堆肥和白云石可以改善土壤状况，并显著降低采矿废弃物对葱（Allium cepa）造成的细胞毒性和基因毒性

《Environmental Research》：Compost and dolomite improve soil conditions and reduce significantly the cytotoxicity and genotoxicity caused by mining waste on Allium cepa

废弃矿井污染土壤通过联合施用白云石和堆肥进行修复，研究其协同效应。实验表明高剂量白云石结合低剂量堆肥能有效改善土壤pH、重金属固定及微生物活性，显著降低细胞毒性和遗传毒性。研究建立了极端污染土壤的修复参考框架。

　　

布莱恩·乔纳森·扬（Brian Jonathan Young）| 玛蒂娜·杜尔斯（Martina Dours）| 托马斯·奥古斯丁·雷亚尔特（Tomás Agustín Rearte）| 罗米娜·英格丽德·罗马纽克（Romina Ingrid Romaniuk）| 冈萨洛·罗克伊罗（Gonzalo Roqueiro）| 佩德罗·费德里科·里佐（Pedro Federico Rizzo）

阿根廷国家农业技术研究所（INTA）微生物学与农业动物学研究所（IMyZA） 尼古拉斯·雷佩托街2751号，Hurlingham，B1686，阿根廷

摘要

废弃的矿山对全球环境和健康构成威胁。采矿废弃物具有酸性pH值和高金属含量。本研究探讨了将白云石和堆肥单独或联合施用于受采矿废弃物污染的土壤中，以评估其对pH值缓冲、金属有效性、有机物质络合、植物毒性降低以及微生物激活的协同效应。实验设计了九种堆肥和白云石混合比例。实验结果表明，堆肥使土壤有机质含量增加了1%和3%；白云石使土壤pH值从2.6升高至4.5和6.5。实验持续了69天，并监测了微生物活性。测量了物理化学和微生物参数，并进行了洋葱（Allium cepa的毒性测试。结果显示，在高白云石低堆肥比例的处理组中，微生物生物量（194.2±31.6 mg C/kg）和二氧化碳释放量（176.8±5.6 mg CO?-C）显著增加（p<0.05）。高白云石处理组的土壤电导率（11.18至1.43 mS/cm）、氧化还原电位（415至240 mV）和毒性（RGIC?.?：0.12至>100）降低，而铅（Pb）、铜（Cu）和锌（Zn）的固定效果增强，pH值（2.91至7.18）和碳酸盐含量（11.41至40.95%）也有所提高。因此，白云石的应用显著改善了土壤的物理化学性质和生物活性，并显著降低了细胞毒性和遗传毒性。高白云石低堆肥比例的组合使用（每100克土壤23.63克白云石和4.05克堆肥）代表了最佳的修复方案，为极端污染土壤的改良提供了参考框架，但在实际应用前还需通过小规模试验进一步验证。

