的PAH去除率（圖S1）,。同時，在根際土壤中添加生物炭后,，與土壤碳代謝相關(guān)的細菌功能（例如脂質(zhì),，碳水化合物和氨基酸代謝）也顯著增加，其次是根際處理（圖3a）,。細菌代謝功能的增強將有利于形成更發(fā)達和健康的土壤生態(tài)系統(tǒng),，這可能是減輕PAH脅迫的一種方法,。

圖3 生物炭和根際對（a）預(yù)測細菌代謝功能的相對豐度,、（b）不同代謝物變化的影響以及（c）基于不同代謝物的代謝途徑的圖解

柱子上的星號表示在LSD事后比較檢驗的p <0.05水平下,，各處理之間存在顯著差異。柱子旁邊的值表示土壤代謝功能的相對變化,。BC：PAH脅迫的土壤,，含生物炭改良劑；R：PAH脅迫土壤的根際,；BC-R：PAH脅迫的土壤的根際,，含生物炭改良劑。

4. 生物炭和植物根系調(diào)節(jié)PAH脅迫土壤的微生物代謝

土壤代謝組學(xué)分析可以為生物炭和植物根系調(diào)節(jié)的PAH脅迫土壤中微生物群落和功能的變化提供證據(jù),。作者研究了對處理敏感并在不同處理之間有顯著變化的差異代謝物,。總共有19種差異代謝物對生物炭和/或根際有響應(yīng)（VIP> 1和p <0.05,；圖3b）,。PAH脅迫可顯著降低某些代謝物的RA值，例如9-芴酮,，安息香和對茴香酸,，而通過生物炭和根際的共同作用可提高RA值（圖3b）。此外,，由于生物炭和根際的作用,，2-酮丁酸和單硬脂酸甘油酯的RA值降低（圖3b）。這可能歸因于微生物對PAH脅迫的抵抗過程中氨基酸和脂質(zhì)代謝的改善（圖3a）,。

土壤代謝物池的多樣性在反映土壤功能和質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用,。作者觀察到在生物炭和根際效應(yīng)下土壤代謝物多樣性降低，與土壤pH呈顯著正相關(guān),，與CEC,，DOC和NO3-的含量以及細菌的多樣性和豐富度呈負相關(guān)（表S3）。對土壤理化性質(zhì)的SWMR分析表明,，土壤pH和NO3-含量是調(diào)節(jié)代謝物多樣性的兩個最重要因素（R2 = 0.723,，p <0.01）（表S5），這與土壤pH和NO3-含量是影響土壤有機碳組成的最重要參數(shù)的發(fā)現(xiàn)是一致的,。土壤代謝物是微生物的重要碳源,。SWMR分析表明，代謝物多樣性與細菌多樣性呈顯著負相關(guān)（R2 = 0.378,，p <0.05）（表S4）,。這表明高度多樣化和豐富的細菌群落可以迅速消耗土壤碳源，減少中間產(chǎn)物的積累并降低土壤代謝物池的多樣性,。因此,，土壤性質(zhì)和細菌群落都可以調(diào)節(jié)土壤代謝池，反之亦然,。

生物炭和植物根系對碳代謝的調(diào)節(jié)導(dǎo)致土壤代謝物的變化,。土壤微生物組可以調(diào)整其代謝過程以應(yīng)對環(huán)境脅迫,，通過對這些差異代謝物的途徑分析揭示了響應(yīng)于生物炭和根際的代謝途徑的改變（圖3c）。淀粉和蔗糖的代謝以及各種氨基酸的代謝都受到了顯著影響（圖3c）,。與對照相比,，生物炭和植物根系的共同施用降低了淀粉和蔗糖代謝最重要的代謝產(chǎn)物之一葡萄糖-1-磷酸的含量（圖3b），這可能歸因于微生物代謝活性的顯著上調(diào)（圖1）和能量消耗的增加（圖3a）,。此外,，氨基酸代謝的調(diào)節(jié)顯示了氮素利用的微生物策略，這與脲酶活性的顯著提高是一致的（圖1）,。與對照相比,，結(jié)合施用生物炭和植物根系作用，土壤中N-氨甲酰谷氨酸的含量較低（圖3b）,，這可能歸因于纈氨酸,，亮氨酸和異亮氨酸的生物合成受到影響（圖3b）。生物炭和根際對蔗糖和淀粉以及某些氨基酸的微生物代謝的影響可能是有利于土壤微生物抵抗PAH脅迫的機制,，這也將通過調(diào)節(jié)土壤微生物代謝為指導(dǎo)生物刺激策略提供一定參考依據(jù),。

