將假單胞菌（Pseudomonas sp. DNB-S1）固定在改良的生物炭上，可以實現(xiàn)DBP（二苯基乙烷）的協(xié)同修復(fù)，并提升土壤健康狀況
《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Immobilized
Pseudomonas sp. DNB-S1 on modified biochar enables synergistic DBP remediation and soil health enhancement
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本研究開發(fā)了一種納米羥基磷灰石修飾生物炭載體nBCS1，通過固定高效降解鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）的假單胞菌DNB-S1，顯著提升DBP降解效率達45.78%，同時調(diào)節(jié)土壤pH、磷鉀循環(huán)及抑制脫氮基因表達，實現(xiàn)污染物降解與土壤健康協(xié)同優(yōu)化。
阮瑞|王磊|關(guān)健|劉建安|張穎|賈曉晨|辛亞瑞
東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱，150030，中國
摘要
鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）是農(nóng)業(yè)土壤中常見的增塑劑污染物，被歸類為優(yōu)先控制的鄰苯二甲酸酯。通過將假單胞菌DNB-S1固定在納米羥基磷灰石（n-HAP）改性的生物炭（BC）上，開發(fā)出了一種基于生物炭的改良劑（nBCS1）。這種改性增加了載體的表面積，并豐富了表面含氧官能團（如-OH和P-O）。固定后的DNB-S1在56小時內(nèi)表現(xiàn)出82%的增殖率，其DBP降解效率比BCS1高出45.78%。微宇宙實驗表明，nBCS1-0.5對DBP的去除率為4%，比BC高出88.30%，比BCS1高出53.12%。此外，nBCS1顯著增強了土壤磷酸酶活性，這與有效磷含量密切相關(guān)。nBCS1還提高了土壤中無機氮的含量，促進了將氮轉(zhuǎn)化為植物可利用形式（NO??）的硝化過程，減少了關(guān)鍵反硝化基因的豐度，抑制了氮的損失途徑。nBCS1使土壤pH值提高了0.43個單位（nBCS1-0.5和BC的應(yīng)用量相同），并且與土壤DBP降解率呈正相關(guān)，降低了土壤酸化潛力。作為改性材料的n-HAP增強了固定載體的結(jié)構(gòu)形態(tài)和表面化學(xué)性質(zhì)，并富集了環(huán)境中的磷和鈣元素。此外，nBC作為一種生物調(diào)節(jié)劑，逐漸改善了酸性微環(huán)境，支持了微生物的生長，并刺激了土壤脲酶和磷酸酶的活性。這些多功能特性使nBCS1成為一種高性能的土壤改良劑，為促進土壤健康提供了創(chuàng)新的技術(shù)方法。
引言
鄰苯二甲酸酯（PAEs）在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中廣泛用作增塑劑，也是潤滑油、農(nóng)藥和涂料中的常見添加劑[25]。其全球年產(chǎn)量約為600萬噸[100]、[26]、[86]。盡管鄰苯二甲酸酯的使用帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但也引發(fā)了許多環(huán)境問題。由于PAEs以非共價鍵的形式與塑料基質(zhì)結(jié)合，隨著塑料的老化和分解，它們?nèi)菀揍尫诺剿⒖諝狻⑼寥馈⒊练e物和其他環(huán)境介質(zhì)中[38]、[72]。鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）是農(nóng)業(yè)土壤中最常檢測到的高濃度PAEs單體之一，主要分布在表層土壤中[38]、[52]、[61]。研究表明，DBP和DEHP會干擾土壤微生物群落，對作物生長、光合作用和抗氧化系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，并可能被水稻、小麥和蔬菜吸收和積累[27]、[28]、[64]、[81]。PAEs的作用類似于雌激素，會干擾生物體的內(nèi)分泌功能，產(chǎn)生致癌、致畸和致突變效應(yīng)[116]、[72]、[84]。
