接种了细菌的生物炭通过微生物重构和pH值调节作用，增强了铜的固定能力和碳的封存效果

《Eco-Environment & Health》：Bacteria-inoculated biochar boosts copper immobilization and carbon sequestration via microbial restructuring and pH regulation

本研究通过DGT、FT-ICR MS和16S rRNA测序，评估了生物炭及其复合物对酸性果园土壤中铜稳定化和碳动态的影响。结果表明，BO（生物炭+贝壳粉）和BN（接种细菌的生物炭）显著降低铜生物可利用性（60%-73%），提高土壤pH（1.03-2.54单位），并改变DOM组成和微生物群落结构，促进碳高效利用与封存。

　　### 土壤修复与碳循环的协同机制研究：基于生物炭及其复合物的土壤铜稳定化与碳动态分析

土壤是生态系统的重要组成部分，其健康状况直接影响农业生产力、生态平衡以及全球气候变化。然而，随着现代农业的发展，土壤污染问题日益突出，尤其是重金属污染和酸化现象，对土壤微生物群落、有机质稳定性以及植物生长造成了深远影响。在这些挑战中，铜（Cu）污染尤为值得关注，因为其不仅影响土壤的生物活性，还可能通过食物链对人类健康构成威胁。因此，探索有效的土壤修复策略，尤其是能够同时改善土壤碳循环和重金属稳定性的方法，对于实现可持续农业和生态修复具有重要意义。

生物炭作为一种低成本、高碳含量的土壤改良剂，近年来因其在重金属固定和土壤碳固存方面的潜力而受到广泛关注。生物炭通过其多孔结构、高比表面积和丰富的官能团，能够吸附和固定土壤中的重金属离子，同时提升土壤pH值，促进有机质的积累。然而，尽管生物炭在重金属污染治理中表现出色，其对土壤微生物群落的影响以及与土壤碳循环之间的协同机制仍缺乏深入理解。为此，本研究结合多种先进的分析技术，包括扩散梯度薄膜技术（DGT）、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）和高通量测序，系统评估了不同生物炭基改良剂（包括普通生物炭、微生物接种生物炭以及生物炭与牡蛎壳粉的复合物）对酸性果园土壤中铜稳定化和碳动态的影响。研究结果揭示了生物炭及其复合物在改善土壤质量、增强碳固存能力以及减少重金属生物可利用性方面的双重作用，为未来农业土壤修复和碳管理提供了新的视角。

#### 土壤性质与微生物群落的调控作用

土壤性质，如pH值、有机质含量（SOM）、电荷交换容量（CEC）等，是影响重金属生物可利用性和土壤碳循环的关键因素。本研究中，所有改良剂均显著提升了土壤pH值（提升1.03–2.54个单位）和有机质含量，而生物可利用铜（DGT-Cu）则降低了60%–73%。其中，牡蛎壳粉和生物炭复合物（BO）对pH值的提升最为显著，分别比对照组（CK）提升了55%和47%。这表明，牡蛎壳粉的碱性特性在中和土壤酸性方面发挥了重要作用，而生物炭则通过增加有机质含量，为土壤提供了更丰富的碳源。

值得注意的是，虽然所有改良剂都对土壤pH值和有机质含量产生了积极影响，但它们对土壤微生物代谢商（qCO?）的影响则有所不同。在所有处理中，只有微生物接种生物炭（BN）显著降低了qCO?，表明其在提升微生物碳利用效率方面具有独特优势。这可能是由于BN处理不仅提升了土壤pH，还通过引入特定的微生物群落，优化了土壤中的碳循环过程。微生物群落的改变，尤其是Bacillus属的显著富集（提高了7倍），在土壤中可能促进了生物合成而非分解过程，从而对铜的固定和碳固存产生协同效应。

土壤微生物群落的结构和功能对于重金属污染的修复和碳循环的调控具有决定性作用。本研究发现，不同改良剂对微生物群落的影响各异。牡蛎壳粉和生物炭复合物（BO）在提升土壤pH的同时，对微生物群落的多样性产生了显著影响，而普通生物炭（B）和微生物接种生物炭（BN）则在微生物群落的组成和功能上表现出更强的调控能力。特别是BN处理显著增加了Bacillus属的相对丰度，这可能与该属微生物在重金属固定和土壤碳固存中的作用密切相关。Bacillus属微生物能够通过生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）等机制，将重金属与矿物结合，从而降低其生物可利用性。此外，这些微生物还可能促进有机质的分解和转化，提高土壤中可溶性有机碳（DOC）的含量，进而增强土壤的碳固存能力。

