《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Iron-functionalized biochar and manure compost mitigate polyethylene microplastic toxicity in soil via enhanced performance of
Solidago canadensis
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微塑料污染对加拿大金丝桃生长及生理的影响及生物炭与有机肥的缓解机制研究。通过盆栽实验，对比了铁增强生物炭（Fe-BC）和农场有机肥（FM）单独及联合应用对250-500 mg/kg土壤中微塑料（PE-MPs）毒性的影响，发现联合处理显著提升植物生物量（20%）、叶绿素（14%）、相对含水量（10%），降低氧化损伤指标（MDA减少30%，EL降低23%），并抑制微塑料向茎部的转运（TF降低17%）。
阿卜杜勒马利克·H·阿尔图瓦吉里（Abdulmalik H. Altuwayjiri）、伊什拉加·加拉尔·埃尔丁（Ishraga Galal Eldin）、马利克·巴德尔·阿拉扎姆（Malik Bader Alazzam）、萨阿德·阿尔拉什迪（Saad Alrashdi）、玛哈·阿卜杜拉·阿尔努瓦伊塞尔（Maha Abdallah Alnuwaiser）、艾哈迈德·莫哈贾·阿尔沙马里（Ahmed Mohajja Alshammari）和法蒂·埃尔赛义德·阿卜杜勒加瓦德（Fathy Elsayed Abdelgawad）
沙特阿拉伯阿尔马杰玛大学（Majmaah University）工程学院土木与环境工程系，阿尔马杰玛 11952
摘要
尽管人们对土壤中微塑料（MPs）污染的关注日益增加，但关于生物炭（BC）和粪肥在减轻其对植物生长和生理影响的综合作用知之甚少。本研究旨在评估富铁生物炭（Fe-BC）和农家肥（FM）如何调节微塑料对Solidago canadensis的负面影响。实验采用盆栽法，使用浓度为250和500 mg/kg的微塑料污染土壤，分别添加2%（重量比）的Fe-BC、2%（重量比）的FM以及1% Fe-BC + 1% FM的组合，并采用完全随机设计。结果表明，在500 mg/kg的微塑料污染下，微塑料显著降低了植株的地上部分重量（31%）、根系重量（24%）、叶绿素a+b含量（20%）和精油产量（35%），同时增加了丙二醛（MDA）和电解质泄漏（EL）（分别增加了95%和77%）。相比之下，施用Fe-BC和FM，尤其是两者结合使用，可以增加地上部分重量（20%）、根系重量（15%）和叶绿素a+b含量（14%）以及相对含水量（RWC）（10%），并降低MDA和EL（分别降低了30%和23%）。在250 mg/kg的微塑料污染下，施用Fe-BC和FM的组合处理使植株的总酚类物质和总黄酮类物质含量高于对照组。随着土壤中微塑料浓度的增加，微塑料的转运因子下降，表明微塑料从根部向地上部分的迁移可能受到限制。具体而言，在500 mg/kg的PE-MPs污染下，转运因子减少了17%。热图分析显示MDA和EL在不同处理组间的变异性最大，这表明它们可作为潜在的指示指标。总体而言，建议联合使用FM和Fe-BC来减轻微塑料对植物的负面影响。
引言
微塑料（MPs）是一种新兴的环境污染物，对植物的生长、发育和生理功能构成严重威胁[1]、[2]。微塑料通过物理和生理机制影响植物生长。在土壤中，微塑料会改变土壤结构，降低孔隙度，破坏团聚体，从而影响水分保持和养分有效性，进而损害根系发育和整体植物健康[3]。在生理层面上，微塑料及其降解产物（如添加剂、单体和吸附的污染物）通过促进活性氧（ROS）的过量产生，引发氧化应激。这种氧化失衡会损害细胞成分（如脂质、蛋白质和核酸），最终扰乱细胞稳态。微塑料还可能通过降低叶绿素含量、抑制光系统效率以及干扰气体交换过程来干扰光合作用[4]。此外，小尺寸的微塑料可能被根部吸收并通过非共质或共质途径转运到地上部分，引发其在可食用组织中的积累和相关的食品安全风险[1]。微塑料的积累程度和植物毒性取决于其特性（类型、大小、浓度和表面性质）以及植物种类和环境条件[5]。因此，迫切需要采取缓解策略，而施用土壤改良剂已成为减轻微塑料引起的植物压力的有效方法[6]。
