创新利用改性生物炭修复盐碱土壤中的镉污染：结合生物与物理化学方法，探讨其对水田芥（Lepidium sativum）吸收镉的影响

《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》：Innovative use of modified biochar for cadmium remediation in saline soils: Integrating biological and physicochemical strategies with implications for Cd uptake in garden cress ( Lepidium sativum)

镉污染盐渍土壤的修复研究显示，Fe-Mn改性球磨生物炭（FMBC）单用可使可交换镉减少72%，与蚯蚓联用提升25%固定效率，降低芥菜镉吸收79%，风险等级从“非常高”降至“中等”。

　　

作者：Pouria Karimi、Mohammad Rafiee、Mohsen Saadani、Hassan Etesami、Fatemeh Amereh、Ahmadreza Yazdanbakhsh 所属机构：伊朗德黑兰沙希德·贝赫什提医科大学公共卫生与安全学院学生研究委员会

摘要

镉（Cd）在盐碱土壤中的污染对农业生产力和食品安全构成了严重威胁。尽管生物炭和蚯蚓作为单独的修复剂已得到广泛研究，但它们在盐碱条件下的联合效果和作用机制仍不甚明了。本研究评估了球磨生物炭（MBC）和Fe-Mn改性生物炭（FMBC）单独使用以及与蚯蚓**Eisenia fetida**联合使用在两种污染水平（4 mg kg?1和8 mg kg?1）下对镉稳定的效果。使用**Lepidium sativum**（芝麻菜）作为指示植物来评估镉稳定对作物安全性的影响。结果表明，与对照组相比，FMBC将可交换态镉减少了72%，并将稳定的碳酸盐结合态和Fe-Mn氧化物结合态镉增加了64%。FMBC与**E. fetida**联合使用后，镉的固定效率进一步提高了约25%。蚯蚓通过生物扰动和促进微生物活动增加了有机结合态镉的比例，而生物炭则改善了根际的微生物定殖和pH缓冲能力。尽管盐度具有负面影响，但FMBC（2%）有效降低了镉的迁移性，并使植物对镉的吸收减少了79%。风险评估代码（RAC）分析确认，FMBC与蚯蚓联合使用将环境镉风险从“非常高”降低到了“中等”。这些发现突显了将改性生物炭与**E. fetida**结合使用作为一种协同且可持续的策略，以减轻镉的生物可利用性并促进盐碱污染土壤中的作物生产的潜力。

