《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic Remediation of Cd–PAH Co-Contaminated Soil by Poa pratensis–RI–Peanut Shell Biochar System: Physiological Regulation and Metagenomic Mechanisms
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Jing Dong|Xiaoshen Ren|Siyu Dong|Wenjun Wang|Meiting Chen|Jin Yuan太原理工大学环境与生态学院，中国山西省太原市030024摘要镉（Cd）和多环芳烃（PAHs）的共污染对生态系统构成了严重威胁。植物、微生物和生物炭相
Jing Dong|Xiaoshen Ren|Siyu Dong|Wenjun Wang|Meiting Chen|Jin Yuan
太原理工大学环境与生态学院，中国山西省太原市030024
摘要
镉（Cd）和多环芳烃（PAHs）的共污染对生态系统构成了严重威胁。植物、微生物和生物炭相结合的修复方法是一种有效的治理手段，但其具体作用机制尚不明确。本研究利用Poa pratensis、Rhizophagus intraradices（RI）和花生壳生物炭构建了一个协同修复系统，并通过宏基因组学分析了根际微生物生态机制。结果表明，该系统通过增强抗氧化酶活性和恢复叶绿素含量显著减轻了Poa pratensis的氧化应激。在最佳条件下，Cd和PAH的去除效率分别达到了83.6%和82.0%。宏基因组分析显示，微生物群落的功能从底物降解转向了结构维护，这体现在糖基转移酶的特异性富集上。从机制上看，该系统通过上调phnAd和pcaG基因激活了PAH的降解途径，并通过组成型cadA和诱导型czcA基因实现了Cd的双重排出。这些发现表明，植物–RI–生物炭的协同作用通过根际固定、代谢重组和遗传适应增强了修复效果，使其成为解决复杂土壤污染的可持续策略。
引言
重金属和有机污染物在土壤中的长期共存已成为环境科学领域的一个重大挑战。镉（Cd）是一种高迁移性和毒性的重金属，可被植物吸收并通过食物链进入生态系统和人体，因此对健康构成严重威胁。镉污染已成为土壤重金属风险评估和修复策略的重点问题[1]。多环芳烃（PAHs）是一类高度稳定的有机污染物，在土壤中持续存在，并具有致癌性和生态毒性[2]。在现实环境情况下，工业棕地（尤其是电子废物拆解区、焦化厂和冶金冶炼厂）中，Cd和PAHs的共污染非常普遍[3],[4]。这种复杂的混合物会导致严重的协同毒性，严重破坏当地土壤的微生态平衡。
植物修复被认为是一种经济且环保的污染治理方法，因为植物可以吸收、积累或转化污染物以降低土壤污染水平[5]。然而，在Cd–PAH共污染条件下，植物修复效率往往受到限制。Cd会抑制根系生长和养分吸收，从而抑制植物生长和整体活力[6]。PAHs的疏水性限制了其在土壤中的生物可利用性，降低了植物和土壤微生物的降解能力[7]。Cd诱导产生的活性氧（ROS）会破坏植物的抗氧化防御系统，而PAHs会干扰膜结构和光合作用中心，导致叶绿素含量、生物量和修复能力下降[8]。Cd和PAHs之间的竞争性吸附会降低Cd的生物可利用性，并同时限制微生物对PAHs的降解[9]。
利用植物与根际微生物之间的相互作用被认为是克服严重共污染条件下植物修复挑战的关键途径。丛枝菌根真菌（AMF）与植物根系形成共生关系，从而扩展根系吸收区，改善养分吸收，并提高植物对重金属胁迫的耐受性[10]。AMF可以重塑根际微生物群落结构，间接影响有机污染物的转化，可能增强PAHs的降解[11]。然而，大多数研究集中在单一污染物系统下的AMF机制上，对Cd–PAH共污染条件下的响应了解有限。证据表明，Cd–PAHs的存在显著改变了根际环境和真菌定植特性，导致AMF诱导的生长和解毒作用发生复杂变化。在Cd–PAH共污染的土壤中，AMF可以增加Cd的固定，但其对PAHs的降解作用取决于植物[12]。污染类型、根系特性以及生物炭等调控因素的综合影响会影响AMF的功能，尽管其潜在机制仍不清楚[13]。尽管AMF–生物炭系统在重金属固定方面表现出有效性，但在Cd–PAH共污染条件下的协同机制仍需进一步探索[14]。因此，需要系统研究并定量验证不同植物–AMF组合在Cd和PAH共污染土壤中的差异响应和潜在机制。
