富含腐殖质且经过铁改性的生物炭，能够在其中定殖硫酸盐还原菌，从而有效固定镉元素，并重塑土壤微生物群落结构

《Sustainable Materials and Technologies》：Humic-coupled iron-modified biochar carrying sulfate-reducing bacteria enhances cadmium stabilization and reshapes soil microbial communities

　　

摘要

镉（Cd²⁺）在农业土壤中的污染对环境构成了严重威胁，因为其具有高流动性、易被作物吸收的特性以及在食物链中的传播风险。尽管硫酸盐还原菌（SRB）可以通过硫化物沉淀作用固定Cd²⁺，但它们在受污染土壤中的应用往往受到金属毒性的限制。为了克服这一难题，本研究将生物源腐殖质与改性生物炭结合，开发出一种固定的微生物复合材料。该复合材料表现出40.7 mg g^?1的Cd²⁺吸附能力，并且在水溶液中Cd²⁺浓度高达600 mg L^?1时仍能保持超过50%的去除效率。在处理受镉污染的农业土壤过程中，含有SRB的腐殖质结合铁改性生物炭使镉含量减少了78.3%，从1.21 mg kg^?1降至0.22 mg kg^?1，同时土壤pH值从5.4升高到7.2。光谱学和微生物学证据表明，铁介导的吸附作用可以缓解镉的毒性，而腐殖质则促进了微生物活性，从而实现了持续的硫酸盐还原和镉硫化物的沉淀。微生物分析还显示，微生物群落的均匀性更高，硫循环类群（如Desulfobacterota）得到富集，并且与土壤pH值及可提取镉浓度梯度的共现模式发生了变化。总体而言，铁改性生物炭和腐殖质作为矿物-有机载体，增强了镉的稳定性和重塑了土壤微生物群落结构，尽管仍需开展田间规模验证及吸附与硫化物沉淀过程的定量分离研究。这一系统可能为开发用于镉污染土壤修复的集成微生物-材料方法提供有益的基础。

引言

采矿区附近的农业土壤中镉（Cd²⁺）污染引起了特别关注，因为Cd²⁺具有高流动性、持久性，并且容易被作物吸收[6]。进入可食用植物组织后，Cd²⁺可能沿着食物链积累，威胁农业安全和人类健康[55]。在受采矿影响和集约化耕作的地区，镉污染常常伴随着更广泛的土壤退化过程，从而增加了生态风险并使修复工作更加复杂[50]。传统的修复策略（如土壤置换、清洗和热脱附）往往受到高运营成本、土壤结构破坏以及二次污染风险的阻碍[33]。化学固定方法虽然也能降低金属的流动性，但其长期稳定性和对土壤理化性质的不良影响可能限制其效果[28]。因此，人们越来越关注既能固定镉²⁺又能更好地保护土壤结构和生态功能的修复策略。

微生物介导的固定方法成为一种有前景的替代方案，因为微生物可以通过生物吸附、络合和生物矿化等过程将溶解态金属转化为更难移动的形式[11][36]。其中，硫酸盐还原菌（SRB）因能够将可溶性金属离子沉淀为稳定的硫化物矿物（如CdS）而受到关注[18]。然而，在高污染水平下，SRB的实用性往往受到金属毒性的限制[31]。因此，提高SRB在金属胁迫下的生存能力和功能稳定性是实现有效微生物修复的关键步骤。

