茶袋封装MgO改性生物炭在沉积物–水界面的长期氮磷控制效果与微生物响应机制研究

《Microorganisms》：Long-Term Nitrogen and Phosphorus Control and Microbial Responses by Tea-Bag-Encapsulated MgO-Modified Biochar at the Sediment–Water Interface

　　

摘要专业翻译 沉积物内源磷释放是富营养化水体修复的重要限制因素。茶袋封装的MgO改性生物炭（MgO-modified biochar）在磷吸附、微生物附着及便捷回收方面具有优势，但其在沉积物–水界面的长期控磷效果及相关微生物响应仍不明确。本研究开展了124天的沉积物–水模拟实验，并结合宏基因组测序（metagenomic sequencing），评估其对氮磷去除、水环境变化及微生物磷循环功能的影响。结果表明，处理组对磷酸盐（phosphate）、总磷（total phosphorus, TP）、氨氮（ammonia nitrogen, NH3-N）和总氮（total nitrogen, TN）的去除效率分别达到88%、67%、90%和40%。材料施用后，其BET比表面积由47.85 m2/g降至20.18 m2/g，表面出现明显沉积物，并检测到磷富集，表明该材料持续参与界面磷固定。同时，Anaerolinea和Nitrospira的相对丰度分别由5.71%增至10.08%、由0.72%增至1.06%。功能基因分析显示，与磷感知、转运及多聚磷酸盐代谢相关的基因相对丰度发生变化，表明与磷获取和储存相关的功能潜力得到调整。由于本研究基于小规模长期模拟系统，材料贡献主要通过BC与BT组间的阶段性差异、材料表征及微生物功能响应进行阐释，而温度、氧化还原条件等时变因素的独立效应仍需进一步控制实验验证。总体而言，茶袋封装MgO改性生物炭的持续控磷效果主要与界面材料固定、微生物群落变化及磷循环功能潜力的调整相关。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

沉积物内源磷释放是富营养化水体长期维持高磷负荷的重要来源，也是制约水质改善和生态恢复的关键因素。与外部输入相比，沉积物–水界面的磷迁移具有持续性、滞后性和环境依赖性强的特点，即使外部负荷得到有效控制，内源释放仍可能长期影响上覆水水质。因此，开发能够在沉积物表面持续发挥作用且具备实际应用可行性的控磷材料与技术，对富营养化水体修复具有重要意义。

生物炭因其原料来源广泛、制备工艺简单、孔隙结构发达及表面官能团丰富，在污染控制和环境资源领域受到广泛关注。在磷污染控制方面，生物炭可通过静电吸附、表面络合、配体交换和表面沉淀等机制促进磷固定，从而减少沉积物内源磷向上覆水的释放。为进一步提升除磷性能，研究者发展了金属负载、酸碱活化及复合改性等策略。其中，MgO改性生物炭可显著增强磷酸盐吸附能力。除理化固定外，生物炭还可作为微生物附着的载体，影响沉积物中微生物群落组成及养分循环功能，其孔隙结构和表面特性有利于微生物附着、生物膜形成及局部微环境的构建，从而可能改变与磷转运、有机磷利用、多聚磷酸盐代谢及氮迁移转化相关的微生物过程。

然而，现有研究多聚焦于短期吸附性能或单一除磷效果，对改性生物炭在沉积物–水界面的长期性能、持续控磷能力及稳定功能特征的系统认识仍显不足。特别是，在长期沉积物体系中，材料表面固定与微生物功能调整如何共同关联持续控磷效果，以及封装改性生物炭的长期控磷性能、氮磷协同调控潜力及其与微生物群落和磷循环功能的关系，均有待进一步阐明。

基于上述问题，研究人员采用茶袋封装方式实现MgO改性生物炭的定向布设、回收及潜在再利用，构建沉积物–水模拟系统开展124天长期实验，系统评估其对沉积物界面磷释放控制、氮去除、水环境参数及材料表面性质变化的影响，并利用宏基因组分析考察微生物群落结构和磷循环功能基因组成的变化。

二、主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：其一，MgO/KBC改性生物炭的制备，采用碱活化–金属负载改性方法，以KOH预处理生物质原料后经Mg(Ac)₂溶液浸渍、600 ℃氮气氛围煅烧制得；其二，通过批量吸附实验确定最佳投加量（2.0 g，磷去除率达93.53%），并通过封装材料筛选实验确定食品级无纺布茶袋为最优封装材料；其三，构建沉积物–水界面长期模拟实验系统，实验沉积物和水样采集自河北省邯郸市广府古城护城河，设置空白对照组（BC）和处理组（BT），在BL阶段后仅向BT组投加茶袋封装MgO改性生物炭；其四，采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和BET比表面积分析表征材料形貌、元素组成和孔隙特征；其五，利用宏基因组测序（Illumina NovaSeq平台，PE150策略）结合Kraken2、MEGAHIT、Prodigal等生物信息学工具进行物种注释、基因预测和KEGG功能注释；其六，采用Mantel检验、相关性热图和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进行环境因子、微生物群落与功能组成间的关联分析。

三、研究结果

3.1 环境参数变化与污染物去除性能

124天实验期间，两组水温由约29 ℃逐渐降至约10 ℃，pH维持在弱碱性范围（7.42–8.23）。溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP）的时间动态变化较为明显，BL后BT组DO增幅更大，ORP在两组中均保持负值。材料投加后，BT组总磷（TP）去除效率由第67天的10%持续升至第124天的67%；磷酸盐（PO₄^3?）去除效率由第67天的45%迅速升至后期约88%；氨氮（NH₃-N）去除效率由第67天的30%升至第75天的80%，第102–124天维持在90%以上；总氮（TN）去除效率在第124天达到40%。研究表明，茶袋封装生物炭对磷酸盐和氨氮等可直接被微生物利用的高生物有效性养分的去除能力更强，且TP去除效率持续上升而非快速达峰后衰减，提示其控磷效果不仅源于初始快速吸附，还可能与持续界面固定和后续生物响应有关。

