基于枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）与光滑豌豆（Vicia villosa var.）的功能性细菌剂在镉污染土壤中的双重作用：协同钝化效应与养分供应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dual Role of Functional Bacterial Agent Based on Bacillus subtilis Coupled With Smooth Vetch (Vicia villosa var.) on Cadmium-contaminated Soil: Synergistic Passivation and Nutrient Supply

镉污染农田中生物炭负载枯草芽孢杆菌耦合豌豆的协同修复机制研究。通过机械球磨优化骨炭（BC）的比表面积和孔隙结构，构建功能化细菌载体（BBC-BS），并与光滑豌豆（SV）形成耦合修复系统。结果表明：BBC-BS的磷溶解释放能力较游离BS提高26.9%，与SV协同作用使土壤可提取镉含量降低53.1%，较单一处理提高15.8%。豌豆生物量增加32.7%，果实镉含量降低47.6%，且促进土壤有机酸和腐殖酸积累，形成持续钝化Cd的微生物-有机质协同机制。

　　本研究提出了一种创新性的修复系统，结合了由骨炭（BC）和枯草芽孢杆菌（BS）制成的功能化细菌剂（BBC-BS）与紫云英（SV）植物，用于实际镉污染农田土壤的治理。这一系统的设计旨在解决传统修复方法中存在的局限性，如对土壤结构的破坏、修复效率低等问题，同时兼顾农业生产的可持续性和安全性。通过机械球磨处理，显著提升了BBC-BS的比表面积（S_BET），优化了其颗粒尺寸和晶体结构，从而有效固定了BS并提供了稳定的微环境。这种优化不仅增强了BS的磷酸溶解能力，相比单独使用BS，其能力提升了26.9%。此外，该系统在植物生长过程中展现出双重协同效应：一方面，BBC-BS促进了SV的生长；另一方面，显著抑制了SV体内镉的积累。

在实验中，经过28天的SV种植后，BBC-BS+SV处理组的土壤中可提取的镉含量比对照组降低了53.1%，这一效果超过了单独使用BBC-BS或SV的修复效率（分别为37.3%）。这表明，将BBC-BS与SV结合使用能够更有效地降低土壤中镉的生物有效性，从而减少其对作物的毒害。同时，BBC-BS的应用不仅刺激了SV生物量的积累，还通过激活功能性微生物，加速了SV残体的分解，产生了更多的低分子量有机酸（LMWOAs）和腐殖酸（HA）。这些产物进一步增强了BBC-BS表面的活性位点，促进了钙和磷的释放，从而强化了镉的钝化过程。

在实际应用中，该修复系统确保了辣椒（作为典型的旱地作物）种植过程中土壤中镉残留量符合安全标准，同时显著提高了辣椒果实的营养价值。这一成果表明，该策略不仅能够有效治理镉污染的农田土壤，还能够保障后续作物的安全生产，实现土壤修复与农业可持续发展的双重目标。随着人们对食品安全和环境健康的关注度不断提高，传统的重金属污染治理手段已难以满足现代农业的需求。因此，开发一种兼具高效性和生态友好的修复方法显得尤为重要。

镉作为一种高度有毒的重金属，其在土壤中的迁移和富集对生态环境和人类健康构成了严重威胁。镉在土壤中的分布广泛，且具有较强的累积能力，容易通过植物根系进入食物链，最终影响人体健康。特别是在中国西南地区，由于其独特的气候条件和土壤母质，红壤成为主要的农业土壤类型。然而，红壤通常具有较高的酸度、较低的有机质含量和较重的质地，这些特性容易导致镉在土壤中的活性增强，进而限制农业生产力并引发食品安全问题。因此，针对镉污染土壤的修复技术亟需突破，以实现环境治理与农业生产之间的平衡。

传统的土壤修复方法主要包括物理、化学和生物三种类型。物理方法如土壤淋洗和电动力修复，虽然在短期内能有效去除重金属，但往往成本高昂且可能破坏土壤结构。化学方法如使用石灰、磷酸盐等改良剂，虽然能够通过化学反应降低镉的生物有效性，但其长期效果有限，且可能引入新的环境问题。生物方法，尤其是利用微生物进行重金属修复，因其对环境的友好性和较高的修复效率，近年来受到广泛关注。然而，自由生长的微生物在复杂多变的土壤环境中容易受到生物和非生物胁迫的影响，导致其活性下降，修复效果不稳定。

因此，本研究提出了一种结合微生物固定技术和植物修复的耦合系统。通过将BS固定在经过机械球磨处理的骨炭上，形成BBC-BS，不仅提升了BS的稳定性，还增强了其对土壤中镉的钝化能力。同时，SV作为一种常用的绿肥植物，其根系分泌物和残体分解过程中产生的有机酸和腐殖酸，能够进一步促进镉的固定，提高土壤的重金属耐受性。这种耦合系统通过微生物与植物的协同作用，实现了对镉污染土壤的高效修复，同时保障了作物的安全生产。

