生物炭与蚯蚓粪土协同形成低镉、高营养修复热点：来自微生物功能基因与酶化学计量学分析的启示

《Journal of Hazardous Materials》：Biochar and drilosphere soil synergistically form a low-cadmium, high-nutrient remediation hotspot: Insights from microbial functional gene and enzymatic stoichiometry analyses

　　

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  富里酸类稻草生物炭（ARS biochar）与蚯蚓粪域共同形成低镉高养分热点。
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  揭示了施用生物炭后蚯蚓粪域中微生物代谢限制的变化。
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  阐明了生物炭驱动的蚯蚓粪域中微生物群落与功能基因的方向性重塑。

引言

土壤是人类生存和发展的基本介质，全球约95%的食物供给来源于陆地生态系统[1]。然而，重金属造成的土壤污染对粮食安全和公共健康构成了严重威胁[2]。据估计，全球14%–17%的农田土壤受到重金属污染，其中镉（Cd）污染尤为突出，超标率达到9%[1]。

蚯蚓通过钻穴、摄食、排泄、分泌黏液和混合土壤等生态过程，在一个被称为"粪域"的土壤区域内调控土壤结构、养分循环和微生物活性[3]。粪域是受蚯蚓活动直接影响形成的土壤微域，包括肠道、体表、穴壁和粪体。其空间尺度为毫米至厘米级，由穴壁土（<2 mm）、粪体和轻扰动土（LDS）组成，是土壤生物地球化学过程的重要热点区域[4], [5]。粪域通过多种机制重塑土壤环境：蚯蚓分泌黏液可调节粪域pH[6]，钻穴改善土壤通气性，穴道中富集活性有机质[3]。此外，肠道消化和排泄可使重金属活化迁移，而黏液分泌和腐殖化则促进其固定，导致不同粪域组分间镉生物有效性和形态存在显著差异[7]。穴壁土（BWS）中镉总浓度比未扰动土（UDS）低3.37%–5.22%，DTPA可提取态镉浓度在0.22–1.53 mg kg^?1之间。镉残余态占总量的12%–32%，比其他形态高7%–13%，而氧化态仅占4%–16%[7]。蚯蚓选择性摄食富含多糖、蛋白质、肽和可溶性碳水化合物的活性有机化合物[3], [8], [9]。经肠道消化后，这些物质以粪体的形式沉积到粪域中，为纤维素酶、几丁质酶、蛋白酶、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和磷酸酶等胞外酶提供了丰富的底物[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]，从而加速碳（C）、氮（N）和磷（P）的矿化与周转[3]。粪域内微生物生物量C和N的快速周转加剧了微生物间的P竞争[17]。粪域富含有机质和有机氮，为微生物定殖与代谢提供了生态位，从而促进土壤有机磷的矿化[18]。蚯蚓消化道分泌的磷酸酶加速有机磷水解，粪域pH变化以及铁（Fe）/铝（Al）络合作用调节磷酸盐溶解性，而增强的微生物活性进一步促进有机磷矿化[19]。与团粒土相比，粪域表现出更高的微生物活性和显著升高的有效磷（AP）含量[20]，因此代表了土壤中AP和微生物过程的热点[21]。尽管C、N和P的微生物养分限制在Cd污染土壤中的研究已较为充分，但这些限制模式是否可通过生物炭与蚯蚓活动的联合作用加以改变，仍有待明确。

生物炭可通过表面络合、离子交换和共沉淀等物理化学机制显著降低镉的生物有效性[22]。生物炭还能改善土壤物理化学性质、提高养分有效性并促进微生物定殖，为重金属固定和土壤质量提升提供了理想的改良方案[23]。然而，生物炭在田间环境中的修复效果取决于各种环境因素之间的相互作用，包括冻融循环[24]、干湿循环[25]、土壤氧化还原电位[26]、土壤pH[27]和土壤动物[28], [29], [30]。在这些因素中，蚯蚓活性是一个关键的生物调控因子，但在以往研究中受到的关注相对较少[31]。蚯蚓和生物炭对土壤镉生物有效性的影响方向相反，蚯蚓活动倾向于活化重金属，而生物炭则促进其固定[29], [32], [33]。蚯蚓活动可通过多种机制削弱甚至抵消生物炭对镉的固定作用，包括肠道消化引起的pH变化、释放溶解性有机碳（DOC）以及微生物群落的重构[30]。粪域通过蚯蚓黏液、肠道转运和微生物活性的共同作用，显著加速了生物炭的老化过程，增加了生物炭表面的含氧官能团数量，提高了其比表面积和孔隙体积，从而增强了其镉吸附能力[31]。此外，生物炭还影响参与微生物过程（如C降解、N矿化和P溶解）的胞外酶活性[34], [35], [36]。一项全球Meta分析表明，生物炭通常对C和P获取酶无显著影响，但会影响N获取酶（提高23.3%）[37]。这些矛盾的结果强调了进一步研究生物炭在不同土壤环境中对酶活性和养分循环影响机制的必要性。

