微生物定殖对稻壳生物炭镉吸附的影响：生物滞留系统中微生物依赖性的作用结果

《Frontiers in Microbiology》：The impact of microbial colonization on cadmium adsorption by rice husk biochar: microorganism-dependent outcomes in bioretention systems

　　

摘要：单独使用微生物或生物炭(biochar)已被提出作为污染水体中重金属生物修复的有前景策略。然而，二者联合应用——特别是通过将微生物固定化(immobilization)于生物炭上对镉(Cd)去除效率及水体理化性质的影响——尚未得到充分评估，这使其在实际去污工艺中的有效性存在不确定性。本研究旨在评价哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、小球藻(Chlorella sp.)和假单胞菌(Pseudomonas sp.)活化后，稻壳生物炭对镉的物理吸附容量变化。研究采用因子实验设计构建垂直流模块：生物滞留系统（M0：仅生物炭；M1：生物炭＋Chlorella sp.；M2：生物炭＋Pseudomonas sp.；M3：生物炭＋T. harzianum）×初始镉浓度（C1：3 mg·L?1，C2：6 mg·L?1，C3：15 mg·L?1）。24 h后，Cd去除效率因系统类型和初始浓度不同而显著差异。当[Cd] ≤ 6 mg·L?1时，纯生物炭(M0)去除率最高（6 mg·L?1时为99.17 ± 0.41%）；在高浓度下，M1表现出明显增强且稳定的性能，去除率达99.22 ± 1.06%，超越M0（94.35 ± 6.29%）在高负荷下的稳定性与有效性；相比之下，M2和M3系统效率较低（15 mg·L?1时分别为75.07 ± 12.73%和77.79 ± 12.22%）。结果表明微生物定殖的结果高度依赖于所用微生物种类。M2和M3的去除率与初始Cd浓度呈负相关，提示活性位点早期饱和和/或营养残留物引起的离子竞争。M1系统使用常规肥料放大培养在技术经济上具有可持续性；对于M2和M3，未来研究应评估加入定殖后调理阶段（如洗涤、pH调节）以减轻离子竞争并恢复生物炭吸附容量。

论文解读：微生物定殖对稻壳生物炭镉吸附的影响及其在生物滞留系统中的微生物依赖性

该论文发表于《Frontiers in Microbiology》。镉(Cd)为非必需高毒重金属，经采矿、冶炼及工业废水等人为活动进入水生态系统后可经灌溉转移至土壤并在作物中富集，威胁农业安全与人体健康。各国（含秘鲁ECA标准及FAO/WHO/EPA指南）对灌溉水中Cd限值要求严格（≤0.01 mg·L^?1），需高效可持续修复技术。生物滞留(bioretention)或生物过滤依靠滤料上固定化微生物去除污染物；生物炭(biochar)——经高温热解有机废弃物所得富碳多孔材料——因高比表面积、丰富表面官能团及离子交换能力被广泛用作滤料及微生物载体。理论上，微生物与生物炭联用可协同物理吸附与生物吸附(biosorption)/转化，但实际中微生物定殖可能堵塞孔隙、占据吸附位点、释放竞争离子或改变pH，反而削弱生物炭原有吸附能力。不同类群微生物（微藻、细菌、真菌）对生物炭-重金属体系的影响差异及机制尚不明晰，此为本次研究的切入点。研究人员假设哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、小球藻(Chlorella sp.)和假单胞菌(Pseudomonas sp.)在稻壳生物炭(rice husk biochar, RHB)上的固定化可能通过占位、孔隙堵塞、离子竞争或补充生物吸附及pH稳定作用，不同方向地影响生物炭对Cd的非生物吸附容量，据此设计实验验证并探讨其机制与应用潜力。

主要关键技术方法：

研究人员以稻壳于600–700 ℃热解制备RHB，选用Chlorella sp.（微藻）、Pseudomonas sp.（细菌）和Trichoderma harzianum（真菌）分别接种RHB制备固定化介质（M1/M2/M3），以未接种RHB为对照(M0)。采用双因素因子设计——4种生物滞留填料（M0–M3）×3种初始Cd浓度（3、6、15 mg·L^?1，以利马Rímac河水配制模拟复杂基质）——各三重平行，装填于直径10 cm、高40 cm圆柱垂直流生物过滤模块中，水力停留时间(HRT)约10.3 h，连续循环24 h。运行前后采集进出水测定Cd及水质参数(pH、EC电导率、DO溶解氧、TDS总溶解性固体、N/P/K)，Cd按EPA Method 200.8检测。填料表征包括傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR)分析表面官能团、BET(Brunauer–Emmett–Teller)法测比表面积与孔分布、甲醛法测阳离子交换量(CEC)。数据采用双因素ANOVA/ART-ANOVA及HSD多重比较(α=0.05)统计分析。

