生物炭–植物修复–微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）集成框架：面向重金属污染土壤修复、碳封存与低碳地基固化

《Science of The Total Environment》：Integrated biochar–phytoremediation–Microbially induced calcite precipitation (MICP) framework for heavy metal contaminated soil remediation, carbon sequestration, and low-carbon ground stabilisation

　　

# 生物炭-植物-MICP一体化框架用于铅污染土壤修复

**核心成果**
- 构建了生物炭-植物-MICP一体化铅污染土壤修复框架
- 在田间条件下实现生物可利用铅降低78%
- 处理后交换态铅组分降低81%
- 显著改善土壤有机质和微生物多样性
- 实现碳封存与土壤可持续修复

## 引言

重金属土壤污染已成为21世纪最紧迫的环境与公共卫生挑战之一，尤其在快速工业化地区。磷肥、污水污泥、城市及电子废物倾倒、采矿与冶炼活动、鞣革废水、电池回收及粉煤灰沉降的持续输入，导致铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、铬（Cr）、砷（As）和汞（Hg）等有毒金属广泛富集。与有机污染物不同，重金属不可降解，可在土壤中存在数百年至数千年，且具有强烈的生物富集和食物链传递倾向。

仅印度一国，连续的环境状态报告已识别出超过320个严重污染场地，数千万公顷农田显示一种或多种有毒金属的可测量富集。重金属不可降解，其在土壤中的地质停留时间从镉的约740年到铅的超过5900年不等，且通过食物链传递迅速积累（Chen等，2023a）。

传统修复方法存在已充分记录的局限性。开挖后填埋破坏了土壤剖面，仅将问题横向转移，典型成本为每公顷150–500美元。用强酸或螯合剂如EDTA进行土壤淋洗会产生大量二次废水，消耗必需养分并破坏原生微生物组。水泥基固化使基质在农学上"死亡"，每吨波特兰水泥释放约0.9吨CO?。熔融处理需要1400–2000°C的熔融温度，成本为每公顷400–870美元。电动力学修复在异质基质中受pH梯度积累和电极极化影响（Song等，2022）。

在此背景下，三种生物技术在近十年内引起了高度关注：（i）生物炭改良，热解农业残余物通过表面络合、离子交换、π-阳离子相互作用和表面沉淀固定金属阳离子（Huang等，2025）；（ii）植物修复，利用芥菜、蜈蚣草、景天科植物和向日葵等超富集植物将金属提取至可收获的生物质中（Bakshi和Singh，2023；Goyal等，2020）；（iii）微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP），脲酶产生菌如普通芽孢杆菌水解尿素，产生碳酸根离子并在土壤孔隙中沉淀碳酸钙，将重金属共沉淀为白铅矿、钙钼矿和其他离散碳酸盐相（Zhuang等，2025；Taharia等，2024；Sharma等，2022）。

然而，每种策略单独应用时均有固有缺陷。生物炭在持续金属负载下会饱和，在酸性事件中可能重新浸出，且无法提取超过其吸附能力的金属。植物提取速度慢：单次60至90天的芥菜周期通常仅去除土壤总铅的0.5–1.5%，需要多年持续作业，且在超过一定阈值时受植物毒性限制（Maceiras等，2024）。单独应用MICP对较高初始金属浓度敏感（镉最低抑制浓度=0.5 mM；铅MIC=40 mM），产生大量氨态氮，且在粗质土壤中碳酸钙分布不均，留下通道流捷径（Wang等，2023；Hu等，2024）。

因此，近年综述呼吁整合三元或四元系统，利用生物炭、超富集植物和尿素分解微生物的跨阶段互补性（Chen等，2023b；Rajasekar等，2025）。三种植物-微生物-生物炭系统已在石油污染土壤中得到验证，万寿菊、以芽孢杆菌为主的微生物制剂和玉米秸秆生物炭联合应用，在90天的盆栽试验中实现了76.6%的总石油烃降解，而自然衰减仅为37.5%（Fang等，2024）。然而，重金属修复的机理要求是质变而非量变，设计原理不可简单迁移。