5. 生物炭和植物根系調(diào)節(jié)PAH脅迫土壤中土壤性質(zhì)，細菌群落和代謝物之間的相互作用

生物炭和根際極大地改變了土壤性質(zhì)（表S1）,。通過它們的調(diào)節(jié),，土壤養(yǎng)分，DOC和SOM的含量顯著影響土壤細菌群落（圖S5a）和代謝物池（圖S5b）,。土壤性質(zhì)的變化,，包括養(yǎng)分有效性和SOM，可能會影響土壤微生物組對土壤代謝物的產(chǎn)生和消耗,。土壤性質(zhì),，細菌群落和代謝物之間的相互作用位于土壤碳循環(huán)的樞紐位置。由于細菌對生物炭,，根際及其組合效應(yīng)的響應(yīng)不同（圖2）,，因此作者認為土壤性質(zhì)，細菌成員和代謝物之間的相互作用也隨處理而變化,。它們之間的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)顯示出各種相互作用（圖4）,。

生物炭顯著增加了NO3-的含量，降低了總氮（TN）,，SOM,，AK和氨氮（NH4+）的含量（表S1），這些氮主要與代謝物如安息香,，9-芴酮和葡萄糖-1p共同存在,，并與細菌成員如擬桿菌門，嗜熱油菌綱，Saccharimonadia,，擬桿菌綱,，Saccharimonadales，根瘤菌目和Ramillabaceter強烈共生（圖4a）,。擬桿菌門包含許多參與硝化作用的成員,，導(dǎo)致NO3-含量增加,。另外,，Saccharimonadia，擬桿菌綱,，Saccharimonadales和根瘤菌目可能對PAH脅迫具有抗性,。在生物炭改良的土壤中，它們的富集與PAH降解產(chǎn)物（如安息香和9-芴酮）呈正相關(guān),，這也表明細菌在降解和解毒,。同時，重要的能量指標之一葡萄糖-1p的含量降低,，這可能歸因于微生物代謝的消耗,。

根際效應(yīng)和如變形菌門，γ變形菌綱,，擬桿菌綱,，β-變形菌綱，亞硝化單胞菌科,，嗜甲基菌科和伯克霍爾德氏菌科細菌成員的共同存在顯著增加了NO3-的含量,，并降低了土壤的pH值和TN，AK和TK的含量（表S1）（圖4b）,。鄰苯二甲酸二辛酯是一種重要的根系分泌物,，能響應(yīng)并適應(yīng)土壤環(huán)境的變化，是根際調(diào)節(jié)過程中主要的代謝物響應(yīng)劑（圖4b）,。典型的硝化細菌亞硝化單胞菌科可能是導(dǎo)致根際土壤中NO3-含量顯著增加的原因,。另外，豐富的變形菌門,，γ變形菌綱和β-變形菌綱也包括許多自養(yǎng)硝化細菌,。硝化細菌可通過提高其對銨的親和力并增強其對碳氫化合物污染物的抵抗力來加速受污染土壤中的硝化過程。

