生物炭对轮胎磨损影响下根际土壤中6PPD、6PPD-Q和锑的迁移性及生物利用度的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Effects of biochar on the mobility and bioavailability of 6PPD, 6PPD-Q, and antimony in tire wear-impacted rhizosphere soil

轮胎磨损颗粒（TWP）污染导致土壤健康、微生物多样性及水稻生长受损，生物炭（BC）改良剂通过吸附污染物、稳定砷形态及调节氧化应激显著改善这些问题。

　　
轮胎磨损颗粒（TWP）对土壤生态系统的影响及生物炭修复机制研究

轮胎磨损颗粒（TWP）作为新兴的环境污染物，其释放的化学添加剂对土壤健康构成严峻挑战。本研究系统考察了TWP污染对土壤理化性质、微生物群落结构及水稻生长的影响机制，并重点评估了生物炭（BC）的修复效能。研究团队通过建立土壤-根系-植物协同作用模型，结合多维度检测技术，揭示了TWP污染物在土壤环境中的迁移转化规律及生物炭的调控作用。

一、TWP污染特征与生态风险
研究显示，TWP在土壤中的降解呈现显著的时间梯度特征。在初期（2天）污染阶段，Sb(III)占比高达78.6%，其高溶解度和迁移性对根系造成直接毒性。随着老化进程（40天观测周期），6PPD逐渐转化为毒性更强的6PPD-Q（浓度峰值达0.2258 μg/g），形成复合污染体系。污染物通过改变土壤氧化还原电位（Eh值下降32%）、有机质分解速率（DOM含量降低41%）等理化参数，显著影响污染物形态分布。

二、微生物群落响应机制
16S rRNA测序结果表明，TWP污染导致土壤微生物多样性指数（Shannon指数）下降57.3%，优势菌群从腐殖酸菌（Chloroflexi，占比23.5%）向变形菌门（Proteobacteria，占比68.2%）和芽孢杆菌门（Firmicutes，占比12.8%）转变。这种菌群结构重塑伴随着关键功能微生物（如硝化细菌、反硝化细菌）丰度下降达2.3个数量级。值得注意的是，生物炭处理使Chloroflexi相对丰度回升至15.8%，同时促进放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Bacteroidetes）的协同增殖。

三、重金属形态转化调控
X射线荧光光谱（XRF）与同步辐射XANES技术结合显示，Sb(III)占比随污染时间呈指数增长（r=0.92，p<0.001），2天时即占总量82.4%。生物炭处理使Sb(III)向Sb(V)转化率提升至63.7%，这种形态转化伴随着土壤pH值从6.8提升至7.2（p<0.05），形成对活性态Sb的化学钝化作用。此外，BC的比表面积（632 m2/g）使其对6PPD-Q的吸附容量达到12.7 mg/kg，较未处理土壤提高3.8倍。

四、土壤酶活性与氧化应激
研究建立酶活性动态模型，发现TWP污染导致脲酶活性抑制达45.2%，而磷酸酶活性异常升高32.7%，表明有机质分解途径被激活。BC处理显著逆转该趋势（抑制率降低至8.9%，激活率降低至14.5%）。通过检测MDA（丙二醛）和H2O2含量，证实TWP污染使根系系统ROS生成量增加2.7倍（p<0.01），而BC处理通过螯合Fe3?（吸附量达0.83 mg/g）使ROS清除效率提升58.3%。

五、植物-微生物互作网络
代谢组学分析揭示，TWP污染导致水稻根系关键代谢通路（如PPAR-γ信号通路）活性降低41.2%。BC处理通过调节根际微环境（pH=6.8→7.1，EC值=0.68→0.52 mS/cm），使根系微生物分泌的胞外多糖（EPS）浓度提升2.3倍，形成物理屏障抑制污染物迁移。值得注意的是，耦合BC与有机肥（每kg BC添加5g腐殖酸）可使6PPD生物有效性降低至未处理组的18.6%。

六、环境风险传递模型
研究构建了污染物迁移-转化耦合模型，显示TWP污染使土壤-植物系统风险指数（RSI）从基准值1.32升至1.89（p<0.001）。BC处理将RSI降低至1.14，其效能与改良剂量呈显著正相关（r=0.87，p<0.01）。特别在暴雨冲刷事件中，BC处理土壤的污染物迁移通量较对照组减少76.3%，证实其有效性。

七、修复技术优化路径
基于现场试验数据（3个典型区域重复验证），研究提出BC修复的剂量-效应关系模型：当BC添加量超过8.5 t/ha时，对Sb的固定效率突破85%，同时维持土壤有机质含量>2.1%。技术集成方案显示，BC与电化学修复联用可使污染物去除率提升至94.7%，较单一技术提高28.6个百分点。此外，开发新型功能化BC（如Fe-BC复合体）可将对6PPD-Q的吸附容量提高至28.9 mg/g。

该研究首次系统揭示了TWP污染在土壤-植物界面上的多维度作用机制，建立了包含微生物功能、酶活性、形态转化等指标的生态风险评估体系。其成果为轮胎污染治理提供了理论依据，证实生物炭改良技术可使受污染土壤达到GB15618-1995二级标准（Sb≤3 mg/kg，6PPD≤0.5 mg/kg），技术成本控制在$120/ha·年，具有显著环境效益和推广价值。