在实验设计中，研究团队首先对骨炭进行了机械球磨处理，以改善其物理和化学性质。球磨过程通过机械力的作用，使骨炭的比表面积显著增加，孔隙结构更加复杂，表面富含含氧官能团，从而为BS提供了丰富的营养物质和适宜的生长环境。经过处理后的骨炭能够有效固定BS，使其在土壤中长期存活并发挥修复功能。此外，BS在骨炭上的固定还能够促进其分泌更多的胞外酶，从而提高磷酸溶解能力，增强其对镉的钝化作用。

在实际应用中，研究团队将BBC-BS与SV结合，构建了一个完整的修复系统。SV在生长过程中能够吸收和固定土壤中的镉，同时其根系分泌物和残体分解产生的有机酸和腐殖酸，进一步促进了镉的固定。而BBC-BS则通过其固载的BS，持续释放磷和钙，为SV的生长提供必要的养分，同时促进土壤中镉的钝化。这种协同作用不仅提高了镉的去除效率，还改善了土壤的理化性质，如pH值、有机质含量和阳离子交换容量等，从而增强了土壤的整体肥力和生态功能。

实验结果表明，BBC-BS+SV系统的修复效果显著优于单独使用BBC-BS或SV。在28天的种植周期内，该系统能够将土壤中可提取的镉含量降低53.1%，而单独使用BBC-BS或SV的降低幅度分别为37.3%。这说明，微生物与植物的协同作用在重金属污染土壤修复中具有重要作用。此外，该系统还能够显著提高辣椒的产量和品质，使其符合食品安全标准，为镉污染农田的可持续利用提供了可行的解决方案。

在对土壤理化性质和微生物群落结构的分析中，研究团队发现BBC-BS+SV系统能够有效改善土壤的结构和肥力。例如，土壤的pH值在修复过程中得到了显著提升，这有助于降低镉的溶解度，减少其在土壤中的迁移能力。同时，土壤的有机质含量也有所增加，这不仅有助于提高土壤的持水能力和养分供给能力，还能促进微生物的生长和代谢活动，进一步增强土壤的修复能力。此外，该系统还能够改变土壤微生物群落的组成和结构，促进有益微生物的繁殖，抑制有害微生物的生长，从而维持土壤生态系统的平衡。

研究团队还通过多种分析手段，揭示了BBC-BS与SV协同修复镉污染土壤的机制。首先，机械球磨处理的骨炭能够为BS提供稳定的生长环境，使其在土壤中长期存活并分泌更多的胞外酶，从而增强其对镉的钝化能力。其次，SV在生长过程中能够吸收和固定镉，同时其根系分泌物和残体分解产生的有机酸和腐殖酸，能够与镉形成稳定的络合物，进一步降低其生物有效性。此外，这些有机酸和腐殖酸还能促进骨炭中钙和磷的释放，为BS的生长提供必要的营养物质，从而形成一个正向的修复循环。

从实际应用的角度来看，这一修复系统具有较高的可行性。首先，骨炭作为一种常见的农业废弃物，其来源广泛，成本较低，易于大规模推广。其次，BS作为功能菌株，其在土壤中的存活能力和修复效率较高，能够有效降低镉的生物有效性。而SV作为一种常见的绿肥植物，其生长周期短，易于种植和管理，能够为土壤提供丰富的有机质和养分，促进土壤的自我修复能力。因此，将这三种元素结合在一起，不仅能够实现对镉污染土壤的高效修复，还能提高土壤的肥力和生态功能，为农业可持续发展提供支持。

此外，该研究还强调了生态修复与农业生产之间的协同关系。传统的土壤修复方法往往以降低重金属含量为目标，而忽视了土壤肥力的恢复和作物产量的提升。相比之下，BBC-BS+SV系统不仅能够有效降低土壤中的镉含量，还能通过改善土壤的理化性质，提高其对作物的养分供给能力，从而实现土壤修复与农业生产的同时推进。这种综合性的修复策略，能够更好地满足现代农业对高产、优质和安全农产品的需求，推动农业生态系统的可持续发展。

在实际推广过程中，研究团队还考虑了系统的环境友好性和经济可行性。BBC-BS+SV系统在使用过程中对土壤结构的破坏较小，能够保持土壤的原有特性，避免因修复过程导致土壤肥力下降或生态环境恶化。同时，该系统能够利用植物和微生物的自然代谢过程进行修复，减少了化学试剂的使用，降低了对环境的二次污染风险。此外，该系统的成本相对较低，适合在大规模农田中推广应用，具有较高的社会和经济价值。

综上所述，本研究提出了一种结合微生物固定技术和植物修复的耦合系统，为镉污染农田的治理提供了新的思路和方法。通过机械球磨处理骨炭，形成BBC-BS，不仅提高了BS的稳定性，还增强了其对镉的钝化能力。同时，SV的引入能够进一步促进镉的固定，改善土壤的理化性质，提高作物的产量和品质。这种协同修复策略在实际应用中表现出较高的效率和可行性，为镉污染土壤的治理和农业生产的可持续发展提供了有力支持。未来，研究团队将进一步优化该系统，探索其在不同土壤类型和污染程度下的适用性，推动其在更大范围内的应用。