作者觀察到了響應(yīng)生物炭和根際共生效應(yīng)的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最強密度（圖4和表S6）,，表明相互作用最為復(fù)雜和緊密,。在生物炭和植物根系的共同作用下，NO3-,，AK和DOC的含量顯著增加,，而土壤pH值則顯著降低（表S1），這主導(dǎo)了與特定細菌成員和代謝物共發(fā)生的土壤性狀變化（圖4c）。具體來說,，主要細菌成員有厚壁菌門,，綠彎菌門，桿菌綱,，芽孢桿菌目,，鞘脂單胞菌目，鞘脂單胞菌科,，鞘氨醇單胞菌屬和MND1（圖4c）,。葡萄糖-1p是最重要的代謝物，表明碳水化合物在該共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的重要作用,。厚壁菌門和綠彎菌門通常作用于土壤碳水化合物的水解,，有助于PAH污染土壤的根際修復(fù)。此外,，一般認為桿菌綱和芽孢桿菌目是土壤中重要的PAH降解菌,。生物炭和植物根系的結(jié)合可以改善營養(yǎng)物質(zhì)的利用，并改善某些降解菌（如綠彎菌門和MND1）的脅迫耐受性,，有利于它們的生存,。

圖4 與對照相比響應(yīng)（a）生物炭效應(yīng)、（b）根際效應(yīng)和（c）生物炭和根際協(xié)同效應(yīng),，在土壤性質(zhì),，土壤細菌分類群和土壤代謝物之間的共現(xiàn)分析

綠點代表土壤代謝物，橙色點代表土壤性質(zhì),，藍色點代表土壤細菌成員,。SOM：土壤有機質(zhì)；TN：總氮,；TP：總磷,；TK：總鉀；AP：速效磷,；AK：速效鉀,；DOC：溶解的有機碳；CEC：陽離子交換能力,；NH4+：氨氮,；NO3-：硝態(tài)氮。

6. 環(huán)境意義

農(nóng)田土壤中新輸入的PAH及其對土壤微生物的毒性導(dǎo)致研究細菌對PAH脅迫的響應(yīng)至關(guān)重要,。隨著生物炭在農(nóng)業(yè)土壤中的廣泛應(yīng)用,，生物炭和植物根系對土壤微生物組的協(xié)同作用需要進行更深入的研究。生物炭和植物根系的結(jié)合不僅增強了微生物的代謝活性,，調(diào)節(jié)了土壤細菌的群落結(jié)構(gòu),，而且改善了PAH脅迫土壤的特異碳代謝。此外，細菌響應(yīng)者之間的合作策略將有利于它們抵抗PAH脅迫并改善被污染土壤中的養(yǎng)分利用,。不僅如此,，當將生物炭應(yīng)用于根際土壤時，還觀察到土壤細菌成員,，差異代謝物和土壤特性之間更緊密的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),，這突出表明了速效養(yǎng)分和能量資源對于細菌成員的生物降解和解毒的重要性?；谏鲜鲰憫?yīng),，值得注意的是，生物炭和植物根系的共同作用可以介導(dǎo)新鮮PAH對土壤細菌群落的脅迫,，這種調(diào)節(jié)也有助于去除PAH,。

將生物炭和植物根系結(jié)合在一起可以增加PAH脅迫土壤中的微生物活性,。此外,，生物炭和根際增加了PAH脅迫抑制的細菌成員和功能。在生物炭和植物根系的共同作用下,，碳水化合物代謝,，尤其是蔗糖和淀粉的代謝受到影響。此外,，在生物炭和植物根系的共同作用下,，共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了土壤性狀、細菌成員和土壤代謝物之間更強的相互作用,。土壤代謝物池的多樣性主要受到土壤pH和NO3-含量（兩個最重要的物理化學(xué)因素）以及土壤細菌多樣性（最重要的微生物因素）的影響,。細菌成員之間共生作用的增強有利于土壤微生物組對PAH脅迫的抵抗力，并有助于對受污染的土壤進行有效的生物修復(fù),。