四种关键差异如下。**第一，最终归宿：** 烃类可降解，烃类系统中每个组分都贡献于同一终端过程——矿化，污染物最终离开系统；金属是守恒的，金属系统只能通过收获的生物质输出金属，或改变剩余金属的地球化学形态。**第二，各组分的角色反转：** 在烃类系统中，生物炭吸附是一个瞬态持留步骤，将底物浓缩在降解菌栖息地附近，过度吸附反而有害，因为它抑制了生物可及性；在金属系统中，吸附本身是产出物，更强的吸附改善效果。在烃类系统中，植物通过根际降解而非吸收发挥作用，而在金属系统中，吸收至可收获组织才是去除机制。最显著的是，烃类降解菌是分解代谢的，利用污染物作为碳源和能源，污染物驱动微生物活性；而普通芽孢杆菌无法从Pb2?或Cd2?中获取能量，它们作为尿素驱动碳酸盐反应的"乘客"被共沉淀，且在高浓度时抑制该菌。因此，在金属系统中，阶段排序是必要的，因为生物阶段必须免受污染物影响，而非优化由污染物驱动的过程。**第三，速率限制约束不同：** 烃类系统受传质和降解动力学控制，而本系统第一阶段受吸附剂Langmuir单层容量控制，第二阶段受转运体动力学和生物量产量控制，第三阶段受碳酸盐饱和指数相对于目标相溶度积的控制。**第四，烃类降解不可逆，完全由降解百分比描述，而金属固定化在酸化、氧化还原变化、螯合剂输入或吸附剂老化条件下可逆；因此性能必须从两个维度评估——输出质量与残留物的地球化学分布。这就是本研究采用的验收标准将BCR组分迁移阈值与TCLP浸出阈值相结合，而非单一效率指标的原因。烃类研究无需顺序提取，因为没有残留污染物池可供分级。**

然而，据我们所知，尚无已发表研究将生物炭改良、芥菜植物提取和普通芽孢杆菌介导的MICP系统顺序耦合为单一原位工作流程，并进行全尺度田间验证、随机区组设计下的严格协同分析，以及通过吸附等温线、BCR顺序提取、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和16S rRNA高通量扩增子测序进行的互补机理剖析（Zhao等，2024；Rauret等，1999；Pagnucco等，2023）。

三个具体空白推动本研究：第一，尽管两两整合（生物炭+植物、生物炭+微生物、植物+微生物）已有验证，但在重金属文献中，完整的三元组合尚无先例；少数现有三元系统研究针对的是石油烃而非不可降解金属。第二，尚无已发表的生物炭-植物修复-MICP系统与正式可加性零假设进行过比较，因此不清楚这种组合是否优于各组分独立作用于同一金属池的效果。第三，几乎所有已发表的生物修复证据来自温室盆栽或实验室柱实验；在0.4公顷尺度、持续12周、完整BCR、TCLP、16S rRNA和XRD/FTIR闭合的田间规模证据仍属缺失（Mahar等，2016；Fang等，2024；Raymond等，2025；S?rmo等，2024）。

本工作同时应对这些空白。新颖性体现在：（i）精心设计的平衡间歇期的三阶段编排顺序；（ii）在随机完整区组8处理田间试验中证明，一体化处理超过Bliss独立性预期12.3个百分点；（i）同时达到TCLP可浸出铅、BCR组分迁移和微生物多样性恢复的验收标准；（iv）将碳封存协同效益（16–36 t CO?-eq ha?1）纳入技术经济平衡；（v）闭环循环体现——收获的含金属植物生物质本身经热解后作为下一处理周期的原料循环使用。

在此框架下，本研究追求五个相互关联的目标：（i）制定整合B-P-MICP工作流程，明确每阶段的操作窗口；（ii）通过Langmuir/Freundlich等温线和准二级动力学表征稻壳生物炭吸附剂；（iii）在铅污染工业土壤和多金属采矿土壤上进行田间规模验证；（iv）通过随机区组ANOVA和Tukey HSD检验，证明三元组合具有统计学和定量协同性；（v）评估该框架的法规合规性、技术经济可行性和碳协同效益。

