《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phosphate-solubilizing bacteria-loaded biochar alleviates microplastic–cadmium co-contamination by reshaping the soil phosphorus cycling network
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摘要磷（P）对土壤-植物-微生物相互作用至关重要。然而，重金属和微塑料（HMs–MPs）的日益增多的协同污染严重扰乱了土壤磷循环。尽管基于微生物-生物材料的修复已成为一种环境友好的土壤修复策略，但其在HMs–MPs复合胁迫下的性能仍 largely 未被探索。本研究通过盆栽实
摘要
磷（P）对土壤-植物-微生物相互作用至关重要。然而，重金属和微塑料（HMs–MPs）的日益增多的协同污染严重扰乱了土壤磷循环。尽管基于微生物-生物材料的修复已成为一种环境友好的土壤修复策略，但其在HMs–MPs复合胁迫下的性能仍 largely 未被探索。本研究通过盆栽实验，研究了载有解磷细菌（PSB）的生物炭在聚乙烯（PE）、镉（Cd）及PE–Cd复合污染条件下对根际微生物群落和磷循环的影响。在PE–Cd复合污染条件下，PSB负载生物炭显著提高了植物生物量，降低了植物组织中镉浓度，改善了土壤理化性质，并通过增加总磷、活性磷和中等活性磷组分提高了磷的有效性。宏基因组分析表明，PSB负载生物炭重塑了根际微生物群落，富集了磷循环相关类群，并增加了污染条件下磷循环基因的丰度。在六大主要磷循环途径中，Gaiella与聚磷酸合成和有机磷矿化密切相关，而Sphingomicrobium、Sphingomonas和Luteitalea则与聚磷酸降解和磷转运正相关。Spearman相关分析表明，磷循环功能基因与优势细菌属之间存在协同响应，二者与土壤养分和作物生物量均呈正相关，但与镉污染指标呈负相关。Mantel检验进一步揭示了关键细菌属（Gaiella和Nocardioides）与土壤磷库之间的显著关联，表明这些类群协同调控土壤修复和作物生长。总体而言，PSB负载生物炭通过增强磷循环和重塑根际微生物组有效缓解了PE–Cd复合污染的不利影响，为微塑料-重金属复合污染土壤的修复提供了一种有前景的策略。
引言
集约化工业活动和人为实践，包括工业废弃物的不当处置、农膜的广泛使用[1]以及废水灌溉，已导致重金属（HMs）和微塑料（MPs）对农业土壤的广泛复合污染。镉（Cd）是农业土壤中最具毒性且分布最广的污染物之一，可在植物组织中积累，降低作物产量，并通过土壤-植物-人体途径进入食物链，最终对人类健康构成严重威胁[2]，[3]，[4]，[5]。MPs被定义为粒径在0.1 μm至5 mm之间的塑料颗粒，已成为一类重要的土壤污染物[6]。由于其持久性和较大的比表面积，MPs极易吸附重金属，从而改变其环境行为和生物可利用性。Roy等人[7]报道，聚乙烯微塑料增加了镉的吸收，同时降低了植物生物量、种子发芽率和胁迫耐受性。在农业土壤中，HMs和MPs的共存日益普遍。它们的协同作用进一步加剧了磷（P）缺乏，通过扰乱土壤磷循环对土壤修复和生态系统恢复提出了额外挑战。
土壤养分循环是植物生产力和生态系统功能的基础。在各种养分循环中，磷循环尤为重要，因为磷对于核酸合成、能量代谢和信号转导不可或缺。土壤磷的转化和生物有效性在很大程度上决定了土壤肥力、作物产量和环境可持续性[8]。尽管土壤通常含有丰富的磷，但大部分以不可溶形式存在，植物无法利用[9]，[10]。全球约40%的农田受磷缺乏影响，严重限制了作物产量。土壤磷的有效性主要取决于其含量、化学形态和转化过程。镉污染直接损害土壤微生物活性，通过改变土壤理化性质和抑制解磷微生物而扰乱磷循环[11]。微塑料进一步通过改变土壤结构、养分动态和微生物群落组成来干扰磷周转[12]，[13]，[14]。MPs与HMs之间的相互作用通过吸附过程发生，导致金属运输、形态和生物可利用性的变化[15]，[16]，[17]。这些相互作用通过抑制有机磷矿化基因（如phoD、phoN和phnX）、改变土壤理化性质和重塑微生物群落组成而协同抑制土壤磷循环，同时镉对解磷微生物产生毒性[18]，[19]，[20]。因此，磷周转受到抑制，导致污染土壤中磷限制加剧。然而，在PE–Cd复合污染下，磷循环基因、微生物群落和磷组分之间的综合响应仍知之甚少。
