《Journal of Environmental Management》：Carboxymethylcellulose-modified nano-zero-valent iron (C-nZVI) promotes ryegrass phytoremediation of cadmium in sediments co-contaminated with multiple microplastics: Mechanisms revealed by PLS-PM
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本研究采用羧甲基纤维素修饰纳米零价铁（C-nZVI）作为改良剂，探究其在多类型微塑料（MPs）与镉（Cd）共污染沉积物中促进黑麦草植物修复的机制。结果表明，C-nZVI显著提高植物生物量（+0.81%至+58.94%）、生长指标（+2.57%至+30.94%）及Cd积累能力（+4.76%至+69.49%），同时通过调控沉积物酶活性及优势菌群（如Deimosia和Nitrosomonas）丰度增强Cd固定效果（+22.12%至+148.67%）。多路径主成分分析揭示C-nZVI通过降低生物有效性Cd并促进植物吸收，同时增强微生物功能群活性实现协同修复。该策略为复杂污染场景下纳米材料辅助植物修复提供了新思路。
周伟|黄丹莲|陈莎|雷阳|王光福|徐文波|李瑞金|陈浩杰|肖瑞豪|程敏
湖南大学环境科学与工程学院，长沙，410082，中国
摘要
微塑料（MPs）的广泛分布为有毒金属污染沉积物的修复带来了新的挑战。在本研究中，我们使用了羧甲基纤维素改性的纳米零价铁（C-nZVI），以探索其在辅助黑麦草（Lolium perenne L.）修复同时受到镉（Cd）和六种不同类型微塑料污染的沉积物方面的潜力。实验结果表明，C-nZVI的应用不仅增加了植物的总干生物量（+0.81%至+58.94%）和整体长度（+2.57%至+30.94%），还提高了植物积累镉的能力（+4.76%至+69.49%）。此外，C-nZVI显著增加了镉的残留分数（+22.12%至+148.67%），促进了沉积物中酶的活性，并增加了与养分循环和有毒金属固定相关的关键细菌类群（如Devosia和Nitrosomonas）的相对丰度，从而支持了修复过程。偏最小二乘路径模型显示，C-nZVI通过两条有效途径调节了沉积物-黑麦草系统：它不仅减少了镉的生物可利用形式并增加了其残留形式，还增强了植物对镉的吸收并促进了植物生长。本研究表明，在有毒金属和多种微塑料共存的复杂污染环境中，C-nZVI在提高植物修复效率方面具有广阔的应用前景。这种纳米材料策略为受污染的河流或湿地沉积物的原位修复提供了实用的解决方案。未来的研究应重点关注实地验证和评估这种方法的长期生态影响。
引言
有毒金属污染，尤其是沉积物中的镉（Cd）污染，长期以来一直是一个顽固且严重的环境问题（Huang等人，2016；Xiang等人，2021）。与传统化学或物理修复方法相比，植物修复不仅成本效益高，而且环保——通过利用植物吸收或固定沉积物中的有毒金属，实现原位净化，而不会造成二次污染。然而，作为一种新兴污染物，微塑料（MPs）固有的化学稳定性、微小尺寸（<5毫米）和迁移特性导致其在全球范围内广泛分布（Thompson等人，2004）。MPs可以通过多种途径进入河流系统，并最终沉积在沉积物中，从而使沉积物成为陆地、淡水和海洋生态系统中长期储存MPs的场所（Li等人，2023c；Kumar等人，2024，2025a）。因此，MPs的存在为有毒金属污染沉积物的修复带来了新的挑战（Kumar等人，2025b）。MPs可以通过其载体效应（吸附和脱附重金属离子）、稀释效应、改变微生物代谢（影响微生物多样性和与碳循环相关的关键生态功能）来影响有毒金属的生物可利用性，从而改变沉积物中的细菌组成和酶活性，影响植物对养分的吸收，损害植物健康，干扰修复过程，并最终影响植物修复技术的效果（Zhang等人，2020；Huang等人，2023；Li等人，2023b；Liu等人，2023；Zhao等人，2023；Chen等人，2026）。值得注意的是，有毒金属的生物可利用性也可能受到MPs类型的影响，Dong等人的研究表明，聚苯乙烯（PS）MPs不仅表现出生理毒性并抑制根系活性，还减少了水稻对砷的吸收（Dong等人，2022）。而另一项研究发现，聚乙烯（PE）MPs增加了土壤中镉和铅的生物可利用性，并对土壤环境、植物生长和有毒金属的植物修复产生了负面影响（Yu等人，2023）。尽管有大量研究关注微塑料的环境影响和毒理学效应，但仍然缺乏有效的策略来减轻多种类型MPs对植物修复的不利影响，特别是在应对这种复杂共污染情况时应用纳米材料方面。因此，开发创新技术和策略以克服MPs的干扰对于管理沉积物中的有毒金属污染和促进水生生态系统的健康发展至关重要。在这方面，工程纳米材料（ENMs）作为解决这一复杂挑战的有希望的候选者出现（Wang等人，2022，2025；Huang等人，2025；Zhou等人，2025）。
