Integrated microbial strategies for sustainable phytoremediation of multi-metal contaminated soils

Abstract

The presence of heavy metals in soils jeopardizes food safety, degrades soil fertility, and undermines the overall health of ecosystems worldwide. Conventional physicochemical remediation technologies currently used to address this problem are costly and often cause secondary pollution. By comparison, phytoremediation—relying on plants to remove or immobilize pollutants—offers an environmentally sustainable option, yet its effectiveness is often constrained in soils that are nutrient-poor or contaminated with high levels of heavy metals. To address these constraints, microbe-assisted phytoremediation that employs plant growth–promoting bacteria (PGPB) has gained attention as a sustainable solution. These bacteria enhance plant development and mitigate metal-induced stress through various mechanisms, including metal resistance, nutrient solubilization and the synthesis of phytohormones. However, comprehensive studies integrating microbial diversity and functional interactions in contaminated environments remain scarce. The objective of this study was to identify and characterize multifunctional microbial strains that exhibit both heavy metal tolerance and plant growth–promoting traits, using soil samples collected from a range of ecosystems such as abandoned mines, forests, mud flats, paddy fields, and wetlands. Based on metagenomic and Tax4Fun2 functional gene prediction analyses, microbial groups associated with metal tolerance, growth promotion and pathogen suppression were identified in each soil type. Several strains exhibiting Cd and Zn tolerance, as well as antioxidant and anti-phytopathogenic activities, were isolated and proposed as promising candidates for sustainable bioremediation. Three representative strains—Acinetobacter sp. ME1, Kosakonia sp. W18 and Burkholderia sp. ZF6—demonstrated distinct functional characteristics. Acinetobacter sp. ME1 produced melanin with antioxidant and metal-chelating properties, enhancing plant resistance and metal removal efficiency in hydroponic systems. Kosakonia sp. W18 secreted exopolysaccharides that decreased metal bioavailability in Pb- and Cr-contaminated soils, improving soil structure and enzyme activity. Burkholderia sp. ZF6 possessed both cadA and zntA genes, conferring Cd and Zn tolerance and exhibited high nitrogen-fixing and phosphate-solubilizing abilities that enhanced the growth and metal removal efficiency of Brassica juncea. Subsequently, the most promising strain, Burkholderia sp. ZF6, was inoculated into Chinese cabbage (Brassica rapa subsp. pekinensis) under Cd and Zn stress to perform multi-omics analyses. ZF6 inoculation significantly increased plant biomass, chlorophyll content and metal uptake, while restructuring rhizosphere microbial communities. Functional gene analysis revealed an increased abundance of metal tolerance and transport-related genes such as cadA and zntA, indicating enhanced functional resilience of the microbial community. These results indicate that interactions between microorganisms and plants are vital for enhancing the effectiveness of phytoremediation in soils contaminated with heavy