废料升级生物炭固定微生物体系对多效唑污染水的生态可持续修复与解毒

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Eco-sustainable remediation and detoxification of paclobutrazol-contaminated water using upcycled waste-derived biochar-immobilized microbial system

　　

研究人员在主要实验中利用生物炭固定细胞去除了高达54%的多效唑（paclobutrazol，PBZ）。PBZ的生物降解通过三唑环和氯苯环的裂解进行。生物炭表面的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）促进了PBZ的去除。天然有机质的存在改善了天然水体中PBZ的去除效果。增强的种子萌发和芽生长证明了解毒作用的有效性。

多效唑（paclobutrazol，PBZ）是广泛用于农业的三唑类植物生长调节剂和杀菌剂，通过抑制赤霉素生物合成提高作物产量。由于PBZ在土壤中可持久残留并进入水体，且对水生生物具有毒性，开发生态可持续的修复技术十分必要。微生物修复虽有优势，但游离细胞易受环境胁迫和土著微生物竞争限制。生物炭固定微生物可通过吸附与生物降解协同作用提升修复效率，而以往研究多使用新制备生物炭，成本较高。本研究首次利用废料升级生物炭与耐受性降解微生物联合，探究其对PBZ污染水的修复效能、降解途径及解毒效果。

研究人员选用三种环境来源微生物，即芽孢杆菌属GRSW2-B1、芽孢杆菌属AVPP64和念珠菌属AVGB4，以木醋液生产废料竹炭（1200°C热解）为载体进行细胞固定。在合成污染水中比较了生物炭（BC）、游离细胞（FC-G1、FC-GPB）和固定化细胞（IC-G1、IC-GPB）的PBZ去除效果，并在农业区天然表面水中验证修复和植物毒性削减。主要方法包括高效液相色谱（HPLC）定量、HPLC-四极杆飞行时间质谱（HPLC-QTOF-MS）产物鉴定、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电镜（FESEM）、BET比表面积分析、定量构效关系（QSAR）毒性预测及绿豆萌发试验。

3.1 生物降解性能与途径
单菌和联合菌群均能降解PBZ，单菌降解率为36%–53%，联合菌群为30%–51%，其中G00（GRSW2-B1单菌）和GPB（三菌联合）效率最高，半衰期分别为1.7天和2.2天，优于已报道的Klebsiella pneumoniae M6（4.1天）。通过质谱鉴定出10种推测转化产物，提出PBZ降解途径：PBZ先氧化为1-(4-氯苯基)-4,4-二甲基-2-(1,2,4-三唑-1-基)戊-3-酮（INT-01），进一步裂解为2,2-二甲基-3-氧代-4-(1H-1,2,4-三唑-1-基)丁醛（INT-02）和4-氯苯甲酸（INT-07），随后分别发生三唑环和氯苯环裂解。QSAR分析预测INT-03（1H-1,2,4-三唑）和INT-07对黑头呆鱼（96 h LC₅₀）和大型蚤（48 h LC₅₀）的毒性远低于PBZ，表明降解可能降低生态风险。

3.2 多效唑在合成污染水中的去除
生物炭吸附符合伪一级动力学（Qe=0.242 mg/g）和Freundlich等温线，表现为多层物理吸附。五种处理系统中，IC-G1和IC-GPB的去除率为49%–54%，显著高于游离细胞系统（40%–47%）和单独生物炭（36%–39%）。在200 mg/L高浓度下，去除率降至7%–15%，但去除速率提高；增加生物炭和细胞投加量后去除率可达约90%。FTIR和FESEM表征显示，固定化细胞表面存在胞外聚合物（EPS）类物质，细胞在生物炭孔内良好附着，BET比表面积从31.80降至6.12 m2/g，证实了吸附和生物膜形成。

3.3 多效唑污染天然水处理与解毒
在天然表面水中，各系统去除率高于合成水（14%–63%），其中IC-GPB最高，可能与天然溶解性有机质提供营养有关。绿豆萌发试验显示，PBZ污染水使萌发指数（GI）降至33%–48%，芽长仅0.9–3.3 cm；经处理后GI和芽长显著回升，生物炭组的GI达66%。Pearson相关分析（n=30）表明残留PBZ浓度与GI和芽长呈负相关，证实修复有效降低植物毒性。

3.4 环境意义
该研究展示了将工业废料升级为多功能生物炭材料用于污染修复的可行性，实现吸附、微生物定殖和污染物去除的协同，符合循环生物-绿色经济原则。

讨论指出，固定化细胞系统的高效性源于生物炭吸附和生物降解的协同作用，EPS对细胞附着和稳定性有贡献；天然水中有机质可能促进微生物活性，但生物炭释放的有机质也可能影响植物萌发。研究尚需通过群落分析和分子表征进一步揭示机制。结论部分翻译：本研究展示了一种利用废料衍生生物炭固定化降解微生物修复PBZ污染水的方法。GPB联合菌群适应性强，PBZ去除率达51%；固定化系统IC-GPB的去除率最高，为54%，增加投加量后可达90%。处理后的水植物毒性显著降低，表现为萌发指数和芽长增加。该技术为生态可持续的水体修复提供了新途径。