农田土壤普遍存在重金属-农药复合污染，威胁土壤质量与人体健康。传统修复手段成本高、易产生二次危害，单独使用堆肥、生物炭或微生物菌剂修复均存在明显短板。入侵植物紫茎泽兰生物量大，可资源化制备修复材料，但三者联合修复的机理尚不明确。因此本研究利用紫茎泽兰制备改良剂，结合宏基因组技术探究其对污染土壤的修复效果与内在机制。
文献信息
| 文献标题 | Waste- to- resource bioremediation: Synergistic immobilization of multi- metal contamination by Ageratina adenophora- derived compost- biochar with microbial inoculants restores soil microbial genetic potential. |
| 文献译名 | 废物转化为资源的生物修复：紫茎泽兰源堆肥-生物炭配施微生物菌剂协同固持重金属污染并恢复土壤微生物遗传潜力 |
| 期刊名称 | Chemical Engineering Journal (CEJ) |
| 影响因子 | 12.5 |
| 发表时间 | 2026年8月6日 |
| 第一作者 | Yousif Abdelrahman Yousif Abdellah |
| 通讯作者 | 刘栋 |
| 单位 | 中国科学院昆明植物学研究所野生物种种质资源库和云南真菌多样性与绿色发展重点实验室 |
| DOI | https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.180451 |
| 检测支持 | 南京卡文思检测协助完成了理化性质、酶活、腐殖质组分和重金属检测相关的工作，为该项目提供了充分的理论依据和理论支持。 |
研究背景 Part.01
试验设计 Part.02
本研究以云南安宁受重金属-农药复合污染的菜园棕壤为供试土壤，选取入侵植物紫茎泽兰制备堆肥与 450℃ 厌氧热解生物炭，以芜菁为供试植物，设置5组微宇宙温室处理：不施加改良剂的空白对照 T0、单施 5% AA 堆肥 T1、单施 3% AA 生物炭 T2、单施恶臭假单胞菌-枯草芽孢杆菌复合菌剂 T3，以及 5% AA 堆肥 + 3% AA 生物炭 + 复合菌剂的核心复合处理 T4，每组设置3个生物学重复，分别在种植前、种植中期、种植收获后三个阶段采集土壤与植物样品。
图1 紫茎泽兰资源化与多组学联合修复设计示意图
研究结果 Part.03
1. 土壤理化、养分有效性与植物生长
不同改良处理对土壤养分的保留与提升效果存在时间动态差异，单一堆肥、生物炭处理会出现养分快速释放后消耗的“养分脉冲”现象，而 T4 复合处理能够在整个种植周期维持并提升土壤全钾、全氮、全磷养分留存水平，有效减少养分淋溶损失，其中全钾提升效果最为突出。
图2 各组和栽培阶段营养水平动态的示意图
2. 不同改良剂对重金属的固定效果
所有改良处理均可不同程度降低土壤 Cr、Pb、Cd、Cu、Zn 重金属生物有效性，T4 复合处理修复效果最优且稳定性强，存在显著协同钝化效应；单一改良处理易出现重金属生物有效性反弹，而 T4 处理可抵御根际环境带来的重金属再活化风险，其中 Zn、Cd 的固定效果最为突出，Cu 还表现出随修复时间延长钝化效果进一步增强的特征，堆肥提供有机配体、生物炭提供吸附位点、功能菌实现生物沉淀与矿化，三者互补共同实现重金属长效稳定固定。
3. 重金属健康风险评估
未修复污染土壤会造成儿童较高的非致癌与致癌健康风险，Cd 和 Pb 是主要风险贡献，T4 复合修复处理后儿童非致癌风险指数下降 32.4%、总致癌风险下降 39.7%，成人非致癌风险本底处于安全范围，修复后同步下降 32.4%；重金属中 Cd 的风险降低幅度最大，与作物植株体内镉残留量显著下降的结果相印证，但修复后儿童健康风险依旧未完全降至安全阈值，说明该重度污染农田还需要进一步强化修复手段或者延长修复周期。
