细菌负载生物炭通过调控微生物群落与土壤代谢缓解微塑料毒性并促进水稻生长

针对农田土壤微塑料(MP)污染威胁水稻生长和土壤健康的问题，华南农业大学团队开展细菌-生物炭联合修复(BBM)研究。结果表明BBM处理使水稻地上部鲜重和干重分别增加115%和161%，磷有效性提升2.41倍，并显著上调氮磷转运基因OsNTR1.1(13倍)和OsPT1(12倍)。该研究为MP污染农田的生态修复提供新策略。

　　

随着全球塑料制品年产量突破3.6亿吨，"白色污染"已演变为严峻的环境危机。农业土壤作为微塑料(MP)的重要汇，中国稻田MP污染水平高达1,300-40,000颗粒/kg，这些直径<5mm的塑料碎片通过农膜残留、污水灌溉等途径持续累积。更令人担忧的是，MP不仅破坏土壤结构，还会抑制水稻根系发育(减少侧根形成40%)，干扰氮磷营养吸收，甚至通过食物链威胁人类健康。传统物理化学修复方法存在成本高、二次污染等弊端，亟需开发绿色高效的生物修复技术。

华南农业大学的研究团队创新性地将生物炭与MP降解菌株结合，提出"细菌充电生物炭"(BBM)修复策略。研究人员选用玉米秸秆生物炭(700°C热解)负载两株假单胞菌(Pseudomonas mosselii KG3和P. aeruginosa BG6)，通过温室盆栽实验系统评估了BBM对MP污染稻田土壤的修复效果。研究发现BBM处理使水稻地上部生物量提升161%，同时激活土壤微生物的养分转化功能，相关成果发表在《Plant Stress》期刊。

研究采用qPCR定量功能基因(amoA/phoD)、高通量测序(16S rRNA/ITS)解析微生物群落，结合非靶向代谢组学(LC-MS)揭示代谢通路。通过测定土壤理化指标(NH₄⁺-N、NO₃^--N、Pi)和植物生理参数(MDA、SOD)，构建了"土壤-微生物-植物"互作网络。

3.1 土壤-植物生理生化响应
BBM处理使土壤有效磷提升2.41倍，NO₃^--N增加1.3倍，同时降低NH₄⁺-N 0.52倍。水稻氮磷转运基因OsNTR1.1和OsPT1表达分别上调13倍和12倍，与生物量增长显著相关。抗氧化系统分析显示，BBM适度提高CAT/APX活性，维持氧化还原平衡。

3.2 微生物功能基因表达
定量分析发现BBM显著增加功能基因拷贝数：细菌amoA(6.26×10⁹)、phoD(3.02×10⁷)和nosZ(2.88×10⁷)，表明其强化了硝化作用和磷矿化能力。值得注意的是，N₂O排放量较对照增加4-8倍，提示需优化反硝化过程。

3.3 微生物群落重构
16S rRNA测序揭示BBM富集Kaistobacter(1.7倍)、Anaerolinea(1.5倍)等有益菌属，真菌群落中Humicola激增41倍。共现网络分析显示Exiguobacterium为核心枢纽菌，与养分循环密切相关。

3.4 代谢组学特征
检测到264种代谢物，BBM特异性上调乙酰半胱氨酸(抗氧化剂)和牛磺酸(渗透调节剂)。KEGG分析显示脂代谢和异生物质降解通路显著激活，与MP解毒过程相关。

4.5 机制解析
BBM通过三重机制发挥作用：(1)生物炭孔隙物理截留MP；(2)微生物酶促降解(如Bacillus分泌的碱性磷酸酶)；(3)代谢重编程增强植物抗逆性。这种协同效应使土壤-微生物-植物系统形成良性循环。

该研究首次系统阐明了细菌负载生物炭对MP污染稻田的修复机制，为发展"边生产边修复"的农业模式提供理论支撑。特别值得注意的是，BBM处理在提升作物产量的同时，通过富集Humicola等有益真菌增强了土壤生态功能。未来研究需在多种土壤类型验证其长效性，并优化菌群组合以降低N₂O排放。这项成果为应对全球农田MP污染挑战提供了兼具科学性和实用性的解决方案。