基于入侵植物生物炭及其纳米颗粒缓解银纳米颗粒和微塑料对溪流微生物碎屑生态系统影响的研究

本研究针对淡水生态系统中新兴污染物银纳米颗粒（Ag-NPs）和微塑料（MPs）的危害问题，探讨了源自入侵植物金合欢的生物炭（BC）及其纳米颗粒（BC-NPs）的生态修复潜力。研究发现，BC和BC-NPs不仅能安全促进真菌繁殖与叶片分解，还可浓度依赖性地缓解Ag-NPs和MPs的毒性效应，为淡水生态保护提供了绿色解决方案。

　　

随着工业化进程加速，银纳米颗粒（Ag-NPs）和微塑料（MPs）等新兴污染物（ECs）在水体中的浓度日益升高，对淡水生态系统构成严重威胁。Ag-NPs因其抗菌特性被广泛应用于医疗、包装等领域，而MPs作为持久性污染物，可通过废水排放和塑料降解进入环境。这些污染物不仅直接危害水生生物，还可能破坏微生物驱动的关键生态过程，如叶片分解——这一过程在低光照的森林溪流中承担着碳和养分循环的核心功能。尤其值得关注的是，当前对淡水环境中ECs的浓度分布和生态影响的认识仍较有限，且缺乏行之有效的绿色修复手段。

与此同时，全球范围内入侵植物物种的扩散加剧了生态系统的压力。例如在葡萄牙，金合欢（Acacia sp.）的入侵已对本地植被和生态过程造成显著影响。能否将这类入侵植物转化为资源，用于治理环境污染，成为一个兼具生态与经济价值的研究方向。生物炭（BC）及其纳米颗粒形式（BC-NPs）作为自然基产品（NBPs），以往研究表明其在土壤修复、碳封存和污染物吸附方面具有潜力，但关于它们对淡水生态系统的影响，尤其是在与ECs共存时的交互作用，仍知之甚少。

为此，研究人员在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表论文，系统探讨了BC和BC-NPs在缓解Ag-NPs和MPs对溪流微生物分解系统毒性中的作用。研究通过微宇宙实验，模拟了自然水体条件，分析了BC、BC-NPs单独及与ECs混合情况下对水生真菌群落结构、繁殖能力以及叶片分解功能的影响。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先通过高温裂解金合欢植物碎屑制备BC，并进一步超声破碎、离心和研磨得到BC-NPs；利用动态光散射（DLS）和Zeta电位分析评估了Ag-NPs、BC-NPs及其混合体系的流体力学尺寸和稳定性；通过ATR-FTIR光谱鉴定表面官能团及相互作用；使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）量化BC和BC-NPs中的元素含量；在葡萄牙Oliveira溪流中现场微生物定殖叶片样本；并在实验室内进行控制条件下的暴露实验，测定真菌孢子产生、物种丰富度及叶片质量损失。

3.1. 自然基产品与新兴污染物的表征

BC和BC-NPs在理化特性上存在明显差异。BC-NPs具有更高的碳含量（542.6 g·kg^?1）和碳氮比（361.7），而金属元素含量较低，表现出更优的生态相容性。Ag-NPs和MPs的特征也与以往研究一致，分别显示出较小的流体力学直径（32.1±0.2 nm）和高稳定性。在混合物中，BC-NPs与Ag-NPs出现聚集现象，ATR-FTIR结果显示其表面官能团间存在较强相互作用，可能通过氢键和羧基结合降低ECs的生物有效性。

3.2. 水生真菌群落对自然基产品的响应及生态系统过程的影响

单独暴露于BC或BC-NPs未呈现任何毒性效应，相反，BC-NPs在100 mg·L^?1浓度下显著提高了真菌孢子产生率和叶片分解速率，说明其可作为额外的碳源促进微生物活动。群落结构分析进一步显示，BC-NPs改变了物种贡献度，如提高Flagellospora curvula的比例，暗示其可能通过调控群落构成增强生态功能。

3.3. Ag-NPs或MPs对水生真菌群落及叶片分解的影响

Ag-NPs和MPs均显著抑制了真菌的孢子产生、物种丰富度及叶片分解，且效应呈浓度依赖性。MPs在高浓度（5 mg·L^?1）下对孢子产生的抑制更强（降低69.6±4.9%），而Ag-NPs对分解过程的负面影响更为明显。群落结构发生变化，如MPs暴露下Dimorphospora foliicola贡献度增加至38.3%，反映出物种功能冗余可能在维持生态系统功能中起作用。

3.4. BC或BC-NPs在降低Ag-NPs或MPs生态毒性中的作用

BC和BC-NPs均能浓度依赖性地减轻ECs的毒性效应，其中BC-NPs的缓解效果更显著。在100 mg·L^?1 BC-NPs存在下，高浓度Ag-NPs对孢子产生的抑制被部分逆转（恢复26.3±4.7%），叶片分解也有所恢复。对于MPs，BC-NPs同样表现出更强的恢复能力。这种缓解效应可能源于BC-NPs的高比表面积和丰富官能团，有效吸附ECs并减少其生物可利用性，同时为微生物提供碳源以增强抗逆能力。

3.5. 生态响应与污染物/自然基产品之间的关系及潜在机制

主成分分析（PCA）表明，真菌群落的结构和功能指标与ECs浓度呈负相关，而与BC和BC-NPs单独或低浓度混合处理正相关。BC-NPs的优异性能可能归因于其纳米尺寸带来的高反应活性，以及通过表面相互作用（如孔隙填充、氢键和π–π共轭）有效固定ECs颗粒。

3.6. 研究局限与未来展望

微宇宙实验虽能控制变量，但无法完全模拟自然水体的流动动态和生物互作。未来需开展更接近自然条件的中尺度研究，并深入解析BC-NPs与ECs间的分子作用机制。

该研究首次证实，利用入侵植物金合欢制成的BC和BC-NPs不仅能安全用于淡水环境，还可显著缓解Ag-NPs和MPs对微生物分解系统的负面效应。BC-NPs因其高碳含量、小尺寸和强吸附性能，展现出比普通BC更优异的修复潜力。这一策略不仅为淡水生态保护提供了新型绿色解决方案，同时实现了入侵植物资源的增值利用，契合循环经济发展理念，具有重要的生态、经济和社会意义。