生物炭与植物根际促生菌协同强化一年生黑麦草修复多金属污染土壤的机制与效应研究

本研究针对多金属污染土壤修复难题，创新性地将生物炭（biochar）与植物根际促生菌（PGPR）联合应用于一年生黑麦草（Lolium rigidum）辅助修复体系。研究发现，生物炭显著降低土壤中Cd、Pb、Zn的可交换态含量（降幅达56–81%），PGPR接种进一步促进植物生物量增长31%，并降低重金属吸收。该策略通过改善土壤微生态功能和植物耐受性，为重金属污染土壤的绿色修复提供了高效可行的技术路径。

　　

随着工业化和城市化进程的加速，土壤重金属污染已成为全球性的环境问题。采矿、工业废弃物堆放以及农业化学品的过度使用导致砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）和锌（Zn）等潜在毒性元素（Potentially Toxic Elements, PTEs）在土壤中不断积累。这些污染物不仅破坏土壤生态功能、抑制微生物活性，还可能通过食物链传递，威胁人类健康。传统的物理化学修复方法成本高、易造成二次污染，而植物修复（Phytoremediation）作为一种环境友好、成本低廉的绿色技术，逐渐受到重视。其中，利用超富集植物或耐受植物通过根际过程固定或吸收污染物（即植物稳定和植物提取）被认为是具有前景的解决方案。

然而，植物修复技术在实际应用中仍面临诸多挑战。污染土壤中高生物有效性的PTEs往往对植物生长产生毒害，同时贫瘠的土壤条件也限制了修复植物的生物量和修复效率。近年来，辅助植物修复（Assisted Phytoremediation）策略逐渐兴起，通过添加土壤改良剂或接种功能微生物以提升修复效果。生物炭（Biochar）作为一种由生物质热解产生的富碳材料，已被证明能够吸附PTEs、改善土壤理化性质并促进微生物活动。另一方面，植物根际促生菌（Plant Growth-Promoting Rhobacteria, PGPR）可通过固氮、溶磷、产生植物激素等方式增强植物对逆境的抵抗能力。尽管已有研究分别探讨了生物炭或PGPR在植物修复中的应用，但二者联合使用的协同效应及对土壤微生物群落的影响尚不明确。

在这一背景下，来自意大利萨萨里大学的研究团队开展了一项系统研究，旨在评估生物炭与PGPR联合使用对多金属污染土壤修复效果的影响。研究以一年生黑麦草（Lolium rigidum）为模式植物，聚焦于以下科学问题：1）生物炭和PGPR如何影响土壤中PTEs的迁移性和生物有效性；2）它们对土壤微生物群落结构及功能有何影响；3）联合处理是否能够显著提高植物生物量并减少PTEs的吸收。该研究成果发表于《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》，为污染土壤的生态修复提供了新的理论依据和技术支持。

为开展本研究，作者团队采用多学科交叉的方法整合了土壤化学分析、微生物分子生态学以及植物生理学实验。首先，他们从意大利蒙特维奇奥矿区采集了多金属污染土壤（Cd、Pb、Zn含量分别为22.6、4473和3147 mg·kg^?1），并将其与3%（w/w）添加量的生物炭混合后进行8个月的老化处理。该生物炭由生长于铅污染工业区的黑杨（Populus nigra）生物质在465°C下热解制备而成。土壤基本性质（如pH、电导率、总有机碳TOC、溶解性有机碳DOC）及PTEs含量均通过标准方法测定。

研究设置四个处理组：对照组（C）、仅添加生物炭组（B）、仅接种PGPR组（C-PGPR）以及生物炭与PGPR联合处理组（B-PGPR）。PGPR菌剂包含四种具有植物促生特性的菌株：Methylobacterium populi VP2、Azotobacter chroococcum 76A、Priestia megaterium EL5和Kosakonia pseudosacchari TL13。一年生黑麦草在温室中培养6个月，期间进行两次菌剂接种。

