不同热解温度下细菌负载生物炭对土壤镉固定化的影响机制研究

针对高浓度镉(Cd)污染土壤中微生物活性受抑制的问题，研究人员通过将Cd耐受菌株(Achromobacter xylosoxidans和Enterobacter asburiae)负载于玉米秸秆生物炭(DBC)形成复合修复材料(BBC)，系统探究400-800°C热解温度下BBC对Cd的固定化效果。结果表明2%添加量的BBC-600使DTPA可提取态Cd降低38.7%，显著提升土壤微生物多样性，为重金属污染土壤的生物修复提供了新策略。

　　

随着工业化和农业集约化发展，土壤镉(Cd)污染已成为威胁我国82.8%污染农田的首要环境问题。这种高毒性重金属不仅通过食物链危害人体健康，其强移动性更会直接抑制土壤微生物活性，传统物理化学修复方法又存在成本高、易二次污染等缺陷。面对这一困境，生物炭负载微生物的联合修复技术近年来备受关注——生物炭(DBC)的多孔结构和丰富官能团既能固定重金属，又可作为微生物载体；而特定功能菌株则通过代谢活动进一步转化污染物。然而，热解温度如何影响生物炭-微生物复合体(BBC)的Cd固定化效率？多菌种协同作用能否突破单菌株修复瓶颈？这些问题尚未得到系统解答。

针对上述问题，我国科研团队在国家重点研发计划等项目支持下，创新性地将两种Cd耐受菌(Achromobacter xylosoxidans SL8和Enterobacter asburiae SL12)复合负载于不同温度(400/600/800°C)制备的玉米秸秆生物炭上。通过56天的土壤培养实验，结合DTPA提取法和BCR连续提取技术，系统评估了BBC对Cd形态转化的影响，并采用高通量测序解析了微生物群落响应机制。相关成果发表于《International Biodeterioration》期刊。

研究主要采用真空管炉制备三种热解温度生物炭(DBC-400/600/800)，通过元素分析仪和BET比表面积测试表征其理化性质；筛选并复合培养SL8和SL12菌株，采用吸附实验验证复合菌株的Cd耐受性；设置0.5%-2%的BBC添加梯度进行土壤培养实验；运用ICP-MS测定Cd含量变化，16S rRNA测序分析微生物群落结构。

Pyrolysis of biochars部分揭示热解温度显著影响生物炭特性：600°C时DBC-600比表面积达最大值(218 m²/g)，且表面含氧官能团最丰富，这为后续微生物负载提供了理想载体。Physicochemical characteristics部分证实DBC-600的pH(8.32)和灰分含量(28.7%)最有利于Cd的沉淀固定。

Conclusion部分得出三大结论：(1)BBC-600在2%添加量时效果最优，使交换态Cd降低9.3%，同时有机结合态和残渣态分别增加11.3%，表明其成功将活性Cd转化为稳定形态；(2)复合菌株协同作用使DTPA可提取态Cd降低幅度(38.7%)显著高于单菌体系；(3)BBC处理显著提升了土壤脱氢酶活性(1.8倍)，并富集了Rhodocyclaceae等Cd稳定化功能菌群。

该研究的突破性在于首次阐明600°C是制备微生物-生物炭复合体的最佳热解温度，其形成的介孔结构(2-50 nm)既能有效负载微生物，又保留了足够的表面官能团用于Cd络合。通过复合菌株的协同代谢，实现了Cd从生物吸附到生物矿化的多级固定化，为发展"碳固定-微生物激活"一体化土壤修复技术提供了理论依据。研究团队特别指出，BBC-600处理下形成的CdCO₃晶体和铁锰氧化物结合态是长期稳定性的关键，这一发现对指导田间修复实践具有重要价值。