JHM专栏｜南昌航空大学刘婷团队：负载Bacillus aryabhattai的生物炭修复砷镉共污染土壤中空心菜的抗逆生长

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第一作者：黄雨田

通讯作者：刘婷

通讯单位：南昌航空大学环境与化学工程学院

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2024.133966

图片摘要

成果简介

近日，南昌航空大学刘婷团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为 “Exceptional anti-toxic growth of water spinach in arsenic and cadmium co-contaminated soil remediated using biochar loaded with Bacillus aryabhattai”的研究论文(DOI: 10.1016/j.jhazmat.2024.133966)。本研究将生物炭与微生物修复技术相结合，将具有最佳砷（As）和镉（Cd）吸附能力的Bacillus aryabhattai（B10）固定在生物炭（BC）上用于砷镉共污染农田的同步修复，并从根际土壤理化性质、土壤酶活性和微生物生态学角度分析了其作用机制。这项研究为修复砷镉共污染土壤和确保作物安全生产提供了一种有效策略。

全文速览

本研究通过物理吸附（BBC）和海藻酸钠包埋（EBC），开发出了负载有Bacillus aryabhattai（B10）的一体化生物炭，用于同时稳定土壤中有毒的As和Cd。菌载生物炭显著降低了共污染土壤中的可交换As和Cd组分，提高了残留组分。重金属生物有效性分析表明，CaCl2-As 浓度最大下降了63.51%，CaCl2-Cd下降了50.96%。复合材料用量为3%时，根际土壤的有机质、阳离子交换能力和酶活性都有所提高。盆栽空心菜的地上部分可食用，最终的As和Cd含量达到食品安全标准（分别为0.347和0.075mg⋅kg-1）。复合材料对根际微生物群落有显著影响，利于有益菌的生长并减少植物病原真菌。此外，它还增加了具有抗重金属基因的功能微生物，限制了金属在植物体内的迁移，有利于植物的生长。这项研究展示了一种可同时固定土壤As和Cd并抑制蔬菜中重金属积累的有效策略。

引言

我国正面临着严重的土壤重金属污染问题，其中As和Cd是最常见的污染物。这些重金属对植物有毒性，导致作物生长缓慢、产量降低、品质下降，还通过食物链对人类健康构成重大风险，解决这一关键问题已成为农业安全生产的当务之急。生物炭和微生物修复技术的联合应用可能是修复As和Cd污染土壤的有效途径，通过优势互补，生物炭可以稳定土壤中的污染物，而微生物能加速重金属的转化过程。二者共同作用下可能实现更全面、高效的土壤修复，为农业生产和环境保护提供重要支持。

图文导读

图1：土壤培养14周后，BC、B10、BBC和EBC对土壤中As组分（a）和Cd组分（b）的百分比分布以及CaCl2-As（c）和CaCl2-Cd（d）浓度的影响。

本研究通过14周土壤培养实验，评估了不同添加量的菌载生物炭对重金属污染土壤的影响（图1）。使用BCR顺序提取法和CaCl2提取法发现，菌载生物炭显著降低了土壤中可交换态As和Cd，增加了残渣态组分。特别是3%的添加剂量，使得CaCl2提取的As和Cd浓度分别下降了63.51%和50.96%。因此，选用3%材料添加剂进行后续的空心菜盆栽实验。

图2：添加BC、B10、BBC和EBC对空心菜地上部分和地下部分长度（a）、可食用组织生物量（b）和鲜重中重金属积累（c）的影响。

图3：添加BC、B10、BBC和EBC对空心菜可溶性糖（a）、纤维素（b）、维生素C（c）和蛋白质（d）含量的影响。

盆栽实验表明（图2），菌载生物炭不仅增加了空心菜的生物量，还显著降低了其可食用部分的重金属含量，低于食品安全标准GB2762-2017限量（新鲜叶菜中As和Cd的限量分别为0.5和0.2 mg·kg-1）。对照组的各项营养指标最低，菌载生物炭处理较单独的B10或BC处理显著的提高了营养指标含量（图3）。

图4：添加 BC、B10、BBC和EBC对空心菜根际土壤中细菌（a）和真菌群落（b）相对丰度在门水平的影响，细菌群落组成（c）和真菌群落组成（d）在属水平的聚类热图。(蓝色文字代表对生态有益的微生物。红色文字代表病原真菌）。

细菌和真菌对土壤改良剂的反应显示了它们对环境的敏感性。菌载生物炭通过增加根际土壤生态有益微生物Bacillus、Lysobacter和Trichoderma的丰度，降低病原真菌Fusarium和Botryotrichum的丰度，对植物生长产生积极影响（图4）。

图5：添加BC、B10、BBC和BC对空心菜根际土壤中抗As基因（a）和抗Cd基因类群（b）丰度的影响。不同处理下空心菜根际土壤中微生物类群的相对丰度与抗As/Cd基因（c）相关，两个变量之间存在显著的Spearman相关性。显著差异以 *（P < 0.05）和 **（P < 0.01）表示。

图6：空心菜的生物量、重金属积累、土壤化学性质、土壤酶活性、土壤可交换重金属和抗性基因的 PCA (a)和PCC (b)分析。尿素酶活性；CAT：过氧化氢酶活性；DHA：脱氢酶活性。EXC-As：土壤可交换As；EXC-Cd：土壤可交换Cd。

探讨了重金属胁迫对微生物群落中抗性基因的影响，揭示了环境压力下微生物的适应机制和进化过程（图5, 6）。抗性基因如arsC、aioA、cadA和czcA的丰度随菌载生物炭处理增加，表明微生物群落结构改变可能与重金属抗性基因丰度提升有关。Spearman相关性分析进一步证实了这些抗性基因与优势细菌属之间的正相关关系。通过主成分分析(PCA)和Pearson相关系数(PCC)分析，发现菌载生物炭添加量与植物生长指标、土壤酶活性、土壤化学性质和重金属抗性基因之间存在显著关联。总之，菌载生物炭能有效修复重金属污染土壤，促进植物生长，并通过调节根际微生态特征增强植物对重金属的抗性和耐受性。

小结

负载细菌的生物炭能有效地将土壤中的可交换As和Cd组分转化为残留组分，从而降低它们在土壤中的生物有效性，并使空心菜可食用部分达到食品安全标准。此外，施用菌载生物炭还能通过改善土壤性质和调节微生物群落结构来促进植物生长，使得空心菜的生物量和营养指标含量水平显著提高。总之，与单独使用生物炭或细菌处理相比，联合使用抗重金属细菌和生物炭在重金属修复、提高土壤质量和促进蔬菜生长方面表现出色，显示出协同效应。本研究展示了菌载生物炭作为一种农田重金属污染修复材料，其在确保农作物安全生产和实现可持续发展方面的巨大潜力。

作者简介

第一作者：黄雨田，南昌航空大学环境与化学工程学院2021级硕士研究生，主要研究方向为农田土壤重金属修复，以第一作者在Journal of Hazardous Materials发表论文1篇。

通讯作者：刘婷，南昌航空大学环境与化学工程学院副教授、硕士生导师。主要研究领域为污染生态修复与温室气体减排。近年来主持国家自然科学基金和中国博士后科学基金，参与国家重点研发计划等国家及省部级项目9项。在Global Change Biology、Soil Biology and Biochemistry、Journal of Hazardous Materials等期刊发表SCI论文20余篇。

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