研究表明，像农家肥（FM）堆肥和生物炭（BC）这样的土壤改良剂能有效对抗农业土壤中微塑料的有害影响。有机土壤改良剂的添加为解决这些挑战提供了有希望的方案。富含有机物和有益微生物的FM可以通过增强团聚体和形成稳定的土壤复合物来提高土壤吸附微塑料的能力[7]、[8]。这些相互作用有助于将微塑料困在土壤基质中，显著降低其移动性，防止其到达植物根部或渗入地下水[9]、[10]。此外，堆肥中的有机物质有助于促进微生物活动，可能进一步帮助某些类型微塑料的降解或转化[11]，尽管这一过程仍在研究中。生物炭是一种高孔隙度、富含碳的材料，对吸附污染物（包括微塑料）非常有效。富铁生物炭（Fe-BC）通过增加表面反应性、提供活性结合位点并赋予生物炭磁性，增强了微塑料的吸附和固定能力。选择铁是因为氧化铁/氢氧化物具有强烈的表面络合能力、高污染物亲和力和氧化还原活性，从而提高了生物炭的吸附能力。此外，作为植物必需的微量元素，铁的添加可能有助于缓解微塑料胁迫下的铁缺乏。总体而言，这种改性措施提高了微塑料的滞留能力，降低了其移动性和生物可利用性，减少了环境污染[13]。FM和Fe-BC都通过改善水分保持、养分可用性和支持多样化的微生物群落来促进土壤健康[11]、[13]。
Solidago canadensis（加拿大一枝黄花）是一种原产于北美的多年生草本植物，现已广泛自然化于欧洲和亚洲的多个地区。它以其旺盛的生长能力、深根系和高生物量生产而闻名[14]。其植物修复潜力归因于其丰富的次生代谢物，包括黄酮类、萜类和酚酸，这些化合物具有抗菌、抗氧化和化感作用。这些化合物使S. canadensis能够与其环境动态互动，抑制竞争植被，并耐受土壤污染物[15]。其在生态修复、土壤稳定和污染物吸收方面的潜力显著，但还需要进一步研究其功能特性及其与生物炭等土壤改良剂的相互作用[16]。
文献报道了微塑料对植物生长和发育的抑制作用[11]、[17]、[18]、[19]。也研究了土壤改良剂（如BC）在玉米[6]和花生[11]等作物中减轻这些影响的潜力，研究表明BC可以通过改善植物生长和生理特性来调节微塑料的毒性。此外，BC和FM的联合应用比单独使用更有效[20]。然而，迄今为止，尚未有研究探讨富铁生物炭和FM在微塑料污染土壤中的联合应用效果。关于这些改良剂如何调节微塑料引起的植物毒性，特别是在植物组织中的积累、吸收和转运方面，仍存在关键的研究空白。因此，本研究系统评估了Fe-BC和FM单独及联合使用对S. canadensis在微塑料污染土壤中的植物修复潜力、生理表现和生化反应的影响。通过阐明这些改良剂在调节微塑料行为和植物应激反应中的作用，本研究为可持续土壤管理策略提供了新的见解，旨在减轻农业生态系统中的微塑料压力。
实验设计与处理
2024年进行了一项盆栽实验，以评估聚乙烯微塑料（PE-MPs）、Fe-BC和FM对S. canadensis的影响。实验采用因子完全随机设计（CRD），每个处理重复三次，遵循土壤改良剂-微塑料相互作用研究中常用的程序。
实验处理包括三个水平的PE-MPs（0、250和500 mg/kg干土）以及四种土壤改良剂处理：不添加任何改良剂
植物重量
在未添加任何改良剂的土壤中，暴露于500 mg/kg微塑料显著降低了地上部分和根系的生物量。然而，同时施用Fe-BC或FM逆转了这一趋势。在未施用Fe-BC或FM的植物中，250和500 mg/kg微塑料分别使地上部分重量减少了14%和31%。当在500 mg/kg微塑料中同时施用Fe-BC或FM时，地上部分生物量进一步增加——Fe-BC处理增加了10%，FM处理增加了14%，Fe-BC和FM联合处理增加了20%
讨论
微塑料暴露导致植物重量下降，因为微塑料破坏了土壤结构和孔隙度，影响了水分保持和通气性，从而导致根系生长减缓、水分和养分吸收减少以及光合作用能力和生物量积累下降[17]。此外，微塑料还会引入有毒化合物，引起植物氧化应激，损害细胞结构并抑制关键生理过程[3]。
结论
本研究结果表明，综合土壤改良策略可能通过多种土壤-植物相互作用机制（包括物理化学和生理层面）减轻微塑料污染的负面影响。富铁生物炭和农家肥的联合应用可能改善了土壤结构、团聚体和水分保持能力，同时增强了养分可用性和阳离子交换过程。
未引用参考文献
[36]
CRediT作者贡献声明
阿卜杜勒马利克·H·阿尔图瓦吉里（Abdulmalik H. Altuwayjiri）：撰写——原始草稿，方法学设计。马利克·巴德尔·阿拉扎姆（Malik Bader Alazzam）：概念构思。伊什拉加·加拉尔·埃尔丁（Ishraga Galal Eldin）：监督。玛哈·阿卜杜拉·阿尔努瓦伊塞尔（Alnuwaisere Maha Abdallah）：撰写——审稿与编辑，监督。萨阿德·阿尔拉什迪（Alrashd Saad）：软件处理。法蒂·埃尔赛义德·阿卜杜勒加瓦德（Fathy Elsayed Abdelgawad）：数据管理。艾哈迈德·莫哈贾·阿尔沙马里（Ahmed Mohajja Alshammari）：数据可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学（Princess Nourah bint Abdulrahman University）通过研究人员支持项目（编号PNURSP2025R186）提供的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文研究的财务或个人利益。