研究结果

3.1 Characteristics of bioretention systems（生物滞留系统介质特征）

研究人员通过FTIR发现M1（Chlorella sp.接种）在O–H/N–H（~3251 cm^?1）、C=O（~1633 cm^?1）、Si–O–Si/C–O–C（~1039 cm^?1）等处透射率最低，表明微藻引入更多表面官能团。BET结果显示RHB具高比表面积(149.40 m²·g^?1)，微孔占54%；微生物接种均降低比表面积，微孔损失更显著——M2、M3比表面积剧降至21.00和1.44 m²·g^?1，微孔几乎消失，说明微生物生物膜堵塞孔隙。CEC以原生物炭M0最高(12.00 cmol_c·kg^?1)，接种后降至7.20–8.80 cmol_c·kg^?1，证实表面性质被生物膜改性。

3.2 Cadmium removal efficiency（镉去除效率）

双因素ANOVA显示初始Cd浓度(C)与生物滞留系统(M)交互显著影响出水残余Cd，去除率(%)受M主效应显著影响（C主效应及C×M交互不显著）。低浓度(C1、C2)时M0去除率最高（C2时为99.17 ± 0.41%）；高浓度C3时M1去除率最高达99.22 ± 1.06%，且出水Cd波动极小，优于M0的94.35 ± 6.29%（标准差大，暗示趋近饱和不稳定）；M2和M3在各浓度下去除率均较低（C3时分别为75.07 ± 12.73%、77.79 ± 12.22%），且残余Cd随初始浓度升高近似线性增加，提示吸附位点早饱和。组间HSD检验显示M0与M1无显著差异但均显著高于M2、M3（p<0.05）。

3.3 Physicochemical characteristics of the water（水体理化特征）

进水初始Cd浓度越高出水pH越低；M2（Pseudomonas sp.）和M3（T. harzianum）出水明显偏酸（M2≈pH 5.74），EC电导率偏高（M2最高），提示有机酸分泌及残留离子释放；M1出水DO溶解氧最高（>4.48 mg·L^?1，超进水），pH近中性（~7.76），EC适中，反映微藻光合作用释氧及缓冲能力。相关性分析表明Cd去除率与高pH、高DO、高出水P正相关，与高EC、高TDS、高K⁺负相关。

3.4 Nutrient consumption（营养物质消耗）

出水N无组间差异；P以M1显著最高（微藻培养基残留及代谢释放），M2、M3极低；K以M1最低，M2、M3因糖蜜(molasses)培养基引入残余K⁺而偏高，K⁺与Cd去除率呈负相关性，支持离子竞争抑制吸附假说。

讨论与结论总结（翻译浓缩）：

稻壳生物炭成功负载三种微生物，生物膜形成导致孔隙堵塞、比表面积与CEC下降，将去除主导由微孔内物理吸附转向生物膜表面介导过程（生物吸附、表面络合、离子交换）。Chlorella sp.（M1）因细胞壁–COOH/–PO₄被动吸附、光合产氧稳pH促Cd沉淀为碳酸盐/氢氧化物、适度胞外聚合物(EPS)不完全堵孔保留部分微孔，三者互补使其在Cd负荷升高时仍维持高且稳定去除率，并具有缓冲进水酸化的主动调节能力。Pseudomonas sp.（M2）分泌有机酸致pH降至~5.7使生物炭–COO^?质子化为–COOH降低Cd²⁺亲和力，且糖蜜引入K⁺与Cd²⁺竞争阳离子交换位点，加之细菌壁结合位点快速饱和，故去除率下降。Trichoderma harzianum（M3）菌丝密集覆盖生物炭表面大幅阻塞孔隙，壁官能团虽可吸附但24 h内胞内转运/区室化慢致饱和，表现类似M2。微生物定殖并不必然削弱稻壳生物炭Cd吸附——效果具强微生物依赖性。对于[Cd] ≤ 6 mg·L^?1水体，单用稻壳生物炭(M0)即最优；高浓度下Chlorella sp.-生物炭复合材料(M1)因生物-非生物协同具更佳稳定性与效能，可用常规肥料扩培实现工程化推广；Pseudomonas或Trichoderma接种体系需加定植后洗涤/pH调节等后处理减轻离子竞争、恢复吸附容量。本研究为优化设计可持续生物滞留系统处理重金属污染水提供了实证依据。