在植物收获后，分别分析植物生物量及组织中PTEs含量。土壤微生物群落结构通过16S rRNA和ITS测序技术解析，功能活性则通过Biolog生态板（Biolog EcoPlate?）和土壤酶活性（脱氢酶DHG、β-葡萄糖苷酶GLU、脲酶URE）进行评价。数据使用方差分析（ANOVA）、主坐标分析（PCoA）等统计方法进行处理。

3.1. 生物炭对土壤性质及PTEs迁移性的影响

研究结果显示，生物炭的添加显著提高了土壤总有机碳（TOC）和溶解性有机碳（DOC）含量，增幅分别达116%和50%。尽管生物炭本身呈碱性（pH=9.9），但处理组土壤pH值变化不显著。更重要的是，生物炭显著降低了Cd、Pb和Zn的可交换态含量（即labile PTEs），降幅分别为56%、60%和81%。这表明生物炭通过表面络合、离子交换或共沉淀等机制有效固定了土壤中的活性重金属，降低了其环境风险。

3.2. 生物炭对土壤微生物活性及功能的影响

生物炭处理提高了土壤微生物生物量碳（+80%），并显著增强了脱氢酶（DHG）和脲酶（URE）的活性，但抑制了β-葡萄糖苷酶（GLU）的活性，可能与酶底物被生物炭吸附有关。Biolog生态板分析表明，生物炭处理组的微生物群落代谢活性（AWCD值）提高了一倍，且对糖类碳源的利用能力增强，而对氨基酸的利用减少。这些结果说明生物炭不仅缓解了PTEs对微生物的毒害，还改变了微生物的代谢功能。

3.3. 生物炭与PGPR对植物生长的影响

联合处理（B-PGPR）显著提高了黑麦草的地上部生物量，较对照组增加31%。单独PGPR处理也使生物量提高25%，而单独生物炭处理的效果较弱（+12%）。统计表明，PGPR是促进植物生长的主要因素。该结果证实了微生物接种在增强植物耐逆性和促进营养吸收方面的积极作用。

3.4. 生物炭与PGPR对植物吸收PTEs的影响

生物炭和PGPR均降低了黑麦草对PTEs的吸收，其中PGPR对Cd的降低效果最显著（地上部和根部分别降低40%和15%）。联合处理对Pb和Zn的固定效果尤为突出，地上部Pb和Zn含量分别降低50%和37%。这表明生物炭与PGPR在减少植物重金属积累方面具有协同作用。

3.5. 生物炭与PGPR对土壤微生物群落结构的影响

通过高通量测序分析发现，PGPR的接种显著改变了土壤细菌和真菌的群落结构，降低了微生物多样性，尤其在接种初期。生物炭处理则对微生物群落影响较小。联合处理（B-PGPR）中，随着时间推移，微生物多样性逐渐恢复，说明生物炭可能缓解了接种带来的生态冲击。在细菌群落中，放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）在PGPR处理组中占主导；真菌群落中，被孢霉门（Mortierellomycota）和担子菌门（Basidiomycota）在接种组中显著增加。这些类群通常与有机物分解、植物互作和抗逆功能相关。

本研究通过整合土壤学、微生物生态学及植物生理学方法，系统论证了生物炭与PGPR联合应用在重金属污染土壤修复中的协同效应。生物炭通过 immobilize PTEs、改善土壤肥力，为微生物和植物创造了更适宜的生长环境；PGPR则通过直接促生机制和调节根际微环境，进一步增强植物的耐受性和生物量积累。两者结合不仅显著提高了黑麦草的生物量，还降低了重金属在植物体内的积累，实现了植物修复效率的全面提升。

从技术应用角度看，该研究为污染场地的生态修复提供了一种低成本、环境友好的综合解决方案。尤其值得一提的是，研究所用生物炭源自污染环境生长的植物，体现了循环经济理念在环境治理中的应用。未来研究可进一步探讨该策略在不同土壤类型和气候条件下的适用性，并关注其长期生态效应及田间规模的可行性。

总之，这项研究不仅深化了我们对生物炭-微生物-植物互作机制的理解，也为推动绿色修复技术的实际应用提供了重要科学依据。