柠檬酸改性生物炭促进玉米根际土壤中阿特拉津降解及迁移风险缓解的分子机制解析

为解决农业除草剂阿特拉津(ATR)残留导致的土壤污染和作物健康风险，研究人员通过柠檬酸改性生物炭(CABC)调控根际微生物群落，揭示了其介导ATR降解的分子机制。研究表明，CABC将ATR降解效率从28.8%提升至80.1%，显著降低玉米根茎叶中ATR积累(19.7-53.1%)，并激活了以Proteobacteria和Actinobacteria为主导的微生物群落及atzA/atzB/atzC等关键基因表达。该研究为农业污染土壤修复提供了新型多功能策略。

　　

阿特拉津(ATR)作为全球使用最广泛的三嗪类除草剂，在土壤中残留期可达数月甚至数年，不仅威胁玉米等作物的生理代谢，其致癌性更通过食物链危害人类健康。尽管微生物降解是解决ATR污染的理想途径，但自然降解效率低下，传统生物炭(BC)的修复能力也有限。东北农业大学的研究团队创新性地采用柠檬酸改性生物炭(CABC)，系统解析了其在黑土环境中促进ATR降解的分子机制及其对玉米生长的保护作用，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》。

研究采用吸附动力学实验、灭菌对比试验、宏基因组测序等技术手段，通过盆栽实验分析土壤-植物系统中ATR迁移转化规律。关键方法包括：利用550℃热解制备甘蔗渣生物炭并经柠檬酸改性；采用HPLC测定ATR及其代谢物含量；通过α多样性指数和PCA分析微生物群落结构；基于KEGG数据库注释降解通路；运用结构方程模型(SEM)量化各因素贡献度。

3.1 生物炭理化特性
改性后的CABC比表面积增至49.26 m²·g^-1，表面新增羧基(-COOH)和羟基(-OH)特征峰(1627.7 cm^-1)，Langmuir模型显示其对ATR最大吸附量达143.52 mg·g^-1。

3.3 ATR降解与代谢
CABC处理组ATR降解率(80.1%)显著高于对照组(28.8%)，代谢产物羟基阿特拉津(HYA)、脱乙基阿特拉津(DEA)和脱异丙基阿特拉津(DIA)浓度分别提升2.5、1.8和2.8倍。灭菌实验证实微生物贡献43.78%的降解效率。

3.4 土壤环境改善
CABC使土壤有机质(SOM)和腐殖质(HU)含量提升29.6%和20.9%，脲酶和脱氢酶活性分别提高38.4%和167.2%，形成利于微生物降解的碱性环境(pH 6.43)。

3.5 玉米生理响应
CABC处理使玉米生物量、叶绿素a和类胡萝卜素含量显著增加，根部丙二醛(MDA)含量降低52.8%，超氧化物歧化酶(SOD)活性提升33.5%，表明其有效缓解了ATR胁迫。

3.6 微生物群落重构
宏基因组分析显示CABC显著富集Proteobacteria(31.7%)和Actinobacteria(28.3%)，关键降解菌Streptomycetaceae和Rhodanobacteraceae相对丰度提升2.1-3.4倍。

3.7 代谢通路激活
KEGG注释揭示三条核心降解途径：①atzA介导的脱氯途径；②triA/atzC参与的脱烷基化；③atzB催化的脱氨基作用，最终通过atzD-atzF基因簇将氰尿酸矿化为CO₂。

4.4 关键机制解析
SEM模型证实微生物活动(path=0.413)是降解主要驱动力。CABC通过孔隙吸附固定ATR，表面羧基作为电子穿梭体促进微生物还原脱氯，其负载的柠檬酸与根分泌物协同招募降解菌群，形成"吸附-生物降解"耦合机制。

该研究创新性地构建了"改性-机制-效应"研究范式，阐明CABC通过调控微生物群落结构、激活功能基因表达、改善土壤微环境的三重协同机制，为农业面源污染治理提供了理论依据和技术支撑。研究结果对保障粮食安全、推动绿色农业具有重要实践价值，其揭示的根际微生态调控策略可拓展至其他有机污染物的生物修复。