图1展示了框架的总体架构。每个阶段提供互补的作用模式：第一阶段为吸附主导的固定化，第二阶段为生物提取和去除，第三阶段为生物矿化驱动的包裹固化。处理后验证基于电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，遵循USEPA 6020B标准）、BCR顺序提取（Rauret等，1999）和毒性特征浸出程序（TCLP，遵循USEPA 1311标准）。本研究采用的验收标准为：TCLP-Pb降低≥70%，BCR F1向F4重新分配≥50%，微生物Shannon H′恢复至0.7以上。

三阶段顺序不可互换。生物炭必须先于播种，因为正是它将活性铅和根际pH带入芥菜能够在含1840 mg kg?1总铅的土壤上定植的范围内；植物提取必须先于MICP，因为它将残余活性金属池拉低到普通芽孢杆菌的耐受范围，且收获后残留的腐殖化根道为胶结溶液的渗透提供了通道；MICP必须最后执行，因为早期沉淀的碳酸钙既会阻碍根系穿透，又会占据胶结溶液需要通过的孔隙体积。同时应用还将第二阶段根际酸化与第三阶段碱性氨化直接对立。然而，我们注意到，本随机区组设计将顺序三元处理与其两两子集进行比较，而非与同时或随机混合的三元处理进行比较；顺序效应的直接实验检验仍有待开展。

## 场地描述与基线表征

主要田间选址位于印度马哈拉施特拉邦拉图一个已停用的铅酸电池回收厂的0.4公顷地块。基线表征显示总铅为1840 ± 95 mg kg?1（约为CPCB咨询阈值250 mg kg?1的7.4倍），CaCl?可提取（操作性定义为生物可利用）铅为142 ± 11 mg kg?1，土壤pH 6.4，阳离子交换量（CEC）8.2 cmol(+) kg?1，有机质（Walkley–Black法）1.2%，Shannon–Wiener多样性指数H′ = 0.45，以及时间序列数据……

## 铅生物可利用性的时间演变

图4展示了12周周期内铅生物可利用性的时间演变。CaCl?可提取铅从第0周的142 ± 11 mg kg?1（100%基线）逐步降至第12周的31 ± 5 mg kg?1（基线的22%），累计降低78%。

三个阶段由田间操作日程而非曲线形状定义。第一阶段从第0天生物炭掺入至第7天播种，此期间吸附和pH缓冲是唯一活跃的机制……

## 阶段间协同与机理解析

三类阶段间协同支撑了观测到的78%累计降低。**第一，生物炭+植物提取协同通过两个同时通道作用：** 生物炭通过降低幼苗出芽时的活性铅来减轻急性植物毒性，同时提高土壤pH和CEC以支持根系旺盛发育。在10 t ha?1的用量下（相当于处理层的0.36% w/w），改良量处于低剂量区间，在此区间生物炭主要支持生物量产而非……

## 结论

本研究证明，生物炭改良、芥菜植物修复和普通芽孢杆菌驱动的微生物诱导碳酸钙沉淀的顺序、原位整合，构成了一个定量协同、生态恢复性和经济竞争力兼具的重金属污染土壤修复框架。在铅污染工业土壤上的12周田间试验实现了CaCl?可提取铅降低78%，BCR F1组分降低81%……

## CRediT作者贡献声明

Vedprakash Maralapalle：原稿撰写、可视化、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。Narala Gangadhara Reddy：审阅与编辑、项目管理、方法论、概念构思。Shiva Prashanth Kumar Kodicherla：审阅与编辑、验证、数据整理。Tammineni Gnananandarao：审阅与编辑、资源获取、调查研究、形式分析。Jayatheja Muktinutalapati：审阅与编辑、可视化、数据……

## 资金

未声明。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。

Vedprakash Maralapalle | Narala Gangadhara Reddy | Shiva Prashanth Kumar Kodicherla | Tammineni Gnananandarao | Jayatheja Muktinutalapati | Abdullah Ansari