然而，植物对有毒金属的耐受性有限，这限制了它们在高度污染环境中的修复效果。工程纳米材料（ENMs）（如基于金属的纳米材料、基于碳的纳米材料和基于矿物的纳米材料）凭借其优越的吸附能力和沉积物改良性能，被引入以增强植物对有毒金属的吸收和固定，同时减轻污染物引起的生物压力，从而提高整体修复效果（Gong等人，2017；Zhu等人，2019；Zhou等人，2023b；Qin等人，2024；Xu等人，2024）。因此，选择合适的ENMs可以提高植物修复效率，同时保护对沉积物修复和水质改善至关重要的微生物群落。在ENMs中，纳米零价铁（nZVI）及其衍生物显示出特别的前景。我们之前的研究表明，施用100毫克/千克的淀粉稳定nZVI可以提高镉污染沉积物中的植物修复效率，而羧甲基纤维素改性的nZVI（C-nZVI）被证明能有效固定沉积物中的镉（Huang等人，2018a）。我们还开发并应用了淀粉稳定nZVI和海藻酸钠改性的nZVI来提高植物修复效率、增加细菌丰度以及增强有毒金属污染沉积物中重金属的固定能力（Huang等人，2016；Gong等人，2017）。选择C-nZVI是基于其已被证明的高反应性、强的镉固定能力、由于羧甲基纤维素涂层而良好的稳定性，以及在水培实验中观察到的减轻植物在镉和MP压力下的氧化应激的潜力（Zhou等人，2023b）。然而，nZVI的环境应用需要在其效果与潜在生态风险之间取得平衡。其强烈的反应性虽然有利于污染物固定，但也可能对非目标土壤微生物产生杀菌作用，从而破坏微生物平衡和生态系统功能（Li等人，2020b）。nZVI的生态毒性影响高度依赖于具体环境，随土壤类型和植物种类而变化（Gómez-Sagasti等人，2019；Cui等人，2023）。因此，部署C-nZVI需要仔细优化剂量、进行土壤特定评估，并考虑长期环境行为，以确保净环境效益。这些发现为开发新的修复策略提供了宝贵的理论基础和实验支持。
基于这些结果，本研究使用黑麦草作为植物，C-nZVI作为改良剂，用于修复同时受到MPs和镉污染的沉积物中的镉。代表性的MPs包括环境中发现的六种常见类型，其中三种是可生物降解的，三种是不可生物降解的。我们的目标是：i) 评估C-nZVI作为改良剂在不同类型MPs-Cd共污染条件下修复沉积物中镉的潜力；ii) 研究植物和沉积物细菌对不同类型MPs-Cd共污染的反应；iii) 探索C-nZVI和MPs之间的相互作用效应，以及C-nZVI如何改善沉积物-黑麦草系统的植物修复效果；iv) 显示C-nZVI在复杂MPs污染环境中的适用性和潜在效果，从而填补知识空白，并有助于减轻MPs对有毒金属污染有效管理的干扰。
材料
实验中使用的六种常见类型的微塑料（MPs）尺寸为75～150微米（聚乳酸（PLA）MPs、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PBAT）MPs、聚丁二烯-苯乙烯（PBS）MPs、低密度聚乙烯（LDPE）MPs、聚氯乙烯（PVC）MPs和PSMPs）购自中国东莞的XingWang Plastic公司，MPs的详细表征见图S1–2。所选MPs的密度范围为0.94至1.35克/立方厘米。用于实验的河流沉积物（顶部0–20厘米）取自湘江
C-nZVI增强了黑麦草的生长和镉的吸收
经过70天的处理后，MPs + C-nZVI处理的黑麦草的地上部分干重和长度显著增加（p < 0.05），优于单独使用MPs处理的黑麦草（图1a和b）。虽然某些组的根干重和长度没有增加，但PBAT + C-nZVI处理的黑麦草的根干重减少了24.93%（p < 0.05），与PBAT处理的黑麦草相比（图1a和b）。如图1c所示，与单独使用MPs处理的黑麦草相比，叶绿素a的含量
结论
本研究首次将C-nZVI作为改良剂，探索其在多种MPs和有毒金属共污染环境中增强黑麦草植物修复的能力，以及减轻这种共污染对植物造成的压力。研究结果表明，在多种MPs存在的情况下，C-nZVI可以：i) 促进黑麦草的生长和镉的吸收；ii) 提高黑麦草对镉的耐受性；iii) 通过吸附和络合作用促进镉在沉积物中的固定，
CRediT作者贡献声明
周伟：撰写——原始草稿、可视化、软件、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。黄丹莲：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源获取、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。陈莎：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、资金获取、数据管理、概念化。雷阳：撰写——审阅与编辑、验证、软件，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52570202、52400208）、中国国家创新人才推进计划（2021）、中国顶尖青年人才支持计划（2014）、湖南省科技创新计划（2020RC4014）、湖南省自然科学基金（2025JJ30021）以及湖北污染损害评估重点实验室的财政支持