metals. Furthermore, the synergistic effects of co-inoculating ME1, W18 and ZF6 were evaluated using tall fescue (Festuca arundinacea) grown in multi-metal-contaminated soils. Compared with single inoculation, co-inoculation significantly enhanced plant biomass and root development, as well as increased soil enzyme activities (dehydrogenase, phosphatase and protease) and functional gene expression, thereby improving soil ecological health and remediation efficiency. These results demonstrate that the complementary traits of the three strains synergistically enhance plant physiology and rhizospheric ecosystem functioning. In conclusion, this study presents an integrated phytoremediation framework combining microbiological, physiological and multi-omics analyses. The isolated multifunctional microbes not only improved plant growth and metal removal in heavy metal-contaminated soils but also restructured microbial networks and functional gene interactions within the rhizosphere. This research deepens the understanding of microbial ecological mechanisms in contaminated soils and provides a theoretical foundation for developing next-generation biofertilizers and sustainable soil restoration technologies that promote environmentally sound agriculture.;토양 내 중금속 오염은 식량 안전, 토양 비옥도 및 생태계 건강을 위협하는 전 지구적 환경 문제로, 이를 극복하기 위해 적용되고 있는 기존의 물리·화학적 정화 기술은 고비용과 2차 오염 문제를 동반한다. 이에 반해 식물을 이용한 식물복원(phytoremediation)은 친환경적 접근이지만, 중금속 및 영양 결핍 토양에서는 효율이 제한된다는 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 식물 생장 촉진 세균(PGPB)을 결합한 미생물-보조 phytoremediation이 지속 가능한 대안으로 주목받고 있다. PGPB는 중금속 내성, 영양물질 가용화 및 식물 호르몬 생산 등의 기능을 통해 식물 생장을 촉진함과 동시에 금속 독성을 완화한다. 그러나 오염 환경에서 미생물 다양성과 기능적 상호작용을 통합적으로 규명한 연구는 아직 부족하다. 본 연구는 폐광, 산림, 갯벌, 논 및 습지 등 다양한 토양 생태계에서 중금속 내성과 식물 생장 촉진 활성을 동시에 지닌 다기능성 미생물 자원을 분리·특성화하는 것을 목표로 하였다. 메타유전체 및 Tax4Fun2 기반의 기능 유전자 예측 분석을 통해 각 토양에서 금속 내성, 생장 촉진, 병원균 억제 관련 미생물군이 확인되었다. 이 중 Cd 및 Zn 내성과 항산화·항식물병원균 활성을 지닌 여러 균주를 분리·선별하여 지속 가능한 생물학적 복원 후보로 제시하였다. 대표 균주인 Acinetobacter sp. ME1, Kosakonia sp. W18 및 Burkholderia sp. ZF6은 각각 특화된 기능을 나타냈다. ME1은 항산화 및 금속 킬레이션 기능을 지닌 멜라닌을 생성하여 수경재배 시스템에서 식물의 내성을 향상시키며 금속 제거에 기여했고, W18은 EPS를 분비하여 Pb 및 Cr 오염토양에서 금속 가용도를 감소시키고 토양 구조와 효소활성을 개선하였다. 또한 ZF6은 cadA 및 zntA 유전자를 동시에 보유하여 Cd 및 Zn 내성과 높은 질소고정 및 인산 가용화 능력을 통해 Brassica juncea의 생장 및 금속 제거 효율을 높였다. 이후 가장 금속 내성 및 식물 생장 촉진 성능이 우수했던 Burkholderia sp. ZF6을 대상으로 chinese cabbage (Brassica rapa subsp. pekinensis)에 접종하여 Cd 및 Zn 스트레스 하에서 다중 오믹스 기반 분석을 수행하였다. 그 결과, ZF6 접종은 Chinese cabbage의 생체량, 엽록소 함량 및 금속 흡수를 유의하게 증가시켰으며, 근권 미생물 군집을 재구성하였다. 기능 유전자 분석에서는 cadA 및 zntA 등 금속 내성 및 수송 관련 유전자의 풍부도가 증가하여 ZF6 접종을 통한 미생물계의 기능적 복원력이 강화됨을 확인하였다. 이는 미생물–식물 상호작용이 중금속 오염 환경에서 phytoremediation 효율을 높이는 핵심적 역할을 함을 시사한다. 또한 앞서 발굴한 ME1, W18 및 ZF6의 복합 접종을 통해 중금속 오염 토양에서 tall fescue (Festuca arundinacea)의 생장과 금속 안정화 효과를 평가하였다. 그 결과, 단일 접종보다 복합 접종 시 tall fescue의 생체량과 뿌리 발달이 향상되었으며, 토양 효소활성(탈수소효소, 인산분해효소 및 단백질분해효소)과 기능 유전자 발현 또한 증대되어 토양 생태 건강성과 복원 효율이 개선되었다. 이는 세 균주의 상호보완적 특성이 식물 생리 및 근권 생태를 시너지적으로 향상시킴을 보여준다. 종합적으로 본 연구는 미생물학적·생리학적·다중 오믹스 분석을 통합한 phytoremediation 프레임워크를 제시하였다. 분리된 다기능성 미생물들은 중금속 오염 토양 내에서 식물 생장 및 금속 제거 능력을 향상시킬 뿐만 아니라, 근권 내 미생물 네트워크와 기능 유전자 간 상호작용을 재구성하였다. 본 연구는 중금속 오염 토양에서의 미생물 생태학적 메커니즘에 대한 이해를 심화하고, 지속 가능한 농업 향상을 위한 차세대 생물비료 및 중금속 오염 토양 복원 기술 개발의 이론적 기반을 제공한다.