将假单胞菌（Pseudomonas sp. DNB-S1）固定在改良的生物炭上，可以实现DBP（二苯基乙烷）的协同修复，并提升土壤健康状况

本研究开发了一种纳米羟基磷灰石修饰生物炭载体nBCS1，通过固定高效降解邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的假单胞菌DNB-S1，显著提升DBP降解效率达45.78%，同时调节土壤pH、磷钾循环及抑制脱氮基因表达，实现污染物降解与土壤健康协同优化。

　　

阮瑞|王磊|关健|刘建安|张颖|贾晓晨|辛亚瑞

东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨，150030，中国

摘要

邻苯二甲酸二丁酯（DBP）是农业土壤中常见的增塑剂污染物，被归类为优先控制的邻苯二甲酸酯。通过将假单胞菌DNB-S1固定在纳米羟基磷灰石（n-HAP）改性的生物炭（BC）上，开发出了一种基于生物炭的改良剂（nBCS1）。这种改性增加了载体的表面积，并丰富了表面含氧官能团（如-OH和P-O）。固定后的DNB-S1在56小时内表现出82%的增殖率，其DBP降解效率比BCS1高出45.78%。微宇宙实验表明，nBCS1-0.5对DBP的去除率为4%，比BC高出88.30%，比BCS1高出53.12%。此外，nBCS1显著增强了土壤磷酸酶活性，这与有效磷含量密切相关。nBCS1还提高了土壤中无机氮的含量，促进了将氮转化为植物可利用形式（NO??）的硝化过程，减少了关键反硝化基因的丰度，抑制了氮的损失途径。nBCS1使土壤pH值提高了0.43个单位（nBCS1-0.5和BC的应用量相同），并且与土壤DBP降解率呈正相关，降低了土壤酸化潜力。作为改性材料的n-HAP增强了固定载体的结构形态和表面化学性质，并富集了环境中的磷和钙元素。此外，nBC作为一种生物调节剂，逐渐改善了酸性微环境，支持了微生物的生长，并刺激了土壤脲酶和磷酸酶的活性。这些多功能特性使nBCS1成为一种高性能的土壤改良剂，为促进土壤健康提供了创新的技术方法。

引言

邻苯二甲酸酯（PAEs）在农业和工业中广泛用作增塑剂，也是润滑油、农药和涂料中的常见添加剂[25]。其全球年产量约为600万吨[100]、[26]、[86]。尽管邻苯二甲酸酯的使用带来了巨大的经济效益，但也引发了许多环境问题。由于PAEs以非共价键的形式与塑料基质结合，随着塑料的老化和分解，它们容易释放到水、空气、土壤、沉积物和其他环境介质中[38]、[72]。邻苯二甲酸二丁酯（DBP）是农业土壤中最常检测到的高浓度PAEs单体之一，主要分布在表层土壤中[38]、[52]、[61]。研究表明，DBP和DEHP会干扰土壤微生物群落，对作物生长、光合作用和抗氧化系统产生负面影响，并可能被水稻、小麦和蔬菜吸收和积累[27]、[28]、[64]、[81]。PAEs的作用类似于雌激素，会干扰生物体的内分泌功能，产生致癌、致畸和致突变效应[116]、[72]、[84]。

生物炭（BC）作为一种固体废物资源，因其高比表面积、高孔隙率、丰富的官能团和高阳离子交换能力而被应用于农业和环境的土壤改良[53]、[66]、[75]。它可以从多种来源制备，包括木材、秸秆、竹子、果皮甚至动物废物[46]、[92]。生物炭的常见制备方法包括热解、水热碳化和气化[88]。最近的研究强调了BC在碳封存和减排、优化土壤性质、吸附农用化学品以及钝化土壤重金属方面的广泛应用前景[7]、[96]。通常认为，原始生物炭材料具有较差的吸附性能、催化活性和分离难度[14]、[31]、[49]、[55]。通过物理、化学、生物等方法对生物炭进行改性，可以改善其结构特性和表面化学性质，从而提高其修复效果和环境效益[1]、[75]、[78]。在水中，新型磁性生物炭复合材料（FeCo-MOF@mBC）表现出最大的理论DBP吸附能力，为83.56 mg·g?1，显著高于原始生物炭（14.55 mg·g?1）和纯MOF（37.07 mg·g?1）[115]。

纳米羟基磷灰石（n-HAP，Ca??(PO?)?(OH)?）是一种低毒性的磷酸钙家族矿物，具有较低的毒性成本。它具有较小的粒径和较高的比表面积，表现出较高的吸附能力和易于聚集的特性[3]、[87]。特别是，n-HAP与有机污染物的相互作用更强，有助于降低水系统和土壤系统中镉和砷的毒性[121]、[24]、[77]。研究表明，生物炭的碳骨架可以抑制n-HAP的积累，从而获得更大的比表面积、孔体积和更多的官能团暴露[121]。因此，n-HAP和生物炭复合材料的合成可以产生优异的吸附/改性能力，这是单个组分或简单混合物无法实现的[12]。纳米羟基磷灰石改性的生物炭（nBC）可以作为一种潜在的修复材料[3]。迄今为止，关于纳米羟基磷灰石改性生物炭对受PAEs污染土壤的改善效果尚不清楚，相关分析的讨论也非常有限。