本研究旨在从涵盖粪域微环境、代谢策略和功能基因的多层次整合视角出发，阐明蚯蚓与生物炭协同修复Cd污染土壤的微生物生态学机制。这一微生物代谢限制理论框架已成功应用于重金属污染研究[38], [39], [40]、植被恢复研究[41], [42], [43]和农田管理研究[44], [45]，证实了微生物代谢限制对环境因素的敏感性。酶活性、化学计量学特征、微生物群落动态和功能基因的多维整合为理解生物炭调控下粪域中微生物过程、土壤质量改善和养分循环的机制提供了有价值的见解。然而，该框架尚需整合到蚯蚓-生物炭-Cd污染复合系统中，其内在机制有待阐明。因此，本研究以粪域微域为研究对象，采用新鲜稻草（RS）和老化稻草（ARS）生物炭作为实验材料，基于生态酶化学计量学系统研究了两个科学问题：(1) 生物炭类型（RS与ARS）与粪域如何交互影响土壤物理化学性质、酶活性和微生物养分限制？(2) 微生物群落结构和功能基因丰度如何对上述变化作出响应并协同调控养分循环？

章节摘要

实验设计与材料

采自云南大学呈贡校区轻度扰动且重金属污染较低的试验地0–20 cm土层（富铁软土）的土壤样品。土壤经风干、混合后过2 mm筛。本研究使用的腐殖土购自云南晟碧科技有限公司，为丹麦平德斯特鲁普泥炭基质（Pindstrup Mosebrug A/S，Ryomgard，丹麦）橙加版，以高位沼泽泥炭制成。其基本

粪域重塑土壤微环境并驱动镉微域富集

与未扰动土（UDS）相比，粪域中总有机碳（TOC）、溶解性有机碳（DOC）、总磷（TP）、有效磷（AP）、总氮（TN）和硝态氮（NO₃^--N）含量显著升高，而铵态氮（NH₄⁺-N）含量大幅下降。生物炭施用进一步改善了穴壁土（BWS）的物理化学性质（图S5）。与L组相比，RSL处理使TOC、DOC、TN、TP、AP和NH₄⁺-N分别增加了26.79%、28.66%、27.91%、25.61%、10.94%和62.87%，而ARSL处理使DOC、TN、TP、AP和NH₄⁺-N分别增加了24.83%、57.84%、36.84%、1.19%和91.87%，

生物炭与粪域土壤协同构建低镉高养分修复微位

粪域是由蚯蚓活动驱动的土壤生物地球化学热点区域[3], [53]，其环境条件和养分转化过程与周围土壤组分存在显著差异[54]，为污染土壤的修复提供了关键界面。本研究证明，生物炭与粪域在镉固定、碳氮养分富集和关键酶活性方面表现出显著的协同效应，而非简单的

结论

本研究基于涵盖微域环境、微生物代谢策略和功能基因的多层次整合视角，阐明了稻草（RS）和老化稻草（ARS）生物炭与蚯蚓粪域协同修复Cd污染土壤的差异化微生物机制。ARS生物炭因其比表面积和总孔隙体积的增大而表现出增强的镉吸附和固定能力，并且

CRediT作者贡献声明

常娥刘：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，项目管理，方法学，资金获取，概念设计。 段常群：指导，项目管理，资金获取，概念设计。 吴桂军：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，验证，方法学，形式化分析，数据整理。 赵一巧：方法学，数据整理，概念设计。 杨雪梅：指导，项目管理。 于玉竹：

利益冲突声明

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致谢

本研究得到 国家自然科学基金（32260315）和云南省院士专家工作站（202405AF140006）的经费支持。

吴桂军|赵一巧|于玉竹|杨雪梅|段常群|常娥刘