水凝胶-微生物复合改良剂优化砂泥岩基质的植物促生机制与生态修复应用

针对建筑渣土利用率低（仅22%）及退化土壤植被恢复难题，中国研究人员通过调控渣土比（SS）、保水剂（WP）、复合菌肥（CF）及施用频次（AF）等变量，系统评估了砂泥岩基质改良对紫花苜蓿生长及土壤微生态的影响。研究发现最优配比（SS 10:0/WP 1.0%/CF 1:1:1/AF 4）可显著提升土壤酶活性与细菌群体感应，PLA-PM分析揭示了SS改善理化性质、CF/WP激活关键酶（amoA/gdh_K00262）、AF优化菌群的协同机制，为工程渣土资源化提供了新策略。

　　

随着中国基础设施建设的迅猛发展，每年产生的建筑垃圾已超过20亿吨，但利用率仅为22%，远低于发达国家90%的水平。这些以砂泥岩为主的工程渣土因有机质匮乏、保水性差，成为生态修复的"绊脚石"。如何将建筑废弃物"变废为宝"，成为摆在环境科学家面前的重大课题。

中国国家重点研发计划支持的研究团队独辟蹊径，选择具有超强适应性的紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作为模式植物，通过四因素三水平正交实验设计，系统探究了渣土-营养土配比（SS）、保水剂浓度（WP）、复合菌肥组成（CF）及施用频次（AF）的协同效应。研究采用西藏砂泥岩（粒径<5mm）为基质，复合菌肥包含解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）、苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）和巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）三种功能菌株。

土壤理化性质及酶活性变化
当SS比例为10:0时，土壤pH高达9.27，但所有处理组pH均显著低于对照（p<0.05）。引人注目的是，7:3的SS比例使含水量提升至13.68%，而WP的添加更使含水量翻倍。复合菌肥显著提高了电导率（EC），1:1:1配比的CF处理使速效磷含量增加2.3倍。脲酶和蔗糖酶活性在SS 10:0组达到峰值，分别比对照高89.2%和127.4%，揭示出渣土基质本身蕴含的改良潜力。

微生物群落动态与功能基因
宏基因组分析显示，变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）为优势菌群，占总量的62.3%-85.7%。RDA分析证实pH和EC是驱动菌群结构的关键因子（解释度达71.4%）。研究首次在改良基质中检测到群体感应（Quorum Sensing）信号分子AI-2的合成基因luxS，表明微生物通过化学通讯协调生态功能。氮循环关键基因amoA（氨单加氧酶）和gdh_K00262（谷氨酸脱氢酶）的富集，解释了基质中铵态氮向硝态氮的高效转化机制。

植物生长响应与优化模型
TOPSIS多指标评价体系确定最优配方为SS 10:0/WP 1.0%/CF 1:1:1/AF 4，该处理使苜蓿生物量提高214%，根瘤数增加3.8倍。PLA-PM路径模型揭示出三条改善途径：SS通过降低pH和增加孔隙度直接改善物理性质（路径系数0.82）；CF和WP通过激活脲酶-蔗糖酶系统促进养分转化（系数0.76）；AF则通过调控微生物α多样性间接影响植物生长（系数0.68）。

这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究，创新性地将工程渣土改良与微生物生态调控相结合。其重要意义在于：① 建立了"物理改良-化学激活-生物调控"的渣土基质优化理论框架；② 明确了群体感应信号在人工基质微生态系统中的枢纽作用；③ 提出的1:1:1菌肥配比和4次施用方案，可直接指导矿山修复工程实践。该成果为建筑废弃物的规模化资源利用提供了可复制的技术范式，对实现"无废城市"建设目标具有重要实践价值。