在本研究中，微生物修复DBP被认为是一种非常有前景的方法，其降解途径彻底且环保[113]、[41]。分离出的微生物表现出较高的去除效率，最终通过预测的降解途径将污染物完全矿化为H?O和CO?。具体来说，Bacillus sp. MY156菌株在300 mg·L?1的浓度下60小时内实现了超过80%的去除率。N-1-gfp菌株在培养液中5天内实现了99.7%的DBP去除率。基于Bacillus sp. J7、Serratia sp. G9和J14的MBS在7天内去除了500 mg·L?1的DBP，去除率为97.32%[47]、[62]、[99]。然而，当引入土壤时，单一功能的微生物会面临本土微生物群落的竞争。固定微生物技术被认为是一种有吸引力的策略，通过将功能性微生物固定在合适的载体上，在有限的空间内维持其高密度和生物活性，以应对复杂的应用环境。研究表明，固定微生物修复有机污染土壤的机制包括增强细菌酶活性、固定菌株的持久性以及它们对高污染物负荷和恶劣环境的耐受性[112]。具体来说，内生Bacillus siamensis菌株T7固定在稻壳生物炭中，通过提高降解速率常数（从0.1979 d?1提高到0.2434 d?1）和缩短半衰期（从2.3131 d缩短到2.1062 d），同时减少了叶类蔬菜对其的吸收[21]。在DK-P3和BHF@DK-P3组中，DBP的降解率分别达到了91.65%和93.25%，比自然降解组在土壤实验中的降解率高出34.03%和35.13%[85]。碳质材料、生物炭和海藻酸钠与固定微生物结合使用，可以改善DEHP和DBP的去除率[56]、[90]、[95]。

先前的研究独立证明了生物炭复合材料在污染物吸附或微生物固定方面的潜力，但仍存在显著的知识空白。首先，大多数改性生物炭载体的研究相对单一，它们更侧重于去除土壤有机污染物，而不是修复土壤重金属污染。其次，评估通常仅限于污染物去除效率或土壤性质的变化，或者在纯培养物或简单配置的土壤中进行。关键的是，这些改良措施未能全面考虑对土壤生态系统功能和植物响应的综合影响。

为了填补这些空白，本研究将一种能够降解DBP的细菌（DNB-S1）固定在纳米羟基磷灰石改性的生物炭（nBC）上，开发出了一种多功能土壤改良剂。我们假设nBC载体不仅起到支撑作用，还作为一种积极的“微环境调节剂”，通过调节pH值和提供磷来增强微生物性能，同时改善土壤质量。更重要的是，我们在土壤-植物微宇宙中系统评估了这种改良剂，旨在实现DBP的修复和土壤健康的提升。此外，我们通过研究关键氮循环基因的响应，深入探讨了该改良剂调节土壤生态系统功能的机制。

测试菌株、土壤、植物和试剂

假单胞菌 DNB-S1是一种高效的DBP降解菌株，通过实验室筛选获得。它能够以DBP作为唯一的碳源。在初始DBP浓度（唯一碳源）为500 mg·L?1时，DBP的降解率在48小时内达到90%，这一过程符合一级动力学[104]。该菌株已在GenBank数据库中注册，登录号为KP243192。

表层土壤（0-20 cm，Mollisols，USDA分类）来自

BC和nBC的多孔结构表征

孔结构是基于碳的土壤改良剂的重要物理化学性质。较大的比表面积和孔体积意味着更强的吸附和交换能力。更多微孔（<2 nm）和中孔（2-50 nm）对孔体积的贡献更为显著。然而，大孔（>50 nm）不是固定微生物和提供微生物栖息地的最佳选择，因此不符合我们的需求。BC和nBC的孔结构结果如下

n-HAP改性的生物炭作为生物刺激剂，调节了DNB-S1降解细菌的活力

在DBP的微生物降解过程中，会产生弱酸性的有机化合物，如邻苯二甲酸、苯甲酸和儿茶酚作为代谢中间体[104]、[22]、[83]。培养基的逐渐酸化会抑制微生物代谢，从而限制营养物质的利用并减少微生物的数量和活性[10]、[114]、[93]。生物炭作为固定载体已被广泛研究，用于提供微生物庇护所和供应

结论

nBCS1土壤改良剂提供了一种多功能且经济可行的土壤修复方案。其核心优势包括可以直接应用于土壤，并提供更高的材料安全性。这种“多效”设计解决了单一功能材料的局限性。此外，nBCS1在调节土壤pH值、调控养分供应和降解污染物（如DBP）方面表现出实际效益，使其适用于具有复合污染和肥力需求的土壤。

CRediT作者贡献声明

辛亚瑞：可视化、软件处理。王磊：写作 – 审稿与编辑、监督、概念化。阮瑞：写作 – 原稿撰写、可视化、验证、概念化。贾晓晨：方法学、调查、数据管理。张颖：资源获取、项目管理。刘建安：可视化、软件处理、数据管理。关健：可视化、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。