3.2 茶袋生物炭性能表征

氮气吸附–脱附结果表明，材料施用后BET比表面积由47.85 m²/g降至20.18 m²/g（降幅57.8%），Langmuir比表面积由94.72 m²/g降至46.51 m²/g，微孔体积和微孔面积降至检测限以下。SEM观察显示，施用后材料表面出现球形沉积物和不规则聚集体；元素分布分析检测到施用前未观察到的磷元素，且磷在表面广泛分布并呈现局部聚集，同时检测到Al、Mg、Ca元素与磷的共分布。上述结果表明生物炭在长期运行中持续参与界面反应，理化固定是控磷效应的重要基础，持续控磷可能源于表面吸附、金属参与的结合作用及界面沉淀的联合效应。

3.3 微生物群落结构变化与定向演替特征

Alpha多样性分析显示，RF阶段BT组的Chao和Shannon指数低于BC组，而Simpson指数升高，表明处理后群落结构趋于优势化。NMDS分析显示RF阶段两组群落明显分离。门水平上，BT组Pseudomonadota由33.08%降至26.92%，Chloroflexota由14.28%增至25.35%。属水平上，Anaerolinea在BT组由5.71%增至10.08%，Nitrospira由0.72%增至1.06%（增幅47.2%），而BC组中两者增幅有限。Anaerolinea的富集表明生物炭处理对微生物群落产生了定向选择作用，Nitrospira的增殖与氨氮持续下降相一致，提示群落变化可能参与了界面养分迁移转化。

3.4 磷循环功能基因变化及其适应性调整

与对照组相比，生物炭处理后26个磷循环相关功能基因的相对丰度发生显著变化（p < 0.05），其中12个增加、14个减少。磷感知基因（phoR）和转运基因（pstSAB、TC.PIT）相对丰度增加；有机磷利用相关基因（phnN、phnP、phnE、phnD）显著增加；而phoA、phoD、phoN及ugpC、ugpE、ugpB、ugpA呈下降趋势；ppx–gppA下降，ppk1和ppk2增加。功能贡献分析显示，Anaerolinea在多个功能模块中的贡献值增加，Thiobacillus在代谢通路和双组分系统中的贡献值亦增加，而Deltaproteobacteria、Desulfobacca和Nitrospira在部分功能模块中的贡献值下降。上述基因变化表明微生物磷获取与储存的功能潜力得到调整，可能影响磷在水相与微生物生物量之间的分配，并与材料固定共同促进长期控磷。

3.5 环境因子、微生物群落与功能组成的关联分析

Mantel检验显示，ORP与磷代谢功能极显著相关（p < 0.001），DO与磷代谢功能显著相关（0.001 < p < 0.05）。相关性热图显示，BC组中温度与多种优势微生物显著相关，而BT组中这些相关性明显减弱；ORP和磷酸盐与多种优势微生物的显著相关性在BT组中亦减少。PLS-PM分析显示，环境因子对微生物群落特征存在显著负向直接路径（?0.868，p < 0.05），环境因子和微生物群落特征对磷变量（TP和磷酸盐浓度）均存在显著正向直接路径（3.209和1.468，均p < 0.05），氨氮变量对磷变量存在显著负向直接路径（?0.938，p < 0.05）。模型对微生物、功能、氮和磷变量的解释度分别为75.4%、91.3%、83.2%和99.98%，GoF为0.732。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，茶袋封装MgO改性生物炭在沉积物–水界面表现出良好的持续控磷能力和一定的氮磷协同削减潜力。材料表面的沉积物覆盖、孔隙结构占用和磷富集表明理化固定是其长期效应的重要基础。宏基因组结果证实生物炭处理改变了微生物群落结构和磷循环功能潜力，Anaerolinea和Nitrospira的富集以及磷感知、转运和多聚磷酸盐代谢相关基因的变化，为持续控磷和氨氮削减提供了生物学解释线索。PLS-PM分析进一步揭示了环境因子与微生物群落特征之间、以及环境、微生物和氨氮变量与水相磷浓度之间的显著直接路径。

研究结论为：茶袋封装MgO改性生物炭在沉积物–水界面具有较好的持续控磷能力，并具备一定的氮磷协同削减潜力。表面沉积、孔隙结构占用和材料上的磷富集表明理化固定是其长期效应的重要基础。宏基因组结果表明生物炭处理改变了微生物群落结构和磷循环功能潜力。Anaerolinea和Nitrospira的富集，以及磷感知、转运和多聚磷酸盐代谢相关基因的变化，为持续控磷和氨氮削减提供了生物学解释线索。PLS-PM分析进一步显示环境因子与微生物群落特征之间、以及环境、微生物和氨氮变量与水相磷浓度之间存在显著直接路径。从应用角度看，茶袋封装有助于减少材料颗粒损失、提高回收便利性并减少对原位沉积物结构的直接扰动，因此可作为具有应用潜力的沉积物界面修复单元。需要指出的是，本研究基于小规模沉积物–水模拟系统，其水动力条件、底栖扰动和空间异质性弱于实际湖泊或河流，结果更适合指示长期效应趋势和为修复单元设计提供依据，而非直接等同于原位工程性能。