图3 重金属的生物利用度
4. 土壤酶活性响应
土壤脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶、蔗糖酶的活性在 T4 复合处理下呈现快速激活且长期维持高活性的特征，区别于单一改良剂仅能带来短期酶活刺激随后活性衰减的现象，T4 处理下土壤氮素矿化、有机质分解、碳循环相关酶活显著提升，同时增强土壤抗氧化解毒能力。酶活提升效应在植物生长旺盛的种植中期表现最为明显，生物炭为微生物提供保护微生境是维持酶活稳定的重要原因。
图4 修复组和实验阶段关键土壤酶的活性
5. 有机质和腐殖化水平
T4 复合处理能够显著提升土壤总有机质、胡敏酸、富里酸、胡敏素的含量，各项腐殖化相关指标全程显著优于空白对照和单一改良处理，空白对照组土壤有机质与各类腐殖质组分随种植进程持续消耗衰减，单改良处理仅可实现短暂提升，无法维持长期效果；T4 依靠堆肥供给活性有机质、生物炭提供碳固持微环境、接种微生物加速有机质向稳定腐殖物质转化，减缓活性富里酸消耗，促进胡敏酸、胡敏素生成，强化土壤碳封存能力。
图5 不同条件下污染土壤中总有机质和腐殖化组分的动态变化
6. 土壤微生物群落结构变化
T4 复合改良可以显著提升土壤微生物群落的物种丰富度与群落均匀度，多样性指标随修复时间推移逐步升高，而对照组受重金属毒性、营养匮乏限制，微生物多样性维持较低水平形成资源受限的“贫困陷阱”；β多样性结果显示 T4 处理和对照组微生物群落组成存在显著差异，样本组内聚集度更高，群落结构更加均一。pH、有效磷、胡敏酸是驱动微生物群落发生改变的关键环境因子，更高的群落均匀度也提高了土壤微生物的功能冗余与环境抗扰动能力。
图6 不同群体和培养阶段的微生物群落多样性分析
7. 关键微生物类群及功能预测
T4 显著改变土壤微生物的物种组成，疣微菌门、绿弯菌门在 T4 处理下显著富集，分别对应复杂有机质降解以及土壤稳定生境的塑造作用；改良剂与植物根际的共同作用造成种植中期群落差异最大，特定微生物类群的持续富集，证明堆肥-生物炭-菌剂复合改良可以长期重塑土壤微生物群落组装模式，群落的生态驱动机制由对照组的环境胁迫驱动转变为资源供给驱动。
图7 三种栽培方式下微生物类群的相对丰度及其统计差异阶段
图8 不同改良处理下土壤微生物组的功能分析
8. 污染物相关基因与氮磷硫循环基因丰度
对照组抗生素抗性基因、可移动遗传元件丰度高，抗性基因水平转移风险大；T4 通过三种机制降低抗性基因与移动元件，削减抗性基因传播风险。同时，T4 改变氮、磷、硫循环功能基因丰度，养分矿化相关关键基因上调，从分子层面解释了土壤养分有效性提升的内在原因。
9. 改良后微生物与理化因子多元分析
理化因子对微生物群落解释度高；PCA 显示 T4 带来土壤系统整体性改变，修复效果随时间累积；富里酸、全钾、镉是关键区分指标，多数土壤质量指标得到改善，证实三联改良是修复污染农田的可靠策略。
图9 T0（对照，无改良）和T4（组合AA堆肥、AA生物炭和微生物接种剂）土壤养分、酶活性、病原体、腐殖化、重金属和微生物功能属性的主成分分析（PCA）。
图10 T4组与T0组对比总结
研究结论 Part.04
本研究证实紫茎泽兰堆肥-生物炭-微生物菌剂三联改良（T4）存在协同修复效果，重金属生物有效性下降 50-72%，效果优于单一处理叠加的理论预期；该处理提升土壤养分留存、腐殖化程度与土壤酶活性，提高微生物 α 多样性，促使微生物功能向养分循环通路转变，降低抗生素抗性基因、可移动遗传元件的丰度，验证了理化-生物协同修复机制。将入侵紫茎泽兰资源化，可为复合污染农田提供可推广的循环经济修复方案；后续建议利用宏转录组验证基因实际表达、评估重金属长期稳定性，并针对不同农业区域优化修复方案。