Fe/Mg-LDH改性生物炭在重金属土壤修复中的应用：对微生物群落结构及代谢活性的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Fe/Mg-LDH modified biochar for heavy metal soil remediation: effects on microbial community structure and metabolic activity

　　李英超|王千宇|朱祖豪|李鹏|曲长风|欧阳晓芳|鞠鹏|尹华中国自然资源部第一海洋研究所海洋生物资源与环境研究中心海岸科学与综合管理重点实验室，青岛市266061摘要大宝山矿区周边农田土壤中重金属污染严重，其中铜（573.7毫克/千克）、铅（598.2毫克/千克）和砷（288.4毫克/千克）的含量极高，对食品安全和生态环境构成严重威胁。为此，本研究制备了一种乙酸插层铁/镁层状双氢氧化物改性生物炭（Ac-LB），用于修复这种混合污染的土壤。乙酸的插层作用扩大了层状双氢氧化物的层间距离，从而更有效地同时固定阳离子型金属（铜、铅）和阴离子型金属（砷）。在1.5%的施用剂量下，Ac-LB使铅、铜和砷的生物可利用性分别降低了41.73%、39.51%和40.53%，并促进了易变金属形态向更稳定形态的转化。除了固定金属外，Ac-LB还改善了土壤的物理化学性质（如pH值、有机质含量和氮含量），减轻了重金属对土壤微生物群的危害，表现为脲酶和蔗糖酶活性提升、细菌多样性增加以及与养分循环相关的菌群（变形菌门、珠菌门）数量增多。代谢组学分析进一步表明，Ac-LB能够以剂量依赖的方式调节与碳、氮和磷循环相关的微生物代谢途径。然而，过量施用Ac-LB（1.5%）会带来新的微生物压力，降低网络模块性并改变代谢物谱型。本研究为修复同时受阳离子型和阴离子型重金属污染的土壤提供了新的研究思路，也为合理应用修复材料奠定了理论基础。引言矿产资源开采导致周边农田严重重金属污染，对植物生长和人类健康构成重大风险[1]。位于广东省的大宝山矿区是中国南方最大的多金属矿床[2]。该地区数十年来无序的民间和商业采矿活动导致周边农业土壤严重重金属污染，造成了严重的生态破坏和当地居民的健康问题[3]。受污染土壤中的主要重金属包括铜、铅和砷，其浓度远超过国家标准[4]。为了解决这一问题，人们采用了微生物修复、物理方法、化学清洗、化学固定和植物修复等修复技术[5][6][7]。其中，原位化学固定被认为是一种简单、经济且有效的土壤重金属固定技术，尤其因其能够有效降低金属毒性并改善土壤质量而备受青睐[8]。该技术的效果在很大程度上取决于所使用修复材料的类型和性质。生物炭是一种在高温、缺氧条件下通过生物质热解产生的富碳材料[9]。近年来，由于其制备简单、原料丰富且具有环保特性，生物炭被广泛用于环境修复领域[10][11]。作为土壤改良剂，生物炭具有高碳含量、强阳离子交换能力、结构稳定以及易于获取等优点，因此成为当今土壤修复中最常用的改良剂之一[12][13]。众多研究表明，施用生物炭可以降低受污染土壤中重金属的生物可利用性和植物吸收率。例如，江等人利用稻草生物炭修复受铜、铅和镉污染的土壤，使土壤pH值升高，同时降低了铜、铅和镉的酸溶性比例，分别下降了19.7%-100.0%、18.8%-77.0%和5.6%-14.1%[14]。迈尔等人通过鸡粪和燕麦壳共热解制备生物炭，将该生物炭施用于受铜污染的土壤后，降低了土壤中铜的酸溶性含量，增加了土壤有机质含量，并促进了植物生长[15]。尽管有这些益处，但也有研究报道了施用生物炭后的负面效应[16]。尹和杨等人发现，施用生物炭后土壤pH值上升，溶解性有机质含量增加，这反而激活了土壤中的砷[17][18]。此外，生物炭表面有限的表面积以及含氧官能团的低反应性可能限制其在复杂重金属污染场景中的修复效果。因此，为了提高受多种重金属污染土壤的修复效率，有必要对生物炭进行改性或负载其他功能性材料。层状双氢氧化物是一种二维阴离子黏土材料，具有较高的比表面积、优异的催化活性，以及对二价和三价重金属的强亲和力[19]。这些特性使得层状双氢氧化物成为高效的土壤重金属固定改良剂。近年来，经过层状双氢氧化物改性的生物炭复合材料已被开发出来，并用于修复重金属污染土壤，取得了良好的效果。例如，梁等人发现，将钙铁层状双氢氧化物负载到稻草生物炭上，可显著降低受污染土壤中镉、铅、锌和铜的酸溶性比例[20]。同样，高等人发现，锌铝层状双氢氧化物改性生物炭能够在红土和石灰土中有效固定砷，降低砷的移动性并促进白菜的生长[21]。这些研究结果表明，层状双氢氧化物改性生物炭能够克服未改性生物炭的一些局限性，减轻土壤中的重金属毒性。在各种层状双氢氧化物材料中，铁镁层状双氢氧化物在土壤修复中的应用最为广泛，主要是因为铁和镁是植物生长所需的必需微量元素，而且基于铁的层状双氢氧化物对砷离子具有很强的亲和力[22]。然而，层状双氢氧化物本身的碱性限制了其对土壤中阴离子型重金属的固定效率。