入侵植物源生物炭与荨麻粉调控黑杨修复砷铅污染Technosol的微生物群落构建与网络稳定性研究

《Science of The Total Environment》：Adding invasive alien plant-derived biochar and stinging nettle powder in Populus nigra phytoremediation of arsenic- and lead-contaminated Technosol alters microbial community assembly and network stability

　　本研究针对重金属污染土壤修复中微生物群落响应机制不明确的问题，通过中宇宙实验探讨了两种入侵植物（臭椿、巨大一枝黄花）源生物炭（2% vs 5%）单独及与荨麻粉联用对黑杨修复体系下微生物群落组装、生态位宽度及共现网络稳定性的影响。研究发现5%生物炭剂量通过提升土壤pH和EC（电导率）增强了环境选择压力，细菌群落组装以随机过程（扩散主导）为主，而真菌群落确定性增强且生态位窄化。生物炭与荨麻联用提升了网络复杂性，细菌网络呈现高模块化与负连接，真菌网络则非模块化且对枢纽节点损失敏感。研究为优化土壤修复的改良剂应用策略提供了微生物生态学理论依据。

　　

随着工业化和矿业活动的持续，土壤重金属污染已成为全球性的环境挑战。传统的物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染，而植物修复（Phytoremediation）作为一种环境友好型技术，因其成本低、适用性广而受到青睐。然而，重金属污染土壤往往存在养分匮乏、微生物活性低等问题，直接进行植物修复效率有限。因此，如何通过添加土壤改良剂来改善根际微环境、促进植物生长并激活土壤微生物群落，成为提升修复效率的关键。

在众多改良剂中，生物炭（Biochar）因其多孔结构、高比表面积和丰富的官能团，被认为能有效固定土壤中的重金属，并为微生物提供栖息地。同时，将入侵外来植物物种（Invasive Alien Plant Species, IAPS）的生物质转化为生物炭，不仅可实现废物资源化利用，符合循环生物经济（Circular Bioeconomy）理念，还能在一定程度上控制IAPS的生态危害。此外，荨麻（Urtica dioica）作为一种超富集植物（Hyperaccumulator），其粉末含有丰富的营养物质和有机配体，能与重金属形成络合物，促进植物吸收。然而，生物炭与有机改良剂联用后，如何影响土壤微生物群落的构建过程、物种间的相互作用以及整个生态系统的稳定性，目前尚缺乏系统性的研究。特别是，微生物群落的响应是否依赖于生物炭的类型、剂量以及是否与其他改良剂联用，这些因素之间的相互作用机制仍不明确。

为了回答这些问题，由Snezhana Mourouzidou等人组成的研究团队在《Science of The Total Environment》上发表了一项研究，他们以法国Pontgibaud一处前银铅矿场的重金属污染Technosol（人为改造土壤）为研究对象，在黑杨（Populus nigra）修复体系中，系统探究了两种IAPS源生物炭（分别来自臭椿Ailanthus altissima和巨大一枝黄花Solidago gigantea）在不同剂量（2%与5%， w/w）下，单独或与荨麻粉联用，对土壤微生物（细菌和真菌）群落的影响。

研究人员开展了一项为期47天的受控中宇宙（Mesocosm）实验。他们采集了法国Pontgibaud前银铅矿场的污染土壤（Technosol）。两种入侵植物（臭椿和巨大一枝黄花）的生物质经过550°C慢速热解制备成生物炭。实验设置了10个处理组，包括未改良的对照土壤、单独施用2%或5%的两种生物炭、单独施用2%荨麻粉、以及生物炭与荨麻粉的组合施用。每个处理设置5个重复。在实验第47天（微生物群落趋于稳定时）采集土壤样品，使用牛津纳米孔技术（Oxford Nanopore Technologies）的MinION平台进行全长16S rRNA基因（细菌）和ITS2区域（真菌）的扩增子测序。随后利用DADA2流程进行扩增子序列变异（Amplicon Sequence Variants, ASVs）分析。研究团队运用了多种生态学分析方法和模型：通过零模型（Null Model）和标准化随机性比率（Normalized Stochasticity Ratio, NST）量化群落组装过程（随机性与确定性）；利用莱文斯指数（Levins index）计算微生物的生态位宽度（Niche Breadth）和生态位重叠（Niche Overlap）；基于斯皮尔曼相关（Spearman correlation）构建微生物共现网络（Co-occurrence Network），并分析其拓扑特性（如模块性Modularity、平均聚类系数AvgCC等）；通过随机节点移除模拟扰动，评估网络稳定性（如最大连通分量LCC、自然连通性NC）；采用随机森林（Random Forest）模型识别影响网络稳定性的关键预测因子；并利用冗余分析（Redundancy Analysis, RDA）和结构方程模型（Structural Equation Modeling, SEM）探究环境因子（pH、EC、砷As、铅Pb、生物富集因子BCF）与微生物群落的关系。

3.1. 土壤理化性质

所有改良剂处理均显著提高了土壤pH值，特别是5%生物炭处理（OBA5, OBS5）使土壤呈碱性。电导率（EC）在巨大一枝黄花源生物炭处理（BS2, BS5）中增加最为显著，呈现剂量依赖性。与酸性对照相比，改良处理，尤其是OBA5和OBS2，导致了砷（As）的活化释放。铅（Pb）浓度在所有改良处理中均显著降低。