为了解决这些限制，最近的研究探索了将微生物代谢与工程材料的吸附能力结合的微生物-材料复合系统[24][26]。在这种混合系统中，初始的快速金属去除主要归因于表面吸附或络合作用，而持续的去除则更可能与微生物激活和矿物转化相关[34]。生物炭因其多孔结构、大的表面积和丰富的功能基团而被广泛用作微生物载体，这些基团可以吸附污染物并提供微生物栖息地[14][27][29]。然而，原始生物炭的吸附能力有限且针对性反应不足，限制了其性能[7][9]。因此，人们越来越多地探索多组分有机-无机载体来增强金属结合能力、表面反应性和环境兼容性。其中，铁改性可以引入FeO功能基团和活性矿物相，从而提高生物炭对重金属的亲和力[23][30][37][41]。有机改良剂（如腐殖质）可以进一步修饰载体界面，其羧基和酚羟基可以与含铁表面配位，为Cd²⁺的络合提供额外位点[51]。这些物质还可以提供有机营养物质，支持微生物在金属胁迫下的持续存活[44]。然而，载有待荷微生物的改性生物炭复合材料的长期稳定性和金属胁迫引起的微生物抑制作用仍然有限[15][35]。因此，开发同时增强金属稳定性和微生物抗性的集成系统仍然是一个关键挑战。

与主要强调吸附增强或微生物附着的传统生物炭-微生物固定策略不同，本系统旨在利用腐殖质建立矿物-有机-微生物界面，将物理化学吸附与微生物驱动的硫化物矿化过程结合在一个统一的界面系统中。在这种界面中，铁改性生物炭用于增强镉的吸附并减轻相关压力，而腐殖质则为微生物的持续存在和活性创造了有利环境。此外，还评估了处理过程对土壤微生物群落结构的影响。该研究还试图提供基于动力学的初步操作估计，以量化吸附相关过程和硫化物相关过程对可提取镉去除的相对贡献。这项研究为设计旨在提高可提取镉稳定性的集成微生物-材料系统提供了新的证据，同时考虑了土壤修复中的微生物生态响应。

章节摘录

土壤采样与特性

从中国清远市（113.04°E, 23.7°N）一座金矿附近的农田0–20 cm耕作层采集了重金属污染的土壤[42]。这片农田由于长期采矿活动导致的严重镉污染而被废弃。使用前，土壤经过空气干燥、均质化并通过2毫米筛网筛选。土壤的基本理化性质包括pH值、有机质含量、电导率、可提取镉和硫酸盐含量等

硫酸盐还原菌的分离与鉴定

基于16S rRNA基因测序和系统发育分析，菌株SW10被鉴定为Desulfovibrio属成员。Desulfovibrio fructosivorans（LT220509.1）与SW10的核苷酸相似度为99.7%（图S3），因此该菌株被命名为D. fructosivorans SW10，并用于后续的固定实验（图S3）。16S rRNA基因序列已存入NCBI GenBank

镉固定的耦合物理化学-生物机制

基于生物炭的材料与SRB的结合在镉去除和增强微生物活性方面显示出显著效果[39][56]。结果共同表明，FeCl₃@BC-HS-SW10系统中的镉固定是由物理化学-生物耦合途径控制的，而不仅仅是吸附作用。FeCl₃@BC-HS-SW10的更强性能表明，铁改性、腐殖质和SRB在镉固定过程中发挥了互补作用。

结论

本研究表明，FeCl₃@BC-HS-SW10复合材料在水溶液系统和实验室土壤培养中增强了镉的固定效果。铁改性提供了反应性吸附位点，而腐殖质基质在镉胁迫下支持了微生物的持续存在。光谱分析表明形成了更难移动的含镉相，包括硫化物相、碳酸盐相和氧化物相。该复合材料还重塑了镉胁迫下的土壤微生物群落结构。

张光明：撰写——原始稿件、研究、数据管理。杨勇：撰写——审稿与编辑、方法论。赵彦红：撰写——审稿与编辑、方法论。吕旭：方法论、研究。赵凯瑞：方法论、数据管理。宫珏：撰写——审稿与编辑、方法论。范玉琪：撰写——审稿与编辑、方法论。丛欣：方法论、数据管理。孙艳梅：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、数据管理。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号31770152和32170114）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-YBMS-189和s-JC-YB-214）的支持。

张光明|杨勇|赵彦红|吕旭|赵凯瑞|宫珏|范玉琪|丛欣|孙艳梅|王世伟

中国西北大学生命科学学院资源生物学与生物技术重点实验室，教育部重点实验室，中国陕西省西安市太白北路229号，710069