指黍生物炭缓解农药土壤毒性的生物标志物评估及机制研究

本研究针对农业土壤中农药残留导致的生态功能破坏问题，通过多学科技术手段评估指黍生物炭(FM biochar)的修复潜力。研究人员采用XRD、SEM、FTIR和GC-MS表征生物炭特性，结合分子对接技术揭示其与农药(如dimethoate和pretilachlor)的相互作用机制，并通过土壤酶活性及蚯蚓(Eisenia fetida)氧化应激指标验证修复效果。结果显示，1.5%生物炭处理使蚯蚓组织蛋白含量提升84.2%，脂质过氧化(LPX)降低82%，同时土壤淀粉酶和纤维素酶活性显著增强。该研究为农业废弃物资源化利用和土壤健康维护提供了创新方案。论文发表于《iScience》。

　　

农药残留已成为威胁全球土壤健康的隐形杀手。随着现代农业对化学农药的依赖加剧，有机磷类(如dimethoate)和氯乙酰苯胺类(如pretilachlor)农药在土壤中的累积不仅破坏微生物群落，更通过食物链威胁生态系统安全。传统物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染，而生物炭这一古老又新兴的材料，因其独特的孔隙结构和表面活性基团，正在环境修复领域焕发新生。

为破解这一难题，奥里萨农业大学(Odisha University of Agriculture and Technology)的研究团队创新性地利用抗旱作物指黍(Eleusine coracana)秸秆制备生物炭，系统评估其对农药污染土壤的修复效能。通过热重分析(TGA)揭示生物炭最佳热解条件为343.56°C(20°C/min)，SEM图像显示其具有独特的褶皱层状结构

，比表面积显著增加。分子对接证实生物炭中N-methyl-1-adamantaneacetamide与pretilachlor结合能达-2.44 kcal/mol，p-xylene更达-3.32 kcal/mol，形成稳定复合物

。相关成果发表在交叉学科期刊《iScience》上。

研究团队运用四大关键技术：1) 热化学分析确定生物质热解特性；2) XRD/FTIR表征生物炭理化性质；3) GC-MS鉴定有机组分并结合PyRx软件进行分子对接；4) 通过蚯蚓生物标志物(蛋白含量、LDH、CAT等)和土壤酶活性(淀粉酶、纤维素酶等)评估修复效果。

生物炭特性解析
热重分析显示指黍秸秆在10-20°C/min升温速率下呈现典型三阶段热解，DTG曲线峰值位移表明高温促进热分解。FTIR检测到3545 cm^-1处羟基振动峰和1724 cm^-1处羰基峰，证实含氧官能团的存在。GC-MS鉴定出13种主要化合物，其中pentane占比达34.76%，为后续吸附研究奠定基础。

农药吸附机制
分子对接揭示p-xylene与pretilachlor通过π-π堆积作用形成最强结合(-3.32 kcal/mol)，而N-methyl-1-adamantaneacetamide则通过氢键固定dimethoate。这种多机制吸附显著降低农药生物有效性，蚯蚓组织LPX水平在1.5%生物炭处理组降低79.3%。

生物响应验证
蚯蚓抗氧化系统监测显示，生物炭使CAT活性下降74.2%，LDH活性降低89.8%，表明氧化应激缓解。土壤微生物功能恢复更显著：淀粉酶活性提升108%，纤维素酶活性增加188%，证实生物炭通过"吸附-隔离-降解"链式反应重建土壤健康。

这项研究首次系统阐明指黍生物炭的农药钝化机制，其层状孔隙结构

与表面官能团协同作用，既固定污染物又改善微生态。团队建立的"材料特性-分子机制-生物效应"评估体系，为农业废弃物资源化提供了模板。未来研究可拓展至其他秸秆类生物炭及复合污染场地的修复应用，推动可持续农业发展。