四川大学徐恒团队Chemosphere：生物炭强化微生物诱导碳酸盐沉淀对Cd的矿化作为稻田土壤修复策略

环境人Environmentor · 公众号 · · 2024-10-19 13:09

正文

导读 | Introduction

四川大学徐恒教授团队在Chemosphere期刊发表题为“生物炭强化微生物诱导碳酸盐沉淀对Cd的矿化作为稻田土壤修复策略（Biochar enhances Cd mineralization through microbially induced carbonate precipitation as a soil remediation strategy for rice paddies）”的研究性论文。

稻田土壤中镉（Cd）污染成为制约农业可持续发展的重要问题之一 。微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)具有固定和稳定化重金属的潜力，其环境友好、经济高效，被视为有前景的重金属污染修复技术。MICP是指微生物在环境中分泌脲酶水解尿素产生碳酸盐与环境中Cd ²⁺ 等金属阳离子结合形成不溶性沉淀物并逐渐矿化的过程，其可有效降低环境中多种重金属的生物有效性。然而， MICP固定重金属过程需要添加大量的尿素来维持其矿化效率，这提高了应用成本，也加剧了土壤盐渍化；同时MICP过程产生矿物质也会造成土壤板结，破坏土壤微生态系统。为了有效提高MICP在稻田土壤中的应用，就必须确保在正常农业措施中所施加的尿素水平也能维持MICP具有较高的重金属固定效率。生物炭(BC)可为微生物提供栖息场所、营养物质和电子供体，从而促进和增强微生物的代谢功能，如固氮、溶钾、溶磷和重金属解毒等。然而，当前还未有研究深入分析生物炭对解脲细菌生长和矿化功能的影响。本研究旨在分析包括生物炭对解脲细菌kp-22生长和脲酶分泌的影响，评价生物炭负载菌株kp-22(BCM)诱导碳酸盐沉淀在低尿素水平下固定稻田土中Cd的可行性，以期进一步拓宽MICP技术的应用前景。

图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

生物炭的添加能够显著提高解脲细菌的生长，缩短其对数期；同时生物炭可快速提高体系中脲酶活性，最大酶活力达到2.54 Mm Urea min ^-1 （图1）；此外，添加生物炭可显著促进解脲细菌对液体体系中Cd的去除，仅在0.5h时就能显著去除体系中96.32%的Cd；并且生物炭可持续维持解脲细菌对液体体系中Cd的去除能力，通过多次向反应体系中加入Cd，生物碳依然可促进解脲细菌对Cd的去除，且去除率始终保持在99%左右（图1）。这些结果 表明了生物碳具有提高MICP对稻田土壤Cd固定化的潜力。

图1 不同多孔材料对菌株kp-22生长，脲酶活性和Cd去除的影响

当尿素添加量为正常农业施加量时，生物碳固定解脲细菌（BCM）可以显著降低淹水和不淹水土壤中DTPA-Cd的含量，在第7天固定化率分别达到8.05%和10.51%，但单独添加解脲细菌kp-22不能有效降低DTPA-Cd含量，反而略为提高了DTPA-Cd含量（图2A和2B）。此外，单独接种菌株kp-22显著提高了稻田土壤中变形菌门和拟杆菌门的丰度，降低了厚壁菌门和绿弯菌门的丰度；但是BCM对微生物群落结构的影响取决于土壤淹水状况，BCM对未淹水稻田土壤细菌群落的影响远小于单独添加kp-22处理组（图2C）。 这些结果表明生物炭固定解脲细菌诱导的碳酸盐沉淀可有效降低MICP对土壤微生态的不利影响。

图2 有无淹水条件下稻田土中DTPA-Cd含量和微生物群落的变化。(A)未淹水土壤DTPA-Cd含量，(B)淹水土壤中DTPA-Cd含量，(C)细菌群落组成。

总结 | Conclusions

本研究发现生物炭能够显著促进解脲细菌kp-22的生长，提高其脲酶分泌能力，促进菌株kp-22在高Cd污染的溶液中实现对Cd的持续去除。生物炭强化解脲细菌kp-22去除Cd的机制主要是在生物炭表面形成大量CdCO ₃ 。当稻田土壤中尿素施加量仅为正常农业生产使用水平，生物炭依然能够显著促进解脲细菌kp-22对稻田土中Cd的固定化。生物炭固定解脲细菌kp-22 (BCM) 诱导碳酸盐矿化过程对土壤细菌群落的干扰程度远低于菌株kp-22单独作用。因此，BCM可以作为一种生态友好型生物材料，通过微生物诱导碳酸盐沉淀修复Cd污染稻田土。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143441

第一作者简介：

彭顶华 ：四川大学生命科学学院在读博士研究生。主从事土壤和尾矿渣污染控制与修复研究。已在Journal of Hazardous Materials 和Chemosphere等学术期刊发表SCI论文15篇，其中第一作者身份论文5篇。

通讯作者简介：

刘华康： 博士，四川大学生命科学学院特聘副研究员，主要从事植物与微生物互作、土壤重金属污染控制技术研究。承担国家自然科学基金和四川省科技项目5项。已在Journal of Hazardous Materials和Science of The Total Environment等学术期刊发表SCI论文20余篇。

徐恒：博士，四川大学生命科学学院二级教授，博士生导师。主要从事农用地、矿山及周边影响区、工业场地等三大土壤环境生态保护与污染防控工作，已主持国家级省市级政府科技项目（国家重点研发计划、国家科技支撑、国家863 计划、国家自然科学基金、省科技专项等）40余项，同时承担环保部土壤污染防治专项资金项目20余项，发表SCI期刊论文150余篇，获国家发明专利14项，获省市级科技进步奖3项。

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