引言

农业土壤中的镉（Cd）污染已成为一个重大的环境和食品安全问题，这归因于镉的持久性、毒性和生物累积潜力（Jiang等人，2024年）。工业活动、采矿、冶炼、过量施用磷酸盐肥料以及废水排放显著提高了土壤中的镉浓度，威胁到了作物生产力和人类健康（Pan等人，2022年；Zhao等人，2022年）。镉的生物可利用性强烈依赖于环境条件，尤其是在盐碱土壤中，物理化学过程会增强其迁移性。土壤pH值、离子强度以及竞争性阳离子（Na?、Ca2?、Mg2?）会影响镉的解吸，而高浓度的氯离子则有利于形成可溶性镉[Cl]复合物（Al Mamun等人，2023年；Zheng等人，2021年）。此外，高盐度可能会抑制微生物活动和有机质分解，从而限制能够固定镉的稳定有机金属复合物的形成。盐胁迫下的氧化还原电位变化也会影响镉在可交换态、氧化物结合态和有机结合态之间的分配（Kubier等人，2019年）。一些地区遭受严重的重金属污染；例如，阿联酋的Liva农业区的镉含量高达8.84 mg kg?1，导致每年约1000万吨的粮食产量损失（Zhang等人，2024年）。鉴于这些挑战，开发经济高效且可持续的修复策略对于降低镉的生物可利用性、限制植物吸收以及防止其进入食物链至关重要。 生物修复方法，如植物修复、微生物修复和蚯蚓辅助修复，通常被视为比传统的物理和化学修复方法更可持续和经济的选择（Shen等人，2023年）。在参与生物修复的生物中，蚯蚓因其在土壤生物修复中的作用而受到广泛关注。例如**Eisenia fetida**通过多种机制（包括挖掘、生物累积、分泌富含腐殖质的粪便和黏液）有助于修复重金属污染的土壤。此外，它们通过改善土壤通气和排水性来增强土壤结构，同时增加微生物活性（Xu等人，2016年）。虽然蚯蚓在通过摄取、生物累积和促进微生物活性方面在镉生物修复中发挥着重要作用，但其效率受到多种限制。高浓度的镉会导致生理压力，影响其生存、繁殖和挖掘活动（Kaur和Hundal，2016年；Parihar等人，2019年），从而降低其修复能力。为了解决这些问题，生物炭（BC）作为一种富含碳且可持续的材料应运而生。其多孔结构和高表面积增强了镉的吸附能力（Alaboudi等人，2019年），固定了金属并降低了其对蚯蚓的毒性。通过降低生物可利用的镉浓度（Wang等人，2020年），生物炭减轻了蚯蚓的压力，使它们能够更有效地发挥作用。此外，生物炭改善了土壤性质（如pH稳定和养分保持），并促进了微生物群落的发展（Lehmann等人，2011年），形成了一个协同系统，其中生物炭的吸附作用和蚯蚓驱动的过程共同提高了受污染土壤中镉的修复效率。此外，生物炭在盐碱土壤中特别有效，它可以改善土壤结构、增强水分保持能力，并减轻盐度和重金属污染对植物的综合影响（Raiesi等人，2020年）。作为蚯蚓的养分来源（蚯蚓会摄取受镉污染的土壤）和高表面积的吸附剂（吸附额外的金属），生物炭似乎能够协同增强受污染土壤中镉的修复效率。 从市政废水处理副产品中提取的污泥衍生生物炭（SSBC）由于其丰富的矿物质含量，已成为稳定重金属和改善土壤健康的高效材料（Lam等人，2020年）。将SSBC应用于受污染土壤已被证明可以显著降低铅（Pb）、铬（Cr）、锰（Mn）、铜（Cu）和锌（Zn）等重金属的生物可利用性和迁移性，从而减轻它们的生态毒性效应并提高整体土壤质量（Wang等人，2019年；Zhou等人，2017年）。然而，未经改性的生物炭对重金属的吸附能力往往无法满足严格的环境标准。因此，提高生物炭对重金属的吸附效率对于推进土壤修复实践至关重要。一种有前景的策略是将化学改性与Fe[Mn]氧化物结合，并通过球磨进行机械活化（Li等人，2024年）。研究表明，这些先进复合材料在去除水溶液中的Cr(VI)和As(V)等污染物方面表现出有效性，展示了它们解决复杂污染问题的潜力（Ai等人，2023年；W. Kong等人，2025年）。 生物炭、球磨生物炭（MBC）和Fe[Mn]氧化物改性球磨生物炭（FMBC）在镉固定方面的卓越效果突显了它们修复严重污染土壤的潜力。MBC主要增强了物理性质，如表面积和孔隙率，而FMBC引入了提供额外化学吸附位点的活性矿物相。这种差异是本研究中比较这两种生物炭类型的依据。此外，富含羟基磷灰石的SSBC通过养分补充提供了镉稳定和提高土壤肥力的双重效益。基于这些进展，我们假设将MBC和FMBC与**E. fetida**结合使用可以通过利用协同的生物和物理化学机制显著提高受污染土壤中镉的固定效率。尽管生物炭和蚯蚓在镉污染土壤中已分别进行了研究，但它们在盐碱胁迫下的联合效果仍大多未被探索。这种综合方法是我们研究的新颖之处，并为盐碱污染农田的食品安全提供了直接相关的见解。然而，**E. fetida**和改性生物炭（球磨与Fe[Mn]氧化物改性）对镉迁移性、植物积累模式以及盐碱胁迫下的修复机制的交互作用仍不甚清楚，尤其是在实际土壤基质中。本研究旨在：（1）量化**E. fetida**、MBC和FMBC在盐度梯度下对镉生物可利用性的综合影响；（2）评估**Lepidium sativum**作为模型物种的镉积累情况；（3）阐明生物炭改良剂在盐碱条件下增强蚯蚓介导的镉修复的作用。通过利用废弃物衍生材料并探索蚯蚓-生物炭相互作用，这项研究提出了一种协同的土壤修复策略，以解决重金属污染、盐碱胁迫和养分流失问题。对Fe[Mn]氧化物改性和球磨优化的关注，为设计经济高效、可扩展的改良剂提供了方向。

土壤采样与分析

在本研究中，使用了未受重金属污染和盐碱影响的土壤。土壤样本采集自伊朗阿尔博兹省德黑兰大学农业场的表层20厘米处。样本在室温下风干后研磨并通过2毫米筛子过滤。根据标准方法（Dane和Topp，2020年；Sparks等人，2020年）分析了土壤特性，并将其分类为物理和化学性质。

生物炭的特性

表1显示了污泥衍生生物炭（SSBC）、球磨生物炭（MBC）和Fe[Mn]氧化物改性球磨生物炭（FMBC）的物理化学性质存在显著差异。总碳含量在生物炭中最高（32.94%），MBC略低（30.75%），FMBC最低（12.28%），这可能是由于在改性过程中加入了Fe[Mn]氧化物（T. Yang等人，2022年）。氢（H）和氮（N）含量也表现出类似的趋势，FMBC的值低于生物炭和MBC。

结论

本研究展示了球磨生物炭（MBC）、Fe[Mn]氧化物改性生物炭（FMBC）和**E. fetida**在修复镉污染盐碱土壤方面的协同潜力。FMBC的表现优于球磨生物炭（MBC），在中等污染水平（4 mg Cd/kg）下降低了生物可利用的镉，并将镉稳定为Fe-Mn结合态和有机态，降低了环境风险。这一点可以从风险评估代码从“非常高”降至“中等”得到证实。然而，高盐度会加剧镉的迁移性...

作者贡献声明

Pouria Karimi：撰写初稿、正式分析、数据管理、概念构思。 Mohammad Rafiee：撰写、审稿与编辑、方法论、概念构思。 Mohsen Saadani：撰写、审稿与编辑。 Hassan Etesami：撰写、审稿与编辑、方法论。 Fatemeh Amereh：撰写初稿、验证、正式分析、数据管理。 Ahmadreza Yazdanbakhsh：撰写、审稿与编辑、资源获取、调查、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙希德·贝赫什提医科大学（项目编号43002987，伦理编号IR.SBMU.PHNS.REC.1401.080）和伊朗国家科学基金会（项目编号4012721）提供的全面支持。本研究是Pouria Karimi博士论文的一部分。语言校正得到了基于AI的工具（包括ChatGPT）的帮助。