第一作者：李煜
通讯作者：刘竹青，杨帆，程魁
通讯单位：东北农业大学
近日，东北农业大学程魁教授团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Synergistic Enhancement of Cadmium Immobilization and Soil Fertility through Biochar and Artificial Humic Acid-Assisted Microbial-Induced Calcium Carbonate Precipitation”的研究论文。本研究揭示了生物炭和人工腐殖酸对镉污染土壤中MICP过程的促进作用机制，证实了它们对镉污染土壤的修复作用和改善土壤理化性质的作用，为生物炭和人工腐殖酸在土壤修复中的机制作用提供了有价值的见解，突出了管理污染土壤的可持续战略。
微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）由于其环境友好性，正成为传统土壤重金属修复技术的良好替代方案。然而，MICP在农田中运用的一个重大挑战是不仅要固定重金属，而且要提高土壤肥力。本研究探索了人工腐植酸（A-HA）、生物炭（BC）和巴氏生孢八叠球菌（S. pasteurii）的创新组合，通过MICP降低污染农业土壤中镉（Cd）的生物有效性。x射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析表明，BC和A-HA的结合通过与CaCO3共沉淀，显著提高了Cd的固定效率。土壤总氮（TN，9.0~78.2%）、氨态氮（AN，259.7~635.5%）、土壤有机质（SOM，18.1~27.9%）、总有机碳（TOC，43.8~48.8%）、溶解性有机碳（DOC，36.0~88.4%）和速效钾（AK，176.2~193.3%）均显著提高，改善了土壤肥力和生态功能。此外，随着BC和A-HA的引入，MICP中优势门如变形菌门和厚壁菌门的相对丰度显著增加。因此，BC和A-HA与MICP的整合为修复cd污染的农业土壤和协同提高土壤肥力提供了一个有希望的解决方案。
MICP是自然界中广泛观察到的生物诱导矿化过程，具有广泛的应用范围，为传统的土壤修复技术提供了一种环保、耐用且具有成本效益的替代方案。然而，由于MICP在诱导土壤凝结、增强矿物结晶、增加土壤强度以及降低孔隙度和渗透性方面的潜力，MICP在农业土壤修复中的实际应用相当有限。生物炭（BC）是农业废弃物的副产品，由于其内部和外部孔隙率高，可以保留大量养分，从而作为土壤改良和细菌增殖的有效基质。A-HA模仿了黑土中发现的腐殖质物质的结构和功能，呈现出一种经济实惠、适用广泛且可持续的聚合物，使A-HA成为土壤改良的宝贵资产。我们将A-HA与BC和Sporosarcina pasteurii（S. pasteurii）相结合，以改进MICP方法，旨在通过改善土壤结构，增加养分可用性，促进微生物活性和支持整体土壤生态系统功能来修复受Cd污染的土壤并增强土壤健康。
实验结果表明，SP处理的修复效率为25.5%，BC处理的修复效率为7.5%，A-HA处理的修复效率为28.1%~2.1%。值得注意的是，BC-SP联合处理的修复效率为33.14%。BC-SP-HA450、BC-SP-HA600和BC-SP-HA750的修复效率分别为62.8%、81.3%和94.7%。这些结果大大超过了添加单一外源碳的修复效率（p<0.05），突出了在修复过程中整合BC和A-HA的协同效益。此外通过对脲酶和脱氢酶活性的监测，证明A-HA减缓了Cd诱导的S. pasteurii应激效应，突出了A-HA作为营养来源的作用及其对激活修复机制的重要贡献。
SEM-EDS、XRD和FTIR光谱证实了BC表面晶体学的变化，阐明了发生在BC表面的MICP过程促进镉矿化的机制：BC既是细菌的保护介质，也是MICP过程的催化平台。这些见解对于优化BC在环境修复中的应用，特别是在提高重金属固定效果方面具有重要意义。
文章详细分析了BC和A-HA掺入后MICP过程对土壤理化性质的影响。外源碳（特别是BC）的引入已被确定可以增加土壤碳储量，特别是有机碳，这有利于促进作物生长。由于BC丰富的碳储存能力，其TOC含量大幅增加。相反，A-HA主要增强DOC。此外，A-HA的引入使土壤NH4+-N水平显著提高了33.1%-57.0%，其中MICP的存在使某些处理的NH4+-N水平提高了惊人的635.5%，A-HA与尿素络合对土壤氮循环和微生物群落丰度的影响是主要的影响机制。BC对AK的影响明显大于A-HA，在较低的温度下（如300℃）热解更有效地保留了生物炭基质中的离子交换态钾。
通过平行因子分析鉴定出土壤DOM中的三种荧光成分物质。C1被鉴定为腐殖质物质，主要由来自较大聚合物类的疏水化合物组成。C2被鉴定为类海洋腐殖质，主要由大的非水溶性化合物组成。C3是一种酪氨酸样的蛋白质样物质，可能是微生物代谢产物。A-HA通过刺激微生物代谢，增加DOM中微生物代谢物的存在，促进土壤DOM腐殖化，改善土壤碳稳定性。这种土壤DOM特性的增强对改善土壤健康和肥力至关重要，使A-HA成为可持续土壤管理战略的重要组成部分。
研究结果表明，BC和A-HA的整合丰富了Sporosarcina和Bacillus的存在，从而促进了MICP过程，改善了土壤理化性质。BC与A-HA的动态交互作用显著影响了微生物群落结构和生物活性，进而影响土壤理化性质。这种相互作用突出了外部碳源在促进微生物多样性和丰度方面的作用，构建了通过改善土壤养分循环和微生物活动来增强土壤健康的正反馈循环。
研究揭示了BC和A-HA对Cd污染土壤中MICP过程的促进作用机制，证实了它们对Cd污染土壤的修复作用和改善土壤理化性质的作用。BC作为MICP的支持平台，促进细菌增殖，减轻Cd毒性，而A-HA作为细菌的重要营养来源，增强矿物界面特性，稳定Cd。BC和A-HA融入土壤，不仅增加了孢子菌和芽孢杆菌等有益微生物的存在，从而推进MICP过程，而且改善了土壤的理化性质。在引入外部碳源的刺激下，这些转变最终导致微生物多样性和丰度的提高。这种效果归因于生境提供和养分输送的双重作用。值得注意的是，参与养分循环的微生物种群的演变反映了正在进行的土壤增强过程，构建了一个支持土壤健康改善的正反馈循环。
本文来源：JHM Family。
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