利用生物炭与微生物的协同作用：一种用于可持续镉固定和促进植物生长的凝胶-微球复合材料

《Journal of Environmental Sciences》：Harnessing biochar-microbe synergy: A gel-microsphere composite for sustainable cadmium immobilization and plant growth promotion

镉污染土壤的微生物-生物炭协同修复材料开发及机制研究。通过负载枯草芽孢杆菌于铁球磨改性生物炭表面并嵌入壳聚糖形成凝胶微球，实现镉的三重机制（物理吸附、化学络合、微生物协同）固定。盆栽实验表明该材料使芥菜生物量分别提升285.4%和396.9%，植株镉含量降低54.5%，且无需补充肥料的第二茬仍有效，揭示了材料孔隙结构、铁氧化物及微生物群落重构的协同效应。

　　

何婷婷|梅一豪|袁帅|张红梅|唐新科|段桂林

湖南科技大学生命与健康科学学院，中国湘潭41120

摘要

农业土壤中的镉（Cd）污染对人类健康和生态系统安全构成了严重威胁。开发持久有效的技术来修复镉污染的土壤已成为一个关键问题。尽管生物炭已被广泛用于修复镉污染，但其多功能性和应用潜力仍需进一步优化。在这项研究中，通过将枯草芽孢杆菌负载到铁球研磨改性的生物炭（MB-Fe）表面，然后将其嵌入壳聚糖中形成凝胶微球，制备出了一种新型复合材料（CS-MB-Fe@BS）。批量吸附实验表明，CS-MB-Fe@BS具有改进的多孔结构，这同时增强了镉的化学络合和物理吸附效果。涉及两季油菜种植的盆栽实验表明，CS-MB-Fe@BS显著固定了土壤中的镉，并显著促进了作物生长。第一季和第二季油菜的生物量分别增加了285.4%和396.9%（p < 0.05）；植物茎叶中的镉含量分别减少了54.51%和54.56%（p < 0.05）。值得注意的是，第二季油菜在没有额外肥料或修复材料的情况下也表现出成功的镉固定和生长促进效果，证明了其长期有效性。CS-MB-Fe@BS通过直接吸附镉、改善土壤理化性质以及重塑有利于植物的微生物群落来实现这些益处。本研究探讨了生物炭和微生物的协同机制，并为可持续的镉修复和长期促进植物生长提供了新的技术框架。

引言

镉（Cd）是一种致癌性重金属，由于其高生物可利用性和广泛分布而成为紧迫的环境问题（Li等人，2025年）。镉容易被植物吸收，在其可食用组织中积累（Pérez-Millán等人，2022年），最终通过食物链进入人体（Huang等人，2022年；Wang等人，2021年）。据报道，70%-90%的人类镉暴露来自饮食来源，其中谷物和蔬菜占总量的60%以上（Shi等人，2025b年）。因此，开发修复镉污染耕地的策略至关重要（Yin等人，2020年）。

生物炭是一种从生物质热解中获得的碳质改性剂，广泛用于修复镉污染的土壤（Bayar等人，2024年）。它具有较高的pH值（通常约为8-12），可以通过吸附和沉淀作用固定镉（Tao等人，2022年；Xin等人，2023年）；其较大的比表面积和丰富的官能团（如羧基）也降低了镉的生物可利用性（Peng等人，2024a年）。铁改性的生物炭进一步促进了镉的固定（Yasmin等人，2024年），而早期的生物炭-微生物复合材料（如生物炭-根瘤菌）显示出协同潜力，但存在微生物负载量低或功能单一的问题（Xin，2024年）。

许多土壤微生物（如枯草芽孢杆菌属）通过分泌螯合性胞外聚合物物质（EPS）来帮助固定镉（Cheng等人，2022年）。然而，纯微生物接种剂在实际应用中受到其在复杂土壤环境中存活能力差的限制（Semwal等人，2025年）。铁改性的生物炭作为一种优越的载体，解决了这一挑战。从物理角度来看，其多孔结构为细菌提供了避难所，保护它们免受机械剪切和环境压力的影响（Zhao等人，2024b年）。从化学角度来看，负载的氧化铁不仅通过静电相互作用增强了表面亲和力，还充当电子穿梭载体或辅因子，刺激微生物代谢（Chang等人，2025年；Niu等人，2024年）。因此，这种复合系统比原始生物炭或单一组分载体具有更高的稳定性和功能性。虽然生物炭在镉固定方面的效果已有充分记录，但仍存在一些关键知识空白，包括优化镉固定的最佳生物炭改性工艺、将微生物负载到生物炭上的策略，以及微生物-生物炭协同作用及其持续有效性的机制（Hu等人，2025年）。

基于这些空白，本研究的目标是：（1）开发一种高效的生物炭-微生物复合材料生产过程，能够长期稳定地固定土壤中的镉；（2）探索这种复合材料稳定镉和促进植物生长的机制。通过对改性生物炭表面特性和微生物固定过程的系统分析，本研究的结果为相关复合系统的优化提供了理论和技术支持。

章节片段

铁球研磨改性生物炭的制备

本实验使用的玉米秸秆生物炭（BC）由河北天山生物技术有限公司（中国）提供；其制备步骤如下：将玉米秸秆风干至含水量低于10%，粉碎通过2毫米筛网，然后在厌氧气氛下（高纯度N?流量：150 mL/min）在350°C下在管式电阻炉中热解（升温速率：10°C/min，停留时间：2小时），随后在持续通N?的情况下自然冷却至室温，以避免表面重新氧化。

表面性质和官能团的优化

根据扫描电子显微镜（SEM）观察，生物炭（BC）、球磨生物炭（MB）和MB-Fe均表现出蜂窝状的多孔结构（图1a-c）。CS-MB-Fe@BS微球的表面显示出高度发达的多孔网络，有明显的微生物附着在生物炭的表面和内部孔隙中（图1d）。这种分层多孔结构通过较大的比表面积（73.81 m²/g）和捕获沉淀物的限制效应物理上拦截了镉（Li等人，2023a）。

结论

本研究表明，CS-MB-Fe@BS复合材料通过物理吸附、化学络合和微生物协同调节三种机制修复镉污染的土壤（附录A图S8）。其多孔结构和Fe-O/羧基固定的镉（XRD/FTIR验证）改善了土壤pH值和CEC，并丰富了有益细菌（如Bacillota），同时提高了土壤酶活性和植物对镉胁迫的抵抗力。根据两季油菜

CRediT作者贡献声明

所有作者都对研究的构思和设计做出了贡献。何婷婷：概念化、正式分析、调查、撰写——初稿。Mirezhatijiang Kayoumu和袁帅：撰写——审阅与编辑。梅一豪：撰写——审阅与编辑。张红梅：撰写——审阅与编辑。唐新科：正式分析、撰写——审阅与编辑。段桂林：资金获取、资源协调、监督、撰写——审阅与编辑。所有作者都阅读并批准了最终稿件。

CRediT作者贡献声明

何婷婷：撰写——初稿、调查、正式分析、概念化。Mirezhatijiang Kayoumu：撰写——审阅与编辑。袁帅：撰写——审阅与编辑。梅一豪：撰写——审阅与编辑。张红梅：撰写——审阅与编辑。唐新科：撰写——审阅与编辑、正式分析。段桂林：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、资金获取。

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

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFD1700802）的支持。