生物炭（BC）作為一種固體廢物資源，因其高比表面積、高孔隙率、豐富的官能團和高陽離子交換能力而被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境的土壤改良[53]、[66]、[75]。它可以從多種來源制備，包括木材、秸稈、竹子、果皮甚至動物廢物[46]、[92]。生物炭的常見制備方法包括熱解、水熱碳化和氣化[88]。最近的研究強調(diào)了BC在碳封存和減排、優(yōu)化土壤性質(zhì)、吸附農(nóng)用化學(xué)品以及鈍化土壤重金屬方面的廣泛應(yīng)用前景[7]、[96]。通常認為，原始生物炭材料具有較差的吸附性能、催化活性和分離難度[14]、[31]、[49]、[55]。通過物理、化學(xué)、生物等方法對生物炭進行改性，可以改善其結(jié)構(gòu)特性和表面化學(xué)性質(zhì)，從而提高其修復(fù)效果和環(huán)境效益[1]、[75]、[78]。在水中，新型磁性生物炭復(fù)合材料（FeCo-MOF@mBC）表現(xiàn)出最大的理論DBP吸附能力，為83.56 mg·g?1，顯著高于原始生物炭（14.55 mg·g?1）和純MOF（37.07 mg·g?1）[115]。
納米羥基磷灰石（n-HAP，Ca??(PO?)?(OH)?）是一種低毒性的磷酸鈣家族礦物，具有較低的毒性成本。它具有較小的粒徑和較高的比表面積，表現(xiàn)出較高的吸附能力和易于聚集的特性[3]、[87]。特別是，n-HAP與有機污染物的相互作用更強，有助于降低水系統(tǒng)和土壤系統(tǒng)中鎘和砷的毒性[121]、[24]、[77]。研究表明，生物炭的碳骨架可以抑制n-HAP的積累，從而獲得更大的比表面積、孔體積和更多的官能團暴露[121]。因此，n-HAP和生物炭復(fù)合材料的合成可以產(chǎn)生優(yōu)異的吸附/改性能力，這是單個組分或簡單混合物無法實現(xiàn)的[12]。納米羥基磷灰石改性的生物炭（nBC）可以作為一種潛在的修復(fù)材料[3]。迄今為止，關(guān)于納米羥基磷灰石改性生物炭對受PAEs污染土壤的改善效果尚不清楚，相關(guān)分析的討論也非常有限。
在本研究中，微生物修復(fù)DBP被認為是一種非常有前景的方法，其降解途徑徹底且環(huán)保[113]、[41]。分離出的微生物表現(xiàn)出較高的去除效率，最終通過預(yù)測的降解途徑將污染物完全礦化為H?O和CO?。具體來說，Bacillus sp. MY156菌株在300 mg·L?1的濃度下60小時內(nèi)實現(xiàn)了超過80%的去除率。N-1-gfp菌株在培養(yǎng)液中5天內(nèi)實現(xiàn)了99.7%的DBP去除率。基于Bacillus sp. J7、Serratia sp. G9和J14的MBS在7天內(nèi)去除了500 mg·L?1的DBP，去除率為97.32%[47]、[62]、[99]。然而，當引入土壤時，單一功能的微生物會面臨本土微生物群落的競爭。固定微生物技術(shù)被認為是一種有吸引力的策略，通過將功能性微生物固定在合適的載體上，在有限的空間內(nèi)維持其高密度和生物活性，以應(yīng)對復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。研究表明，固定微生物修復(fù)有機污染土壤的機制包括增強細菌酶活性、固定菌株的持久性以及它們對高污染物負荷和惡劣環(huán)境的耐受性[112]。具體來說，內(nèi)生Bacillus siamensis菌株T7固定在稻殼生物炭中，通過提高降解速率常數(shù)（從0.1979 d?1提高到0.2434 d?1）和縮短半衰期（從2.3131 d縮短到2.1062 d），同時減少了葉類蔬菜對其的吸收[21]。在DK-P3和BHF@DK-P3組中，DBP的降解率分別達到了91.65%和93.25%，比自然降解組在土壤實驗中的降解率高出34.03%和35.13%[85]。碳質(zhì)材料、生物炭和海藻酸鈉與固定微生物結(jié)合使用，可以改善DEHP和DBP的去除率[56]、[90]、[95]。
