纳米技术与微生物电化学系统（METS）协同增效：土壤有机污染物与重金属修复的新策略

面对土壤污染对农业可持续发展和生态安全的威胁，印度Lovely Professional University团队创新性地将纳米材料（如nZVI、碳纳米管）与微生物电化学系统（METS）结合，通过增强电极导电性、微生物代谢活性和电子转移效率，实现了有机污染物与重金属的高效降解/固定化。该研究为土壤修复与农业生产力提升提供了跨学科解决方案，发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

　　

随着工业活动与农业实践的加剧，土壤污染已成为威胁全球粮食安全和生态健康的隐形杀手。传统修复技术如物理清洗或化学处理不仅成本高昂，还可能破坏土壤微生态；而植物修复效率低下，难以应对混合污染物。更棘手的是，重金属和有机污染物会通过食物链富集，最终危害人类健康。在这一背景下，如何实现土壤的绿色高效修复，同时恢复其农业生产力，成为环境科学领域的重大挑战。

印度拉夫里科技大学（Lovely Professional University）的Sudhir Kumar Upadhyay团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，提出将纳米技术与微生物电化学系统（Microbial-Electrochemical Systems, METS）协同的创新策略。该研究通过纳米材料增强电极性能，结合电活性微生物的代谢能力，构建了一套能同时降解有机污染物、固定重金属并促进作物生长的双效系统。

研究团队运用了四项关键技术：基于Scopus数据库的文献计量学分析（1973-2025年）、纳米生物炭表征（阈值引导图像分析和三维表面形貌）、微生物电化学系统（METS）构建（包括微生物燃料电池MFC和电解池MEC）、以及纳米材料-微生物互作效应评估。其中，纳米生物炭的催化特性通过灰度值强度等参数量化，而微生物胞外电子转移（Extracellular Electron Transfer, EET）机制则通过电极性能优化得以强化。

METS原理
研究发现，电活性微生物如地杆菌（Geobacter）可通过EET机制，在电极与污染物间建立电子桥梁。例如，纳米零价铁（nZVI）的加入使阴极产生的羟基自由基（˙OH）增加，苯系物的降解速率提升2.3倍。

纳米技术的作用
实验室制备的稻壳基纳米生物炭展现出独特优势：阈值分析显示其表面微生物热点区域占比达37%，三维形貌证实其多孔结构（孔径<50nm）可负载大量微生物，加速污染物转化。

协同增效机制
石墨烯修饰的阳极使电子转移速率提高4倍，同时金属氧化物纳米颗粒（如TiO₂）通过光催化作用产生额外电子，与METS形成互补。这种协同使镉的固定化效率达到92%。

土壤修复与植物促生
在污染土壤中，纳米-METS系统使小麦生物量增加58%，根际微生物多样性指数Shannon值提升1.8。机理分析表明，系统通过调控碳氮比（C/N）和分泌生长素（IAA）双重途径促进植物生长。

未来方向
研究指出，下一代纳米材料需平衡功能性与生物相容性，避免纳米毒性（如ZnO NPs对硝化菌的抑制）。机器学习辅助材料筛选和跨国合作（如中印在农业纳米技术领域的互补）将成为关键。

这项研究的突破性在于首次系统论证了纳米-METS协同的“修复-生产”双功能模式：既通过˙OH自由基链式反应分解有机毒物，又利用纳米生物炭的吸附-催化耦合作用钝化重金属，同时重塑根际微生态。这种“一石三鸟”的策略，为应对土地退化与气候变化下的可持续农业提供了新范式。正如通讯作者Upadhyay强调的，该技术的田间规模化应用仍需解决电极寿命和纳米材料回收问题，但其在工矿废弃地修复中的潜力已不容忽视。