通过引入合适的阴离子来扩大层间距离，可以提高传质效率和吸附能力[23]。在常见的阴离子中，乙酸因其适中的分子尺寸、较强的“柱状”效应以及能够形成稳定的插层结构而不导致层结构坍塌而具有独特优势[24]。与柠檬酸等较大阴离子相比，乙酸能够实现较为均衡的层间膨胀；与磷酸根相比，则不会与砷酸盐发生强烈的竞争性吸附。尽管乙酸插层层状双氢氧化物在水中表现出更好的重金属吸附效果，但这一策略在土壤系统中的有效性尚未得到验证。土壤中存在着多种微生物，它们负责调控有机物分解、进行固氮作用以及促进植物生长，因此在土壤养分循环中起着至关重要的作用[25]。重金属污染会严重破坏土壤生态系统，影响这些微生物的生态功能。虽然施用土壤改良剂可以减轻重金属对微生物的毒性，但同时引入含有纳米材料的生物炭可能会改变土壤的物理化学性质，带来额外的风险。例如，张等人发现，施用银纳米粒子会改变土壤微生物群落结构，干扰碳和氮的代谢，这是由于银纳米粒子对微生物细胞膜产生了氧化应激作用[26]。这类意外效应可能会进一步扰乱土壤物质循环，降低整体土壤质量。因此，通常会在修复前后分析微生物群落结构，以评估土壤健康状况。不过，大多数研究仅关注结构变化，而关于修复材料用量是否会对微生物代谢活动产生不良影响的系统性研究仍然较少。尤其是作为土壤功能健康综合指标的微生物代谢的剂量依赖性反应，至今仍未得到充分重视。填补这一空白对于更全面地评估修复策略至关重要。在本研究中，研究人员通过将乙酸离子作为插层离子引入层状双氢氧化物中，制备了一种新型的以生物炭为基础、经铁镁层状双氢氧化物改性的土壤改良剂（Ac-LB）。首先，研究人员利用原位固定技术，用Ac-LB修复受铜、铅和砷污染的农田土壤，以验证具有较大离子半径的乙酸是否能够提高层状双氢氧化物对重金属的固定效果。随后，研究人员检测了修复前后土壤的物理化学性质和酶活性的变化，以评估该改良剂在改善受污染土壤质量方面的效果。此外，通过整合代谢组学和高通量测序技术，研究了土壤微生物群落和代谢途径对Ac-LB改良剂的剂量依赖性反应。本研究提出了一种同时修复阳离子型和阴离子型重金属的双功能策略，同时强调了优化施用剂量以在修复效果和土壤微生物健康之间取得平衡的重要性。部分内容化学品与试剂本研究使用的所有化学品均为分析级。二乙烯三胺五乙酸（DTPA，99%）、三乙醇胺（TEA）、氯化铁（FeCl3·6H2O，99%）和氯化镁（MgCl2·6H2O，99%）购自中国上海的阿拉丁有限公司。醋酸钠·3H2O（NaAc，99%）、氢氧化钠（NaOH，99.9%）、硝酸铜、磷酸二氢钠（NaH2PO4）和盐酸（HCl，99.9%）则购自中国上海的麦克林有限公司。所有实验均使用去离子水。土壤中重金属的生物可利用性及分布变化通过检测修复90天后的重金属生物可利用性及地球化学分配变化，评估了这些改良剂的固定效果（见图1）。所有改良剂均能以剂量依赖的方式降低阳离子型金属（铅、铜）的生物可利用性，而它们对阴离子型砷的影响则存在明显差异（见图1a-c）。在未处理的土壤中，初始DTPA可提取的铅和铜浓度分别为66.75毫克/千克和33.87毫克/千克。随着时间的推移，这两者的浓度均显著下降。结论在这项为期90天的培养研究中，Ac-LB能有效固定受混合重金属污染的农田土壤中的铜、铅和砷。在1.5%的施用剂量下，Ac-LB使铅、铜和砷的生物可利用性分别降低了41.73%、39.51%和40.53%，其效果优于BC和LB两种改良剂。这一优异效果得益于乙酸的插层作用，该作用扩大了层状双氢氧化物的层间距离，从而提高了传质效率并促进了砷的交换。连续提取实验进一步证实了易变金属形态发生了转化。环境影响土壤中铜、铅和砷的混合污染会威胁食品安全和生态健康。本研究表明，乙酸插层铁/镁层状双氢氧化物改性生物炭能够有效固定这些金属，1.5%的施用剂量即可使其生物可利用性降低约40%。此外，Ac-LB还能改善土壤性质，提升微生物酶活性和多样性，同时调节碳-氮-磷代谢途径。不过，过量施用该材料会带来新的微生物压力。作者贡献声明尹华：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、资金获取、概念设计。李英超：写作——审阅与编辑、原始稿撰写、可视化、验证、研究、正式分析、数据整理。王千宇：软件应用、方法设计、正式分析、数据整理。朱祖豪：验证、资源提供、项目管理。李鹏：软件应用、正式分析、数据整理。曲长风：验证、软件应用。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了以下项目的支持：国家自然科学基金（42506045）、山东省自然科学基金（ZR2025QC1018和ZR2025QA03）、青岛市自然科学基金（25-1-1-57-zyyd-jch）、山东省泰山学者计划（tsqn202507295）、广西科学技术计划（Guike FN2600640477）、中国国家科研院所基础科学基金（2025S01）以及地方创新创业团队项目。