先前的研究獨立證明了生物炭復(fù)合材料在污染物吸附或微生物固定方面的潛力，但仍存在顯著的知識空白。首先，大多數(shù)改性生物炭載體的研究相對單一，它們更側(cè)重于去除土壤有機污染物，而不是修復(fù)土壤重金屬污染。其次，評估通常僅限于污染物去除效率或土壤性質(zhì)的變化，或者在純培養(yǎng)物或簡單配置的土壤中進行。關(guān)鍵的是，這些改良措施未能全面考慮對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能和植物響應(yīng)的綜合影響。
為了填補這些空白，本研究將一種能夠降解DBP的細菌（DNB-S1）固定在納米羥基磷灰石改性的生物炭（nBC）上，開發(fā)出了一種多功能土壤改良劑。我們假設(shè)nBC載體不僅起到支撐作用，還作為一種積極的“微環(huán)境調(diào)節(jié)劑”，通過調(diào)節(jié)pH值和提供磷來增強微生物性能，同時改善土壤質(zhì)量。更重要的是，我們在土壤-植物微宇宙中系統(tǒng)評估了這種改良劑，旨在實現(xiàn)DBP的修復(fù)和土壤健康的提升。此外，我們通過研究關(guān)鍵氮循環(huán)基因的響應(yīng)，深入探討了該改良劑調(diào)節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的機制。
測試菌株、土壤、植物和試劑
假單胞菌 DNB-S1是一種高效的DBP降解菌株，通過實驗室篩選獲得。它能夠以DBP作為唯一的碳源。在初始DBP濃度（唯一碳源）為500 mg·L?1時，DBP的降解率在48小時內(nèi)達到90%，這一過程符合一級動力學(xué)[104]。該菌株已在GenBank數(shù)據(jù)庫中注冊，登錄號為KP243192。
表層土壤（0-20 cm，Mollisols，USDA分類）來自
BC和nBC的多孔結(jié)構(gòu)表征
孔結(jié)構(gòu)是基于碳的土壤改良劑的重要物理化學(xué)性質(zhì)。較大的比表面積和孔體積意味著更強的吸附和交換能力。更多微孔（<2 nm）和中孔（2-50 nm）對孔體積的貢獻更為顯著。然而，大孔（>50 nm）不是固定微生物和提供微生物棲息地的最佳選擇，因此不符合我們的需求。BC和nBC的孔結(jié)構(gòu)結(jié)果如下
n-HAP改性的生物炭作為生物刺激劑，調(diào)節(jié)了DNB-S1降解細菌的活力
在DBP的微生物降解過程中，會產(chǎn)生弱酸性的有機化合物，如鄰苯二甲酸、苯甲酸和兒茶酚作為代謝中間體[104]、[22]、[83]。培養(yǎng)基的逐漸酸化會抑制微生物代謝，從而限制營養(yǎng)物質(zhì)的利用并減少微生物的數(shù)量和活性[10]、[114]、[93]。生物炭作為固定載體已被廣泛研究，用于提供微生物庇護所和供應(yīng)
結(jié)論
nBCS1土壤改良劑提供了一種多功能且經(jīng)濟可行的土壤修復(fù)方案。其核心優(yōu)勢包括可以直接應(yīng)用于土壤，并提供更高的材料安全性。這種“多效”設(shè)計解決了單一功能材料的局限性。此外，nBCS1在調(diào)節(jié)土壤pH值、調(diào)控養(yǎng)分供應(yīng)和降解污染物（如DBP）方面表現(xiàn)出實際效益，使其適用于具有復(fù)合污染和肥力需求的土壤。
CRediT作者貢獻聲明
辛亞瑞：可視化、軟件處理。王磊：寫作 – 審稿與編輯、監(jiān)督、概念化。阮瑞：寫作 – 原稿撰寫、可視化、驗證、概念化。賈曉晨：方法學(xué)、調(diào)查、數(shù)據(jù)管理。張穎：資源獲取、項目管理。劉建安：可視化、軟件處理、數(shù)據(jù)管理。關(guān)健：可視化、數(shù)據(jù)管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