引言

采矿活动以提取用于农业和工业领域的不可再生资源为特征。然而，这种活动会直接影响地表和地下区域，同时通过侵蚀、径流、渗滤和大气传输对远处地区造成影响（El Rasafi等人，2017；Anawar，2015）。采矿还会影响区域经济、社会结构和文化价值观（Lyytim?ki和Peltonen，2016）。因此，如果未实施关闭计划导致矿山被废弃，环境、经济和社会影响将更加严重。废弃矿山通常基础设施破败，产生大量废弃物，如受损的尾矿堆和坝体。采矿废弃物具有极低的pH值和高金属含量（Mendez和Maier，2008），是附近人群的污染源，并会导致地貌改变（Guo等人，2006）。多项研究表明，采矿废弃物会对陆地和水生生物产生不良影响，包括引发遗传毒性和细胞毒性、抑制生长、金属生物累积、物种多样性下降以及群落结构改变（Gon?alves Marques等人，2025；Worlanyo和Jiangfeng，2021）。 植物因结构简单且成本低廉，常被用作生态毒理学研究模型，可与动物和人类细胞等其他模型生物和系统进行关联研究。使用植物的优势在于可以同时进行宏观（如发芽和种子早期发育）和微观（如细胞周期变化）实验（Silveira等人，2017）。洋葱（Allium cepa）因其对多种环境化学物质的敏感性而被用于评估染色体损伤和细胞分裂异常（Gon?alves Marques等人，2025；Leme和Marin-Morales，2009；Wang等人，2014）。金属会通过干扰细胞周期、抑制有丝分裂、导致染色体粘连、桥接和微核形成来抑制根系生长（Glinska等人，2007；Wang等人，2014）。例如，Allium cepa的遗传毒性测试发现，暴露于采矿废弃物的洋葱细胞中有剂量依赖性的有丝分裂抑制现象（Inceer等人，2000）。 土壤修复旨在减少采矿废弃物中金属及其生物可利用部分对环境造成的影响。传统修复技术基于物理、化学和生物方法。由于金属的溶解度与其迁移性和生物可利用性相关，化学固定是一种降低生态风险的手段（El Rasafi等人，2017；Guo等人，2006）。无机改良剂常用于改善土壤的物理化学性质，例如白云石可提供基本营养元素（钙和镁），提高pH值，改善土壤结构，并促进植物对养分的吸收（Khoshraftar等人，2023）。此外，有机改良剂（如生物固体和堆肥）也被用于修复受污染的土壤（Wijesekara等人，2016）。堆肥是一种低成本修复方法，因为它能回收有机废弃物，并可在原位施用而无需移除土壤（Semple等人，2001）。堆肥中的有机酸等功能基团能与金属阳离子形成螯合物，从而降低金属的生物可利用性（Kumpiene等人，2008）。此外，经无机和有机改良剂处理后，暴露于受污染土壤的植物、动物和微生物的毒性会降低。因此，研究人员使用堆肥、猪粪污泥、石灰材料和淤泥来调节土壤酸度，增加有机质和养分含量，促进植物生长（Alvarenga等人，2008；Pardo等人，2014；Tandy等人，2009）。 特别是位于阿根廷圣胡安省拉普兰塔（La Planta）的一座废弃金矿对环境造成了严重影响。Heredia等人（2022）指出，该矿导致土壤酸化以及铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）和砷（As）在本地灌木和树木中的积累。Calabró等人（2022）评估了这种受污染土壤对生菜作物的长期毒性，以及锌、铜和铅的生物可利用性和生物累积情况。根据联合国粮食及农业组织（FAO）和欧盟（EU 1881，2006；FAO/WHO，2011）的标准，这些金属在地上生物量中的浓度超过了安全限度。Heredia等人（2025）还研究了本地植物对拉普兰塔矿山废弃物的生理、形态解剖和生化耐受反应。尽管这些研究表明拉普兰塔的污染水平对人类和环境健康构成风险，但他们认为需要改善土壤质量以提高植物存活率和促进生长。因此，有必要在极端污染情况下评估潜在的修复策略，以期为受污染土壤的修复提供机制和功能上的指导。然而，关于结合成本效益高且高效的修复方法的有效性研究尚不多。据我们所知，目前尚无研究评估修复过程中金属的细胞毒性和遗传毒性与其物理化学和微生物参数之间的关系。本研究旨在探讨以下科学问题：1）在严重污染条件下，有机和无机改良剂的联合或单独使用如何改善受采矿污染严重土壤的整体微生物和物理化学质量？2）这种改善是否与金属有效性和植物毒性的降低有关？ 因此，本研究旨在比较不同堆肥和白云石混合物对微生物活性、物理化学性质、金属有效性以及洋葱（Allium cepa根系生长抑制和染色体异常的影响。我们假设白云石和堆肥的联合使用在土壤修复中优于单独使用，因为它们在pH值缓冲、金属有效性、有机物质络合、植物毒性降低和微生物激活方面具有协同效应。研究结果为极端采矿污染条件下的原位修复策略提供了参考框架和性能上限。

研究地点和土壤采样

研究地点位于阿根廷圣胡安省考塞特县（Caucete）的拉普兰塔（La Planta）（南纬31°10'24.38″，西经67°52'57.26″）。据Calabró等人（2022）报道，该地区周围居住着43个家庭。该镇位于贝尔梅霍河（Bermejo River）流域，帕帕加约斯河（Papagayos River）季节性流经此地（图1）。该地区气候干燥温暖，夏季降雨量较大（每年80-200毫米）。记录了温度、风速等参数。

改良剂剂量

在15天培养期结束后，添加了三种不同剂量白云石的土壤的EC值和pH值见补充表5。通过线性回归分析（y = 2.79x + 2.62；R2 = 0.995；图补充1），计算出使pH值分别达到4.5和6.5所需的白云石剂量分别为3.72克和23.63克/100克受污染土壤。此外，添加的堆肥量为4.05克。

结论

在实验条件下，有机和无机改良剂的施用改善了土壤的物理化学性质，降低了金属的生物可利用性，从而减少了土壤的细胞毒性和遗传毒性。高剂量白云石能有效中和土壤酸性，并通过碳酸盐沉淀作用降低铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）的生物可利用性。

CRediT作者贡献声明

玛蒂娜·杜尔斯（Martina Dours）： 方法学、调查、数据分析。 托马斯·奥古斯丁·雷亚尔特（Tomás Agustín Rearte）： 资源协调、调查。 罗米娜·英格丽德·罗马纽克（Romina Ingrid Romaniuk）： 资源协调、调查。 布莱恩·乔纳森·扬（Brian Jonathan Young）： 文稿撰写与审稿、初稿撰写、数据可视化、项目监督、资源管理、方法学研究、资金申请、数据分析、概念构思。 冈萨洛·罗克伊罗（Gonzalo Roqueiro）： 资源协调。 佩德罗·费德里科·里佐（Pedro Federico Rizzo）： 项目监督、资源管理、方法学研究。

未引用参考文献

阿根廷法律第24051号，1993年；Barrena等人，2006年；El等人，2017年；INTA等人，2021年；SCyMA，2019年；USDA，2001年；Walkley和Black，1934年。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本论文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了阿根廷国家农业技术研究所（2019-PD-I518、2019-PD-I039、2023-PD-I122）、阿根廷国家研究、技术发展与创新促进局（PICT-2021-I-INVI-00436，项目负责人：布莱恩·乔纳森·扬）、加泰罗尼亚自治区（2023年Beatriu de Pinós博士后奖学金，受益人：佩德罗·费德里科·里佐）以及布宜诺斯艾利斯大学（UBACyT 20020220300016BA）的支持。同时感谢INIA La的Nicolás Maltese博士的支持。