#### 土壤溶解性有机质（DOM）的分子组成与碳动态

溶解性有机质（DOM）是土壤碳循环的重要组成部分，其分子组成和化学特性直接影响微生物活性和土壤碳固存能力。本研究通过FT-ICR MS技术，对DOM的分子组成进行了详细分析，发现不同改良剂对DOM的分子特征产生了显著影响。例如，牡蛎壳粉（OS）和生物炭复合物（BO）显著增加了DOM中芳香族化合物的相对丰度，而微生物接种生物炭（BN）则通过促进微生物活性，增强了DOM中易分解组分（如蛋白质和脂质）的相对含量。

DOM的分子多样性及其与微生物群落之间的相互作用是理解土壤碳循环和重金属稳定性的关键。本研究发现，DOM的芳香指数（SUVA???）和腐殖质指数（HIX）在所有处理中均有所提高，表明DOM的结构趋于更稳定。同时，DOM的分子组成变化与微生物群落的演替存在显著相关性。例如，Bacillus属微生物的富集与芳香族化合物的减少以及易分解组分的增加密切相关，表明这些微生物可能通过代谢活动，促进了DOM的转化和碳固存过程。此外，DOM的分子组成还与土壤pH值和CEC密切相关，进一步说明土壤化学性质在调控DOM动态中的主导作用。

#### 土壤重金属生物可利用性的控制因素

土壤中重金属的生物可利用性主要受土壤化学性质的调控，如pH值、有机质含量和电荷交换容量（CEC）。本研究通过统计分析发现，DGT-Cu与pH值、DOC和SUVA???呈显著负相关，而与CEC呈正相关。这表明，提高土壤pH值和有机质含量是降低铜生物可利用性的主要手段，而高CEC则可能通过吸附作用增强铜的固定能力。相比之下，微生物变量对DGT-Cu的影响相对较小，仅能解释约17%的变异，这说明短期内的重金属稳定化主要依赖于土壤化学性质，而非微生物活动。

然而，微生物群落的结构和功能在长期土壤修复中可能发挥更重要的作用。本研究发现，微生物接种生物炭（BN）通过改变微生物群落组成，显著降低了qCO?，这表明其在提高土壤碳利用效率方面具有独特优势。此外，BN处理还通过促进微生物代谢，增强了DOM的分解和转化，从而提升了土壤的碳固存能力。这些结果表明，微生物群落的调控是实现重金属稳定化和碳固存协同效应的重要途径。

#### 结论与未来展望

本研究揭示了生物炭及其复合物在改善酸性果园土壤质量、降低铜生物可利用性以及促进碳固存方面的双重作用。通过结合DGT、FT-ICR MS和高通量测序技术，研究团队不仅评估了不同改良剂对土壤化学性质和微生物群落的影响，还深入探讨了它们对DOM分子组成和碳动态的调控机制。这些发现表明，土壤pH值和微生物群落结构的变化是铜稳定化和碳固存的共同驱动因素，未来可以通过调控土壤pH值和引入特定的微生物群落，实现对重金属污染和碳循环的协同治理。

此外，本研究还强调了微生物在土壤修复中的重要作用。通过引入耐重金属微生物（如Bacillus属），不仅可以增强土壤中重金属的固定能力，还能提升微生物的代谢效率和土壤碳固存能力。这些微生物可能通过多种机制，如生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）和促进DOM的分解与转化，为土壤修复提供了新的思路。然而，微生物与DOM之间的相互作用仍需进一步研究，特别是通过时间分辨采样、13C标记DOM底物以及多组学方法（如宏基因组学和宏转录组学），以揭示其在土壤修复和碳循环中的具体作用路径。

总之，本研究为农业土壤的重金属污染治理和碳固存提供了重要的科学依据和技术支持。未来的研究应进一步探索生物炭与微生物之间的协同机制，以及不同改良剂在不同土壤类型和环境条件下的适用性。通过整合多种分析技术，科学家们可以更全面地理解土壤修复过程中的复杂相互作用，从而为实现可持续农业和生态恢复提供更加精准的策略。