《Journal of Environmental Management》：Microbial community shifts and nutrient alteration in rice rhizospheres induced by Fe functionalized magnetic nanocarbon derived from rice husk
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本研究探究了磁性纳米碳稻壳生物炭（MNHB）对土壤理化性质及水稻生长及根际微生物群落的影响。结果表明，MNHB显著提升水稻根系长度（15.7±0.49cm）、茎叶生物量（较对照提高48.9%）及土壤有机质、氮磷钾含量，同时促进有益菌群（如链霉菌、微单胞菌）富集，优化微生物群落结构，为可持续农业提供新策略。
Suprity Shyam|Hemen Sarma
印度阿萨姆邦Bodoland大学植物学系，邮编783370，Kokrajhar
摘要
土壤肥力下降和养分利用效率低下仍然是可持续水稻种植的主要限制因素，尤其是在酸性土壤中。基于生物炭的纳米复合材料已成为提高养分生物利用度和土壤健康状况的先进工具。本研究探讨了稻壳生物炭（HB）及其Fe功能化纳米级变体——磁性纳米碳稻壳生物炭（MNHB）对土壤物理化学性质、Oryza sativa（水稻）早期生长以及根际微生物动态的影响。MNHB的固定碳含量为49.6%，灰分含量为17.4%，热稳定性超过400°C。动态光散射和ζ电位分析证实其颗粒尺寸在纳米级别（<100 nm），表面电荷为-25 mV，表明具有良好的胶体稳定性。FE-SEM成像验证了其纳米级形态（81.58 ± 15.22 nm）。施用MNHB（5%）显著增加了根长（15.7 ± 0.49 cm）、茎长（46.41 ± 1.89 cm）和生物量（比对照组高48.9%，比HB高25.3%；p < 0.05）。土壤pH值、电导率、有机碳和大量元素（N、P、K）均显著提高，表明养分循环和生物利用度得到改善。宏基因组测序显示微生物α多样性降低，但Pseudomonadota类群显著增加（约增加20%），同时有益菌属如Streptomyces、Micromonospora和Neurospora tetrasperma得到富集。这项工作表明，生物炭纳米系统中的Fe功能化不仅提高了养分转化和吸收效率，还选择了性地重构了根际微生物组，从而将养分富集与微生物调节相结合，实现了可持续的土壤肥力恢复和作物产量提升。
引言
土壤质量退化是一个全球性问题，影响着发达国家和发展中国家的可持续农业。近几十年来，提高农业生产力的努力主要依赖于不可持续的做法，特别是过度使用农业化学品（Chhipa, 2016）。这些做法对土壤健康产生了严重不利影响，降低了土壤肥力，削弱了土壤保持水分的能力，并限制了其提供必需养分的能力，最终导致土地生产力下降。
土壤还是众多有益微生物的栖息地，尤其是在根际——即植物根系周围的区域。这个微生物群落常被称为植物的“第二基因组”，在增强植物对环境和生物胁迫的抵抗力方面起着至关重要的作用。其中，促进植物生长的根际细菌（PGPR）通过改善植物健康和刺激次生代谢产物的产生而发挥天然生物刺激作用（Khade和Sruthi, 2024）。
为了恢复土壤功能并支持有益微生物活动，人们探索了多种策略。近年来，基于碳的材料因其可持续性而受到青睐，成为改良土壤的常用材料。这些材料有助于改善土壤结构、提高肥力并增强微生物活性，成为恢复和维持健康土壤的有希望的工具（Hafeez等人，2022）。
有机碳材料（OCMs），如生物炭，显示出改善多种土壤物理化学性质和提升作物生产力的巨大潜力（Shyam等人，2025）。传统生物炭已被证明可以增加土壤pH值、提高养分可用性并刺激酶活性，这些都是植物健康发育的关键因素。例如，烟草茎衍生的生物炭显著提高了Bletilla striata的土壤pH值和养分含量（Zhao等人，2021）。此外，生物炭还能增强土壤保水性，并促进微生物群落结构的良性变化，这对碳封存和持续作物产量至关重要（H. Wang等人，2020）。最近的研究表明，磁性纳米碳具有额外的优势。例如，其叶面施用可减少高风险抗生素抗性基因（ARGs）的数量高达97%，并减少pakchoi叶片上的人类致病细菌数量15.2%（Mei等人，2023）。