解磷细菌（PSB）是土壤微生物群落中的关键功能类群，能够将稳定磷形态转化为植物可利用形态，从而提高磷的有效性并增强磷循环效率。因此，PSB被广泛用于生物肥料开发以缓解土壤磷缺乏[21]，[22]，[23]。然而，当PSB引入自然土壤时，常面临环境胁迫、存活时间短和活性快速丧失等挑战。为应对这些挑战，微生物固定化技术应运而生，该技术可减少重金属毒性并提供物理保护，从而延长外源微生物在污染土壤中的存活时间并维持其长期活性[24]。在各种固定化载体中，生物炭因其高度多孔结构、强吸附能力和优异的阳离子交换性能而备受关注。生物炭可以吸附和结合微塑料和重金属，降低其毒性和生物可利用性[25]，[26]，[27]，同时改善土壤性质，促进可溶性磷释放，并影响土壤微生物群落的结构和功能[28]，[29]。微生物与生物炭的联合使用表现出协同效应，加速微生物代谢，提高养分循环效率，并减少植物对重金属的吸收[30]，[31]。当使用具有特定功能的微生物菌株时，这种协同效应尤为显著[32]。尽管近期研究已探索了生物炭-PSB组合在重金属固定中的应用[33]，[34]，[35]，但聚乙烯（PE）微塑料–镉复合污染对土壤磷循环网络的具体影响，特别是功能基因、微生物群落和磷组分的综合调控，仍 largely 未被探索。此外，PSB负载生物炭能否有效重塑这些网络以缓解复合胁迫仍不明确。
为填补这些知识空白，本研究评估了PSB负载生物炭在PE–Cd复合污染条件下的修复潜力。我们假设：(i) 生物炭作为保护性微生态位，在复合胁迫下增强PSB的定殖和代谢活性；(ii) 生物炭负载PSB重塑根际微生物组并增加磷循环功能基因的丰度，从而增强磷循环潜力；(iii) 这些综合改变共同降低镉的生物可利用性并促进植物生长。基于这些假设，本研究旨在：(i) 评估在单一污染物和PE–Cd复合污染条件下，单独使用生物炭对土壤理化性质、镉有效性和作物生长的总体缓解效果；(ii) 阐明生物炭是否以及如何通过为PSB创造保护性微生态位来促进磷的动员和形态转化；(iii) 确定PSB负载生物炭如何改变根际群落-基因网络以缓解复合胁迫并促进作物生长。
章节片段
实验材料
本研究使用高粱品种金都铁根100号。选取大小均匀、种皮完整且籽粒饱满的种子进行实验。使用粒径为48 μm的聚乙烯（PE）微塑料。盆栽实验所用土壤采集自南阳师范学院西校区（32°59′47″N, 112°30′50″E）的石榴园，深度为0-20 cm。去除植物残体和石块后，土壤经风干、混匀并过
PSB负载生物炭的表征
SEM图像显示，生物炭具有高度多孔的表面，为细菌定殖提供了丰富的附着位点（图1A）。SEM观察证实，两种Acinetobacter菌株（P1和P2）已成功固定在生物炭表面。细菌细胞分布在生物炭的外表面和孔结构内部。杆状细菌细胞（约1.0–1.5 × 1.5–2.5 μm）可明显与周围生物炭基质区分。
PSB负载生物炭缓解PE–Cd胁迫的机制
微塑料和重金属在土壤中的共存可严重扰乱养分循环，增强植物中重金属的生物积累，并加剧植物毒性，从而对植物生长产生协同抑制效应[16]，[36]，[37]。在本研究中，单一镉污染、单一PE污染和PE–Cd复合污染显著抑制了高粱地上和地下部分的长度、生物量以及土壤AP、AK和TK含量，其中抑制效应最强
结论
总之，PSB负载生物炭在PE微塑料和镉复合污染土壤中表现出强大的修复潜力。所提出的调控框架包含三个相互关联的方面：根际群落重塑和磷循环功能潜力增强、磷形态转化和生物有效性提高、以及复合污染胁迫缓解和作物生长促进。具体而言，生物炭载体富集了耐污
CRediT作者贡献声明
刘玲：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，监督，软件，方法学，形式分析，概念构思。陈兆金：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，验证，项目管理，资金获取，概念构思。王梦：写作 – 原稿撰写，软件，方法学，调查研究，数据整理。陈燕：写作 – 原稿撰写，软件，方法学，调查研究，形式分析，数据整理。孟岳良：
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（项目编号U2004145）、河南省自然科学基金（项目编号252300421841和252300423268）以及河南省重点研发项目（项目编号221111520600和231111113000）的资助。
利益冲突
作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益关系可能影响本文所报告的工作。
王梦|陈燕|孟岳良|高珊珊|B. Larry Li|李宇英|任学敏|韩辉|刘玲|陈兆金
南阳师范学院水利资源与现代农业学院，河南南阳473061，中国
