《Biochar》：Biochar-loaded AM fungi coupled with Arundo donax enable targeted red mud remediation via valency—specific metal detoxification and soil function recovery
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本研究针对赤泥（RM）这一高盐碱、重金属污染的工业副产物，提出了一种分区协同修复策略。研究人员通过将不同丛枝菌根真菌（AMF）物种（Funneliformis mosseae, FM 与 Rhizophagus intraradices, RI）负载于生物炭（BC），并与耐受植物芦竹（Arundo donax）相结合，系统探究了其对植物生理、重金属形态及土壤微生物功能的调控机制。结果揭示了“真菌物种-重金属价态匹配”新原则：BC-FM 协同增强光合作用并固定阴离子砷（As），而 BC-RI 则促进生物量积累并固定阳离子铅（Pb），同时激活土壤磷循环与微生物多样性。该研究为复杂污染场地的精准、高效生态修复提供了理论基础与实践路径。
在全球铝工业持续发展的背后，一种名为“赤泥”的强碱性、高盐分并富含多种潜在毒性元素（如砷、铅、镉）的废渣，正以巨大的堆存量威胁着生态环境。其极端的环境条件不仅抑制植物生长，也让传统的修复手段望而却步。如何在这种“多重胁迫”的恶劣基质中，实现污染物的高效固定与生态功能的同步恢复，是环境领域亟待破解的难题。
近期，一项发表于《Biochar》的研究为我们带来了新的曙光。该研究创新性地将两种功能各异的丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）——Funneliformis mosseae (FM) 与 Rhizophagus intraradices (RI) ——负载于生物炭（Biochar, BC）上，并与高生物量、耐逆植物芦竹（Arundo donax）组建成一个协同修复系统。研究团队深入探索了这一系统如何像“精准制导”一样，针对不同价态的重金属实施特异性脱毒，并同步驱动土壤健康的重建。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：通过盆栽实验设置了六种处理（包括对照、单施生物炭、单接种FM或RI、以及BC-FM和BC-RI复合处理），系统评价了植物光合、抗氧化酶活性和生物量等生理指标；采用BCR顺序提取法与风险评价代码（RAC）评估了砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）的形态转化与生态风险；测定了土壤pH、电导率（EC）、盐分及钠（Na+）、钾（K+）等离子含量以表征盐碱胁迫缓解状况；利用16S rRNA基因扩增子测序技术分析了根际微生物群落结构与多样性，并结合共现网络分析识别了关键菌属；通过测定碱性磷酸酶（AKP）、过氧化氢酶（CAT）等土壤酶活性来反映微生物功能激活情况。
研究结果
3.1 生物炭负载AMF在增强植物生理性能中的功能分化
BC-FM与BC-RI处理均能显著提升芦竹在赤泥胁迫下的光合能力，但二者策略迥异。BC-RI在生长早期通过非气孔限制策略优先促进生物量快速积累；而BC-FM则在生长后期维持更高的胞间CO2浓度（Ci）与蒸腾速率（Tr），呈现出一种持续光合活性的平衡代谢策略。
3.2 AMF特异性调控抗氧化防御系统
FM单独处理诱导了最高的过氧化氢酶（CAT）活性，显示出对CAT主导的H2O2清除途径的偏好。而BC-RI处理则达到了最高的过氧化物酶（POD）活性峰值，表明RI真菌与生物炭协同缓解了渗透胁迫，从而降低了对某些抗氧化途径的持续诱导需求。
3.3 重金属的价态特异性固定与风险缓解
研究验证了“真菌物种-金属价态匹配”假说。BC-RI处理对阳离子铅（Pb）的固定最为有效，显著降低了土壤总Pb含量和综合污染指数（CPI），这很可能与RI介导的磷酸盐分泌诱导形成稳定的Pb-磷酸盐矿物有关。相反，BC-FM处理则优先降低了阴离子砷（As）的生物可利用性（交换态砷），并获得了最低的砷风险评价代码（RAC）值，其机制可能涉及FM分泌的球囊霉素相关土壤蛋白（GRSP）对砷的吸附/结合，以及可能激活的硫代谢途径促进砷硫化物沉淀。
3.4 对赤泥理化性质的协同改良
与生物炭单独施用通常的碱化效应不同，FM和BC-FM处理显著降低了土壤pH，推测是AMF分泌或诱导宿主释放有机酸所致。BC-RI处理在降低盐分相关胁迫方面表现突出，显著降低了钠离子（Na+）浓度以及电导率（EC）、盐度和总溶解固体（TDS）。在养分方面，BC-FM促进了土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）的积累，而BC-RI则记录了最高的总磷（TP）水平，体现了功能分化。
3.5 根际酶活性激活与微生物群落重组
BC-RI处理显著提高了碱性磷酸酶（AKP）和过氧化氢酶（CAT）活性，并拥有最高的细菌丰富度（Chao1指数）。共现网络分析揭示了关键连接类群，如Salinarimonas、Rhizorhapis和Desulfovibrio丰度的变化。其中，BC-FM处理使Desulfovibrio（一种硫酸盐还原菌，可能参与砷固定）的相对丰度大幅增加。
3.6 相关性分析揭示植物-土壤-微生物关键互作
Mantel检验等分析表明，植物抗氧化防御（叶片CAT活性）与光合性能（净光合速率Pn）呈强正相关。关键微生物类群如Longimicrobiaceae与植物生长和SOC积累正相关，而Lechevalieria则与微生物多样性（Shannon指数）和植物生长显著相关，从统计学上验证了BC-FM与BC-RI系统通过不同微生物介导的途径促进修复。
结论与意义
本研究的核心结论是确立了一种“真菌物种-重金属价态匹配”原则，用于指导赤泥的分区修复：在Pb污染/高盐区域应用BC-RI，在As风险区域应用BC-FM。这两种组装体通过不同的生理生态策略（BC-FM强化光合与抗氧化，BC-RI促进生物量与微生物多样性），实现了对特定价态重金属（阳离子Pb vs. 阴离子As）的特异性固定，并同步缓解盐碱胁迫、激活土壤微生物功能与养分循环。
这项工作的重要意义在于，它将传统的“单一物料修复”思路，提升到了“生物-材料功能组装与污染价态精准匹配”的系统工程层面。它不仅为赤泥这一世界性环境难题提供了理论基础扎实、操作性强的分区治理策略，其揭示的价态匹配原理也可能为其他复合污染土壤（如镉、铬等）的修复提供新的范式。未来，通过野外验证、长期监测并结合X射线光电子能谱（XPS）等微观表征技术直接证实价态转化途径，将进一步推动该策略走向实际应用。
