铁改性生物炭调控水稻根系代谢抑制锑积累的分子机制研究

本研究针对锑(Sb)污染农田生态修复的迫切需求，创新性地采用柚子皮制备铁改性生物炭(FeBC)，系统探究其对水稻根系代谢重编程、锑积累抑制及生长促进的多重效应。通过SEM-EDS/XRD-FTIR表征材料特性，结合代谢组学分析发现FeBC通过激活苯丙氨酸/色氨酸生物合成等5条关键通路，使根系锑积累降低28.03%同时促进生长84.6%，为重金属污染农田的绿色修复提供新策略。

　　

锑(Sb)作为战略重金属在工业领域广泛应用，但采矿冶炼等活动导致农田锑污染日益严重。这种具有低生物降解性和高植物有效性的污染物，通过食物链传递会对人体造成致癌、心血管损伤等多重危害。水稻作为主要粮食作物对锑具有强富集能力，如何降低稻米锑含量同时保障产量成为农业环境领域的重大挑战。传统物理化学修复方法存在成本高、易破坏土壤生态等问题，而生物炭(BC)因其多孔结构和表面官能团成为新兴修复材料，但普通生物炭对锑的固定效率有限。

湖南人文科技学院农业与生物技术学院的研究团队创新性地利用农业废弃物柚子皮制备铁改性生物炭(FeBC)，在《BMC Plant Biology》发表的研究揭示了FeBC通过三重机制协同作用：表面铁氧化物增强锑吸附、孔隙结构形成物理屏障、调控根系代谢网络。研究采用水热法合成FeBC，通过SEM-EDS/XRD-FTIR进行材料表征；设置30 mg/L锑胁迫下的水稻水培实验，比较原始生物炭(BC)与FeBC处理效果；利用LC-MS非靶向代谢组学分析根系代谢物变化；结合PLS-DA模型和KEGG通路分析解析关键代谢途径。

材料表征揭示结构优势

扫描电镜显示FeBC形成蜂窝状管状多孔结构，EDS证实铁元素均匀分布，XRD检测到Fe₂O₃晶体特征峰，FTIR在575 cm^-1处出现Fe-O振动峰，这些结构特性为锑吸附提供更多活性位点。

生长促进与锑积累抑制

FeBC处理使水稻根长增加84.6%，显著优于BC的35.04%；同时根系锑含量降低28.03%，表明材料兼具促生长与阻控污染的双重功效。

代谢重编程机制解析

代谢组学鉴定出349个差异代谢物，FeBC特异性下调p-香豆酰胍丁胺(降幅75%)等防御物质，上调(S)-猕猴桃碱(增幅187%)等生长促进物质。KEGG分析显示关键通路包括：苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成、溶酶体降解、色氨酸代谢、共轭亚油酸(CoA)生物合成，这些通路协同增强抗氧化能力和营养利用效率。

该研究首次阐明FeBC通过"表面修饰-物理阻隔-代谢调控"三位一体机制缓解锑毒害。相比传统修复材料，农业废弃物衍生的FeBC具有成本低、环境友好、修复-增产双效合一等优势，为重金属污染农田安全利用提供创新解决方案。研究揭示的根系代谢网络调控机制，为开发基于代谢工程的重金属低积累作物品种提供新思路。未来研究可结合X射线吸收近边结构分析等技术，进一步探究锑形态转化与铁膜形成的分子关联。