3.2. 微生物多样性和组成

细菌的香农-维纳（Shannon-Weiner）多样性在生物炭与荨麻粉联用的2%处理（如OBA2, OBS2）中显著高于对照和5%单独生物炭处理。真菌多样性对不同处理的响应不如细菌明显。在群落组成上，对照土壤中蓝藻菌门（Cyanobacteria）和芽孢杆菌门（Bacillota）占主导，而改良土壤中拟杆菌门（Bacteroidota）和Dependentiae的相对丰度增加。真菌群落中，子囊菌门（Ascomycota）是优势菌门。非度量多维尺度分析（NMDS）和相似性分析（ANOSIM）表明，细菌群落结构在不同处理间存在显著分离，而真菌群落的分离程度较弱。

3.3. 微生物群落组装

3.3.1. 生态位宽度和重叠

细菌的生态位宽度在2%生物炭与荨麻粉联用处理（如OBA2, OBS2）中最宽，表明细菌趋向于泛化策略（Generalists）。相反，真菌的生态位宽度在改良后变窄，尤其在巨大一枝黄花源生物炭处理中，表明真菌趋向于特化策略（Specialists）。细菌的生态位重叠在BA2和OBA2处理中最高，而真菌的生态位重叠在BA2处理中最高。总体而言，生态位宽度与生态位重叠呈负相关关系。

3.3.2. 主导微生物群落组装的过程

零模型分析表明，细菌群落的组装以随机过程（主要是扩散）为主导（随机性比率50–78%）。真菌群落的组装则主要由确定性过程主导（随机性比率22–45%）。斯隆中性模型（Sloan neutral model）拟合进一步显示，细菌群落的迁移率（m）在对照和臭椿源生物炭处理中较高，表明扩散作用强；而在5%生物炭与荨麻粉联用处理（OBA5, OBS5）中迁移率降低，表明环境过滤或生态漂变作用增强。真菌群落的迁移率普遍较低，支持其组装过程更具确定性的结论。

3.4. 网络群落结构

3.4.1. 细菌网络

与对照相比，大多数改良处理下的细菌共现网络节点和连接数减少，但连接密度（AvgK）和平均聚类系数（AvgCC）在含有荨麻粉的处理中有所增加。细菌网络中负相关连接的比例在改良后升高（例如OBA2达47.8%），而对照仅为32.4%。臭椿源生物炭处理（BA2, BA5, OBA2, OBA5）的细菌网络表现出较高的模块性（Modularity, Q）。

3.4.2. 真菌网络

真菌网络的节点和连接数在不同处理间变化相对较小。所有真菌网络均表现出小世界特性（Small-Worldness Index > 1），但其模块性普遍较低（Q < 0.4），表明其结构相对均一，缺乏明显的模块划分。真菌网络中的负连接数量很少。

3.4.3. 关键类群和网络稳定性的拓扑特征

随机森林模型分析显示，对于细菌网络，节点中心性指标（如紧密度中心性Closeness centrality）是预测节点稳定性的重要因素。而对于真菌网络，处理身份（Treatment identity）是主导预测因子，表明外部环境条件对真菌网络稳定性的影响更大。网络稳健性（Robustness）分析表明，细菌网络在所有处理下都表现出较高且一致的稳定性。相反，真菌网络的稳定性较低且变异性大，尤其在对枢纽节点（Hub nodes）进行针对性移除时，网络连通性下降更为明显，表明真菌网络对关键物种的损失更为敏感。

3.5. 环境压力

冗余分析（RDA）表明，pH、EC、As、Pb和BCF共同解释了细菌群落变异的28.4%，且均为显著预测因子。对于真菌群落，只有EC是显著预测因子，整体模型不显著，暗示真菌群落可能受其他未测量因素（如植物分泌物、微气候）影响更大。结构方程模型（SEM）进一步确认，As和BCF(As)是细菌α多样性的显著预测因子；EC和BCF是细菌β多样性的预测因子；As和生物炭浓度是细菌生态位宽度的预测因子；EC是真菌β多样性的预测因子；生物炭浓度是真菌生态位宽度的预测因子。

本研究通过整合生态位理论、零模型和网络分析，深入揭示了生物炭和荨麻粉改良剂对污染土壤微生物群落的多层次影响。研究结论指出，在重金属污染土壤的修复中，微生物群落的响应具有菌域特异性（Kingdom-specific）。细菌群落的组装主要由随机过程（尤其是扩散）主导，其生态位在2%生物炭与荨麻粉联用下得以拓宽，网络结构更具模块化，从而表现出更强的稳健性（Robustness）。相反，真菌群落的组装更多受确定性过程控制，在改良后生态位窄化、趋向特化，其共现网络非模块化且对枢纽节点的损失敏感，稳定性较低。

研究的重要意义在于：首先，它强调了“剂量效应”和“协同效应”。高剂量（5%）生物炭虽然能有效固定Pb，但可能导致土壤过碱化和盐渍化（EC急剧升高），反而不利于微生物（尤其是真菌）群落的稳定。而2%生物炭与荨麻粉的联合应用，在提升细菌多样性、促进随机组装过程和增强网络稳定性方面表现出最佳效果，这为设计优化应用方案提供了关键阈值。其次，研究揭示了生物炭类型的影响，臭椿源生物炭在处理中倾向于形成更模块化、更稳定的细菌网络。此外，研究首次将入侵植物生物质转化为生物炭用于此类修复场景，体现了废物资源化和生态管理的结合。最后，该研究超越了传统的多样性指标，从群落组装机制、生态位动态和网络稳定性等多个维度评估改良剂的效果，为理解和预测土壤生态系统在修复干预下的响应提供了更全面的生态学框架，对制定科学的土壤生物修复策略具有重要的指导意义。