《Cleaner Materials》：Biochar derived from maricultural solid waste: an innovative strategy to sustainably mitigate sulfamethoxazole and antibiotic resistance genes pollution in saline-alkali soil
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摘要：盐碱土中抗生素及抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的累积不仅对人类健康构成潜在威胁，还进一步阻碍此类土壤的修复。鉴于盐碱土的严苛条件可能限制常规ARG削减方法，开发有效的策略（如生物炭(biochar)）
摘要：盐碱土中抗生素及抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的累积不仅对人类健康构成潜在威胁，还进一步阻碍此类土壤的修复。鉴于盐碱土的严苛条件可能限制常规ARG削减方法，开发有效的策略（如生物炭(biochar)）以缓解ARG污染势在必行。本研究将海水养殖固体废物在700 °C热解制备生物炭(BC700)，并分别采用H?PO?(Biochar-P)、KOH(Biochar-K)及FeCl?+MgCl?(Biochar-Fe)对其进行改性。在盐碱土90天培养试验中，相较于对照组(CK)，BC-Fe处理使磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole, SMX)去除率提高了41.58–133.04%；第60天时ARG相对丰度降幅最大，较CK降低80.7%。研究进一步表明，生物炭降低了可移动遗传元件(mobile genetic elements, MGEs)丰度，提示水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)相关指标水平下降，而SMX浓度的降低可能缓解了抗生素选择压力。此外，BC700及其改性生物炭降低了与ARG丰度潜在相关的微生物类群（门水平上的拟杆菌门Bacteroidota及属水平上的Turicibacter）的丰度。在生物炭–碱蓬(Suaeda salsa)–盐碱土体系中，Biochar-Fe降低了碱蓬叶片中ARGs丰度并促进植物生长。结果表明BC700及其改性生物炭特别是Biochar-Fe在盐碱土SMX去除及ARG削减方面的潜力，并为衰减过程提供了可能的机理解释。该研究也为海水养殖固体废物资源化及抗生素污染盐碱土植物建植支持提供了潜在策略。
论文解读：海水养殖固体废物衍生改性生物炭对盐碱土中磺胺甲恶唑及抗生素抗性基因的协同削减作用
研究背景与意义
全球土壤因废水排放及废弃物处置不当日益受到抗生素污染，其中磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole, SMX)作为常用磺胺类抗生素在农业及畜禽受影响环境中备受关注。盐碱土分布广泛但环境苛刻（高盐、高碱、高离子强度），常规微生物修复受抑、化学氧化受基质干扰、有机肥改良可能引入ARGs，且植物修复受残留抗生素抑制。ARGs可通过可移动遗传元件(mobile genetic elements, MGEs；如整合酶基因intI1、结合转座子Tn916/1545)介导水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)扩散，使其成为新兴污染物。因此亟需适用于盐碱条件的钝化/削减材料。前期研究表明700 °C热解的海水养殖固体废物生物炭(biochar, BC700)可改良盐碱土并有SMX吸附倾向，但其对盐碱土中SMX去除与ARG削减的协同效应及改性强化效果尚不明晰。本文由Zhang Xiangyu等发表于《Cleaner Materials》，探究BC700及其H?PO?、KOH及FeCl?+MgCl?改性产物在盐碱土中对SMX去除、ARGs/MGEs削减、微生物群落重构的影响，并建立生物炭–碱蓬(Suaeda salsa)–盐碱土体系评估植物生长与植株ARG负荷。
主要关键技术方法
采集山东东营猪场表层(0–20 cm)背景SMX污染的盐碱土(pH≈9.04，盐度≈5.3‰，初始SMX≈17.94 mg/kg)。海水养殖固体废物700 °C限氧热解制BC700；分别用14% H?PO?、15% KOH浸泡及FeCl?+MgCl?共浸渍–老化–洗涤–干燥制得Biochar-P、Biochar-K、Biochar-Fe。土壤培养试验设CK、BC700、Biochar-K、Biochar-P、Biochar-Fe、UHP(尿素过氧化氢)、BUHP七组，生物炭/UHP添加量3% w/w，四重复，60%饱和持水量培养90天，定期采样测SMX浓度(高效液相色谱HPLC)、第60/90天测ARGs(sul1、sul2)与MGEs(intI1、Tn916/1545)相对丰度(qPCR归一化至16S rRNA)、土壤理化及细菌16S rRNA基因V3–V4区高通量测序。另设碱蓬–盐碱土盆栽(Plants-CK/BC700/Biochar-K/Biochar-P/Biochar-Fe)，播S. salsa种子，60天测植物生长指标、土壤SMX及植株叶片ARG/MGE丰度(叶片表面消毒后DNA提取)。生物炭表征含比表面积(BET)、元素分析、pH、盐度、FTIR、SEM。
研究结果