研究表明，OCMs通过与土壤微生物组的相互作用促进土壤和植物健康。通过提供可持续的栖息地和养分，OCMs促进了参与养分循环和有机物分解的微生物类群的有效增殖（Saleem等人，2022）。基于传统OCMs的能力，本研究设计了一种新型变体——磁性纳米碳（基于Fe），具有增强的功能特性。为了全面了解纳米碳、微生物和植物之间的相互作用，采用了高通量宏基因组学方法来分析纳米碳改良土壤中的微生物分类多样性和功能潜力。对磁性纳米碳稻壳生物炭（MNHB）的研究旨在探索其作为多功能土壤改良剂的潜力，以实现可持续的土壤肥力提升、养分保持和微生物功能改善。将磁性特性整合到炭化稻壳中，增强了其物理化学性质，从而提高了土壤中的养分可用性。然而，引入这类工程材料也可能影响土壤微生物群落的组成和代谢活动，而这些微生物在养分循环、有机物分解和整体土壤健康中起着核心作用。因此，研究MNHB施用对微生物的反应对于理解这种新型生物炭在农业生态系统中的生态影响至关重要。鉴于此，本研究旨在探讨磁性纳米碳稻壳生物炭（MNHB）的合成和应用及其对水稻（Oryza sativa）生长和根际微生物组的影响。研究结果旨在为减少对化学肥料的依赖、提高可持续农业生产力以及通过使用创新纳米碳技术恢复长期土壤健康提供科学依据。
材料收集与处理
原材料的收集与处理
由于稻壳丰富、价格实惠且碳含量高，本研究选择其作为原料。所用稻壳来自阿萨姆邦Kokrajhar的一家当地大米厂。为确保清洁，先彻底清洗以去除杂质，然后浸泡在水中过夜。浸泡后，将稻壳晾干以去除多余水分，便于高效热解。干燥后的稻壳在550°C的马弗炉中进行热解。
HB和MNHB的物理化学特性
稻壳生物炭的pH值为8.1，电导率为0.72 mS/m，水分含量为4.3%，灰分含量为23.3%，挥发性物质含量为28.9%，固定碳含量为49.6%，生物炭产率为31.6%。图1(A, B)中的FE-SEM图像显示了HB的粗糙、不均匀且多孔的结构，特征是形状不规则的颗粒和片状表面，平均颗粒尺寸为623.42 ± 45.8 nm。
HB和MNHB的物理化学特性
对合成碳样品的物理化学分析，特别是HB和MNHB之间的比较，突显了它们在环境和农业应用中的潜力。稻壳衍生生物炭的碱性pH值（8.1）有助于改良酸性土壤，提高养分可用性和微生物活性（Malathi等人，2025）。其低水分含量（4.3%）和适中的灰分含量（17.4%），符合富含二氧化硅的原料特性，表明其具有良好的储存性和抗微生物性，非常适合...
结论
本研究表明，Fe功能化的磁性纳米碳稻壳生物炭（MNHB）能够显著影响植物生长和根际微生物动态。综合表征结果显示，Fe的引入使颗粒尺寸降至纳米级别（约81.58 nm），负ζ电位增加，引入了丰富的表面官能团（O-H、C=O、C-O、Si-O、S-S），并赋予了软磁行为（矫顽力：2.5 Oe）和更高的热稳定性。
CRediT作者贡献声明
Suprity Shyam：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、资源提供、数据分析、概念构思。Hemen Sarma：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金争取、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢Bodoland大学在整个研究过程中提供的机构支持和后勤协助。Hemen Sarma感谢ANRF州立大学研究卓越（ANRF-SURE）计划（批准号为SUR/2022/000960）在Bodoland大学提供的财务支持。我们还要感谢印度阿萨姆邦Guwahati的AGT Bioscience公司进行的宏基因组分析工作。Suprity Shyam
