《Epigenetics Insights》：Selective application of biochars to realize biochar–microbe synergistic immobilization of soil cadmium
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本研究系统揭示了不同热解温度（300°C、500°C、700°C）制备的厨余生物炭通过调控土壤微生物群落结构（如Bacillus、Rhodococcus、Mucor等功能菌属），实现对镉（Cd）形态转化（酸提取态F1、可还原态F2等）及植物吸收的差异化影响。高温生物炭（700°C）凭借高比表面积（16.81 m2·g?1）、碱性微环境及稳定孔隙结构，协同功能微生物显著降低Cd生物有效性（F1+F2降幅22.25%），而低温生物炭（300°C）虽提升土壤肥力（SOC增幅53.17%），却因促进微生物代谢导致Cd活化。研究为重金属污染土壤的精准修复提供了“生物炭-微生物”协同调控的理论依据。
引言
土壤重金属污染随工业化与农业化学品的广泛使用日益加剧，其中镉因高迁移性、强生物累积性及持续毒性备受关注。镉破坏植物生长、改变微生物群落，威胁土地利用安全。全球约14%~17%农田受重金属污染，开发安全高效的镉修复技术成为环境科学研究焦点。
生物炭作为富碳材料，具有大比表面积、高孔隙度、丰富官能团和强阳离子交换能力，被广泛用于重金属固定。然而，不同热解温度制备的生物炭理化性质差异显著，影响其修复效果。低温生物炭保留更多表面官能团和养分，促进微生物活性；高温生物炭则具更高芳香结构和微孔比例，增强长期固定潜力。理解温度对生物炭性质及微生物响应的调控机制，对实现镉的高效固定至关重要。
材料与方法
实验设计
研究以云南德宏农田土壤为对象（Cd总量1.31 mg·kg?1），使用厨余垃圾在300°C、500°C、700°C制备生物炭，设置对照组（CK）、生物炭单独处理组（KB）、大肠杆菌（E. coli）接种组（Ec）及生物炭-菌剂混合组（KBE）。盆栽实验中，生物炭添加量为2 mg·g?1，每周接种E. coli（6.4~8.0×10? CFU·g?1），持续70天，监测Cd形态转化、土壤理化性质及微生物群落变化。
分析指标
采用BCR连续提取法划分Cd形态（F1~F4），利用高通量16S rRNA测序解析微生物群落结构，通过植物Cd富集系数（BCF）和转运系数（TF）评估生态风险。
结果与讨论
生物炭温度对Cd形态与迁移的影响
高温生物炭（700°C）显著降低酸提取态Cd（F1）28.34%，生物有效态Cd（F1+F2）降幅达22.25%，且抑制Cd向植物地上部转运。相反，低温生物炭（300°C）虽提升土壤有机碳（SOC）和酶活性，却增加Cd植物吸收，反映其活化效应。
生物炭理化性质与微生物调控
随热解温度升高，生物炭比表面积从0.14 m2·g?1（300°C）增至16.81 m2·g?1（700°C），溶解性有机碳（DOC）从12.37 mg·kg?1降至0.03 mg·kg?1。高温生物炭的碱性孔隙结构富集Bacillus、Rhodococcus和Mucor等功能菌属，通过生物膜形成、螯合作用强化Cd固定。微生物共现网络显示，700°C处理下群落连通性增强，形成更稳定的生态网络。
生物炭-微生物协同机制
E. coli接种实验表明，低温生物炭组合（KBE300/500）因微生物代谢分泌有机酸，激活稳定态Cd；而高温生物炭（KBE700）维持Cd钝化，抑制植物转运。Mantel分析证实真菌群落与Cd形态（如可还原态、残渣态）显著相关，揭示微生物适应性重构对Cd固定的贡献。
结论
高温生物炭（700°C）通过耦合理化吸附（高比表面积、碱性沉淀）与微生物协同（功能菌富集、网络强化），实现Cd高效固定。研究强调需依据生物炭温度特性进行选择性应用，避免低温生物炭的活化风险。未来需结合多组学技术与田间验证，优化生物炭-微生物联合修复策略。