3.1. Biochar characterization and adsorption-related properties（生物炭表征与吸附相关性质）
改性显著改变BC700物化性质：pH为Biochar-K > BC700 > Biochar-Fe > Biochar-P；Biochar-Fe具最高H/C、O/C、(O+N)/C，提示Fe/Mg共浸渍引入富氧/羟基组分提高极性；Biochar-K最低。比表面积由BC700的36.2 m2/g增至Biochar-K 50.6、Biochar-P 68.1、Biochar-Fe 62.6 m2/g，平均孔径变窄(BC700 13.5 nm→改性6.27–11.5 nm)；FTIR示含氧官能团保留但–OH峰强变化，SEM于Biochar-Fe见球状Fe/Mg沉积颗粒，为增强SMX吸附提供物理化学基础。
3.2. SMX removal in saline-alkali soil（盐碱土中SMX去除）
与CK比，各生物炭组SMX去除率提升22.06–133.04%(BC-Fe最优)，前7天快速降后趋稳；BUHP(Mg–Fe生物炭+UHP)较BC-Fe再微增0.3–28.1%，归因于Mg–Fe生物炭活化UHP产活性氧促进SMX衰减。SMX浓度降低可缓解其选择压力从而辅助ARG削减。
3.3. Attenuation of ARGs and MGEs in biochar-amended saline-alkali soil（生物炭改良盐碱土中ARGs与MGEs衰减）
第60天CK总ARG相对丰度8.48×10?1 copies/16S rRNA，BC700降87.3%、BC-Fe降80.7%、BC-K降59.6%、BC-P降47.5%；第90天趋势相似且整体更低。sul1普遍高于sul2且与intI1正相关。BC700与Biochar-Fe第60天显著降低intI1相对丰度(分别降58.1%、33.8%)，第90天除BUHP外均降intI1及Tn916/1545。BC-K、UHP、BUHP第60天intI1升高但ARG仍降，说明ARG削减不完全依赖MGE下调，还与SMX选择压降低及ARG宿主菌减少有关。土壤有效钾与ARGs/MGEs呈强负相关，暗示K?利于微生物离子稳态削弱耐盐ARG宿主优势；NH??-N、有效磷、有机碳与intI1及MGEs正相关。生物炭本身未检出ARGs/活菌，高温热解消除有机废物源污染风险。
3.4. Effects of biochar on the microbial community structure of saline-alkali soil（生物炭对盐碱土微生物群落结构影响）
第90天BC-Fe与BUHP提升Chao1及Shannon指数。变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、盐杆菌门(Halobacterota)为优势门；生物炭处理第90天Bacteroidota全降，所有处理降低与ARG潜在相关的Turicibacter属丰度。RDA显示Firmicutes、Bacteroidota等与总ARGs/MGEs正相关；共现网络鉴定Halogranum、Sedimentibacter、Romboutsia、Bryobacter、Sulfurovum等为正相关ARG/MGE类群。表明生物炭通过压制ARG关联菌及部分MGE指标促ARG衰减。
3.5. Removal of SMX and ARGs in biochar–Suaeda salsa–saline-alkali soil systems（生物炭–碱蓬–盐碱土体系中SMX去除与ARGs变化）
3.5.1 BC700、Biochar-K、Biochar-Fe显著提高S. salsa发芽率、鲜重及叶绿素(a/b/总量分别升约122%/120%/122%、62%/34%/54%、120%/134%/124%)，Biochar-P抑制生长(低pH及离子组成不利萌发)。
3.5.2 含植物体系中各生物炭组SMX去除率提升约19–868%，Plants-Fe第7–60天最优，与Biochar-Fe改pH及含Fe/Mg组分有关；S. salsa组织未检出SMX，提示植物吸收非主导途径，生物炭吸附减生物有效性+根际促降解微生物为主因。
3.5.3 Plants-CK叶片总ARG相对丰度3.61×10?2 copies/16S rRNA；Plants-Fe、Plants-BC、Plants-P、Plants-K分别降86.84%、61.50%、64.20%、56.60%；sul1与sul2及各MGEs(intI1、Tn916/1545)均显著下调，尤以Biochar-Fe效果最强(sul1降94.80%)。
讨论与结论翻译
BC700及其改性生物炭（尤其是Biochar-Fe）具双重效益：有效降低盐碱土SMX浓度及ARG丰度，同时促进碱蓬(Suaeda salsa)生长并降低植株叶片ARG丰度。BC-Fe组90天培养SMX去除率较CK提高41.58–133.04%。ARG削减可能关联：(1)生物炭降低土壤SMX浓度缓解选择压力；(2)降低MGEs(intI1与Tn916/1545)丰度，提示HGT相关指标下降、ARG传播潜能降低；(3)降低与ARG丰度潜在相关的Turicibacter属等微生物类群相对丰度。生物炭–S. salsa–盐碱土体系中，Plants-Fe显著提升S. salsa发芽率、鲜重及叶绿素含量，并降低植株叶片ARG丰度，表明其与碱蓬–盐碱土体系具良好短期兼容性。本研究通过将海水养殖固体废物转化为生物炭这一清洁材料实现废物高值化，为复杂盐碱土环境中磺胺甲恶唑及抗生素抗性基因污染削减提供了可行技术策略。