然而，仅依靠生物相互作用往往不足以应对极端的环境毒性。因此，引入结构改良剂是必要的。生物炭作为一种常用的土壤改良剂，因其发达的孔结构和丰富的表面功能基团而在污染土壤修复中具有巨大潜力[6],[15]。研究表明，生物炭可以吸附和固定重金属，从而降低其生物可利用性；此外，生物炭还可以改变土壤pH值，进一步减少根际环境中Cd的可用性[16]。生物炭可以吸附有机污染物（包括PAHs），从而限制其迁移性和生物可及性[17]。但在某些条件下，过度吸附可能会抑制微生物对PAHs的降解，降低整体修复效率[18]。除了直接吸附外，生物炭引起的根际物理化学性质变化也可能影响植物和微生物的修复行为[19]。
尽管许多学者研究了植物、AMF和生物炭的单独作用，但在极端Cd–PAH共污染条件下，这三者之间的协同机制仍基本未被探索。为填补这些关键知识空白，本研究构建了一个利用Poa pratensis、丛枝菌根真菌和花生壳生物炭的协同修复系统。我们采用多因素正交实验设计，系统地分离了这些修复材料在不同化合物胁迫梯度下的单独和交互作用。我们假设高孔隙率的生物炭可以提供保护性的结构微环境，而AMF和功能招募的微生物可以促进生化解毒，从而产生“1+1>2”的协同效应。为了定量评估这一现象，我们系统研究了Poa pratensis的生理调节机制。通过这种方法，我们旨在提供强有力的统计证据和深入的宏基因组学见解，揭示该组合系统如何通过动态构建一个有弹性和协同的降解网络来对抗严重共污染。
章节片段
实验材料
实验所用土壤取自中国江苏省无锡市江阴市，属于黄土质地（含15.2%的沙子、63.5%的粉砂和21.3%的粘土）。实验前对土壤的物理化学性质进行了表征，详细数据见表1。为了模拟中等到严重的工业污染情况，设置了特定的Cd（10–40 mg·kg-1）和PAHs（25–100 mg·kg-1）浓度梯度。
三种植物在不同实验条件下的综合表现
Cd和PAH的联合处理显著抑制了所有三种禾本科植物的生长（图1）。在污染条件下，Lolium perenne、Festuca arundinacea和Poa pratensis的地上干重分别减少了42.3%、84.6%和47.1%。Festuca arundinacea的减少幅度最大，表明其对联合污染最为敏感。Lolium perenne仍能保持一定程度的生长，而Poa pratensis
Cd–PAH共胁迫下植物的差异响应及AMF–生物炭的相互作用机制
Cd–PAH共污染显著抑制了所有三种禾本科植物的生长。Festuca arundinacea的生长抑制最为严重。相比之下，Poa pratensis表现出最高的耐受性和最强的菌根响应。这些结果表明Poa pratensis的生长依赖于AMF的共生作用。相反，Festuca arundinacea主要受益于胁迫的缓解。
结论
本研究强调了Poa pratensis、Rhizophagus intraradices和花生壳生物炭的联合应用是修复Cd–PAH共污染土壤的有效策略。结果表明，适量的生物炭添加（2%–3%）不仅显著提高了AMF的定植率，还有效减轻了植物的氧化应激，恢复了叶绿素含量至正常水平。在最佳条件下，该系统实现了高效的污染物去除
资助
本研究得到了山西省科技合作与交流专项计划（项目编号202304041101047）、山西省基础研究计划（项目编号202503021211026）以及哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室开放项目（项目编号ES201808）的支持。
CRediT作者贡献声明
Siyu Dong：数据可视化、验证、数据管理。Jing Dong：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思。Xiaoshen Ren：初稿撰写、数据可视化、形式分析、数据管理。Jin Yuan：监督、形式分析。Wenjun Wang：方法学研究、实验设计。Meiting Chen：监督、形式分析。
利益冲突
本文作者声明没有利益冲突。所有合著者均审阅并同意手稿内容，且无需要披露的财务利益。我们保证本文为原创作品，未接受其他出版物的审稿。
致谢
我们衷心感谢太原理工大学环境与生态学院提供的宝贵支持和资源，这对研究的成功完成至关重要。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
