载有生物炭的纳米零价铁对受镉污染土壤中细菌的多重影响：从群落结构、多样性和功能响应获得的见解

《Journal of Cleaner Production》：Multifactorial effects of biochar-loaded nano zero-valent iron on soil bacteria in remediation of Cd-contaminated soil: Insights from community structure, diversity and functional responses

nZVI@BC协同修复镉污染土壤有效增强微生物功能多样性，促进耐镉菌（如放线菌）富集，并通过调控电子传递链提升修复效率。

　　在当前的土壤污染治理领域，重金属污染已成为一个亟需解决的重要问题。镉（Cd）作为常见的重金属污染物之一，因其对人体健康的潜在危害和对生态环境的破坏性，引起了广泛关注。为了应对这一挑战，科学家们开发了多种治理技术，其中生物炭负载纳米零价铁（nZVI@BC）因其优异的重金属固定能力和环境友好性，逐渐成为研究的热点。然而，尽管nZVI@BC在物理和化学层面表现出色，其对土壤微生物群落的影响仍未得到充分理解。因此，本研究旨在系统分析nZVI@BC在不同负载量、施加剂量和修复时间条件下对镉污染土壤中微生物群落结构和功能的影响，以揭示其潜在的调控机制，为未来土壤修复技术的优化提供理论支持。

土壤微生物群落是土壤生态系统的重要组成部分，不仅参与物质循环和能量转化，还在污染物的降解过程中发挥关键作用。近年来，研究发现生物炭（BC）作为一种多孔材料，具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和较强的吸附性能，能够改善土壤的理化性质，促进微生物的分解活动和有机质转化，从而提升土壤的微生物功能和群落稳定性。同时，纳米零价铁（nZVI）因其强大的还原能力和高反应活性，能够与重金属离子发生反应，降低其迁移性和生物可利用性。然而，nZVI在实际应用中也存在一些问题，例如其容易发生团聚，导致比表面积减少，从而影响修复效果。为了解决这些问题，科学家们尝试将nZVI与生物炭结合，形成nZVI@BC复合材料，以期发挥两者的协同效应，提高修复效率和环境适应性。

本研究通过系统分析不同条件下nZVI@BC对微生物群落结构和功能的影响，揭示其对镉污染土壤修复的生态效应。首先，研究发现nZVI@BC在一定程度上增强了参与镉耐受性和代谢活动的功能微生物的相对丰度。与单独添加镉（Cd）或生物炭（BC）的对照组相比，1% nZVI@BC（1:3）的处理显著提升了土壤中某些特定微生物的丰度。例如，与Cd组相比，1% nZVI@BC组的放线菌（Actinobacteria）相对丰度增加了2.77%，而与BC组相比，该处理组的放线菌丰度也提高了1.43%。这一结果表明，nZVI@BC能够为某些微生物提供更适宜的生活环境，促进其生长和代谢活动，从而提升土壤的微生物功能。

此外，研究还发现，5% nZVI@BC（1:3），相较于1%和3% nZVI@BC处理组，在促进微生物多样性和代谢通路活性方面表现出更优的效果。这一结果表明，nZVI的负载量对微生物群落的影响具有显著性，更高的负载量可能更有利于微生物多样性的维持和代谢功能的提升。同时，研究还发现，微生物群落的多样性与土壤的理化性质密切相关。nZVI@BC的施加不仅改变了土壤的pH值和氧化还原电位，还可能通过这些理化性质的变化影响微生物的生存环境，从而导致微生物群落结构和功能的改变。

在分析微生物群落的组成时，研究发现nZVI@BC能够显著影响土壤中某些特定菌群的相对丰度。例如，与Cd组相比，5% nZVI@BC（1:3）处理组的放线菌丰度增加了5.29%，而氯丝菌（Chloroflexi）则与放线菌表现出强烈的正相关性，共同增强了电子传递链的活性。这一发现表明，nZVI@BC不仅能够通过物理吸附和化学固定降低土壤中镉的含量，还能通过促进某些微生物的生长和代谢活动，提升土壤的微生物功能。此外，研究还发现，高nZVI负载（3:1）对好氧微生物（如变形菌门Proteobacteria）具有抑制作用，但同时能够提升厌氧微生物（如酸杆菌门Acidobacteria）的相对丰度。这一结果表明，nZVI@BC对不同类型的微生物具有不同的影响，其作用机制可能与土壤的氧化还原条件密切相关。

为了更全面地了解nZVI@BC对土壤微生物群落的影响，本研究还探讨了微生物群落的关联网络和功能特征。通过分析微生物之间的相互作用，研究发现nZVI@BC能够促进某些微生物之间的协同作用，从而提升土壤的微生物功能。例如，氯丝菌与放线菌的正相关性可能意味着它们在某些代谢过程中具有协同效应，共同促进电子传递链的活性。此外，研究还发现，nZVI@BC能够显著改变土壤中某些关键代谢通路的活性，例如三羧酸循环（TCA cycle）和氨基酸生物合成。这些通路的活性提升可能意味着nZVI@BC能够促进土壤中微生物的代谢能力，从而提高其对重金属的去除效率。

本研究还发现，微生物群落的组成和功能在不同修复时间下具有显著差异。与20天的修复时间相比，40天的nZVI@BC修复时间在提升微生物多样性和功能方面表现出更优的效果。这一结果表明，修复时间对微生物群落的影响具有累积效应，随着时间的推移，微生物群体可能逐渐适应修复环境，从而提升其功能和活性。此外，研究还发现，不同剂量的nZVI@BC对微生物群落的影响具有显著性，5%的剂量在促进微生物多样性和代谢通路活性方面表现最为突出。

综上所述，本研究通过系统分析nZVI@BC在不同条件下的作用，揭示了其对镉污染土壤中微生物群落结构和功能的深远影响。研究结果表明，nZVI@BC不仅能够通过物理和化学手段降低土壤中镉的含量，还能通过促进微生物的生长和代谢活动，提升土壤的微生物功能。这些发现为未来土壤修复技术的优化提供了重要的理论支持，同时也为环境保护和生态恢复提供了新的思路和方法。