微波制备生物炭负载纳米零价铁复合材料的构建及其对污染土壤镍固定化与油菜生长的协同调控机制

本研究针对传统生物炭(BC)负载纳米零价铁(nZVI)材料孔隙率低、镍(Ni)固定效率差的问题，创新性地采用微波制备生物炭(MWB)为载体构建MBnZVI复合材料。结果表明，MBnZVI使土壤Ni生物有效性降低58%，油菜(Brassica napus)茎叶Ni积累减少89%，同时显著提升植物光合参数(Pn/Tr/Gs/Ci增幅66-117%)和抗氧化酶活性(CAT/APX/SOD等提升101-181%)，并改善土壤微生物群落结构(Firmicutes等)及酶活性(β-葡萄糖苷酶等提升71-180%)，为重金属污染土壤修复提供新策略。

　　

随着电镀工业的快速发展，镍(Ni)污染已成为威胁全球土壤生态安全和农产品质量的重要环境问题。虽然镍是植物必需的微量元素，但当土壤中镍浓度超过100 mg kg^?1
时，就会引发严重的生态和健康风险——不仅会抑制油菜(Brassica napus)等作物的种子萌发、光合作用和抗氧化酶系统，还会通过食物链引发人类肺纤维化、肾水肿等疾病。传统修复技术如铁盐(FeSO₄
/FeCl₃
)和工业废渣(钢渣等)存在用量大(5-25 g kg^?1
)、二次污染风险高等缺陷，而纳米零价铁(nZVI)虽具有高反应活性，但易团聚失活。更棘手的是，常规生物炭(BC)负载nZVI的复合材料(BCnZVI)因孔隙结构不均，难以有效固定nZVI颗粒，导致修复效率受限。

针对这一系列难题，浙江大学农业与生物技术学院的研究团队创新性地将微波热解生物炭(MWB)技术与nZVI相结合，开发出新型MBnZVI复合材料，系统评估了其对镍污染土壤的修复效能及对油菜生长的促进作用，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。研究采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等技术表征材料特性，通过盆栽实验比较了BC、MWB、nZVI及其不同组合对土壤Ni形态、植物生理指标、微生物群落和酶活性的影响，并利用qPCR分析了Ni转运基因表达变化。

【Synthesis of biochars】
以长江流域广泛种植的油菜品种"ZD 630"秸秆为原料，分别通过传统管式炉(500°C，氮气环境)和微波热解制备BC与MWB。SEM显示MWB具有更发达的孔隙结构，比表面积达BC的1.8倍，为nZVI负载提供了理想载体。

【Characterization of soil amendments】
MBnZVI的XRD图谱在2θ=44.7°处出现明显Fe⁰
特征峰，FTIR显示其含氧官能团(-COOH/-OH)数量较BCnZVI增加37%，这些特性共同增强了Ni的配位吸附能力。

【Immobilization of Ni in soil with amendments】
MBnZVI处理使土壤pH值提升0.85单位，促进Ni转化为残渣态(占比提高58%)。同步辐射分析证实Ni与FeOOH形成共沉淀，且MWB的π-π作用进一步固定Ni离子，使其迁移率降低至对照组的42%。

【Conclusions】
该研究首次证实MBnZVI通过三重机制协同增效：(1)物理封堵——MWB的介孔结构(2-50 nm)有效截留nZVI颗粒；(2)化学转化——nZVI腐蚀产物(Fe²⁺
/Fe³⁺
)与Ni生成稳定化合物；(3)生物调控——激活土壤酶系(脲酶活性提升93%)和微生物群落(Proteobacteria增加2.1倍)，同时下调植物Ni转运基因(NiCOPT1)表达。

这项工作的科学价值在于：① 创建了"微波热解-纳米负载"协同制备新技术，突破传统BC材料孔隙率低的技术瓶颈；② 阐明MBnZVI通过"土壤-植物-微生物"多维互作实现Ni污染治理的分子机制；③ 为重金属污染农田的边生产边修复(Phytomanagement)提供可推广的解决方案。特别是MBnZVI使油菜生物量提升213%的同时，茎叶Ni含量降至3.2 mg kg^?1
，远低于食品安全限值(10 mg kg^?1
)，兼具环境效益与经济价值。该成果对发展绿色可持续的土壤修复技术具有重要指导意义。