项目文章｜红麻生物炭增强巴马火麻对多金属污染矿区土壤的植物稳定作用及生长促进
2025-12-19 14:10:02
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南京维百瑞检测为其提供元素检测服务
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重金属（Heavy Metals，HM）污染严重威胁农业生态与人体健康。生物炭施用、植物修复等绿色方案已成为重金属固定的潜在有效手段。红麻生物炭（kenaf biochar，KBC）凭借其独特的孔隙结构和丰富的表面官能团，在重金属固定方面展现出显著潜力；而工业大麻因其高生物量以及对重金属胁迫的强耐受性，被视为理想的修复植物。然而，目前关于工业大麻在生理和分子层面响应重金属胁迫的内在机制研究仍然不足。
近期，广西大学农学院陈鹏教授团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了题为“Kenaf biochar enhances heavy metal phytostabilization and growth of industrial hemp (Cannabis sativa L.) using multi-metal contaminated mining site soils”的研究型论文。该研究以矿区多金属污染土壤为供试基质，聚焦广西巴马县特色本地工业大麻品种——巴马火麻（Bama hemp），从生理与分子层面系统探讨了红麻生物炭（KBC）在促进其生长与增强重金属稳定化方面的作用机制，为矿区退化土壤的绿色修复提供了重要的理论支撑。
发表单位：广西大学农学院 发表期刊：Plant Physiology and Biochemistry 影响因子：5.7 发表时间：2025.10 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2025.110312 南京维百瑞检测为其提供元素检测服务
技术路线
研究结果
1、KBC在水相吸附中的形态光谱表征
吸附前红麻生物炭的表征结果显示，其形态松散，表面光滑且孔隙开放；此外，SEM - EDS 元素图谱证实红麻生物炭表面不存在重金属污染物。
在多金属条件下，红麻生物炭—混合重金属体系（KBC—Mix）的表面发生显著变化，包括颗粒团聚和孔隙堵塞。EDS定量分析发现大量镉（46.57%）、锌和锰积累。傅里叶变换红外光谱（FTIR）光谱分析显示，KBC—Mix样品中官能团的振动峰和强度发生明显变化。
2、KBC在水相三元体系中的吸附特性
吸附动力学分析结果表明，Cd²⁺的平衡吸附容量最高，分别是Mn²⁺的1.69倍和Zn²⁺的1.00倍。等温吸附结果表明，红麻生物炭在三元体系中对重金属的吸附符合Freundlich等温模型拟合曲线（R2=0.922-0.956 ），支持其表面多层吸附的假设。
动力学和等温线的综合证据表明，在复杂金属基质中，KBC对镉具有优先吸附亲和力。这种优先性在很大程度上受KBC表面异质性的影响，而表面异质性在决定多组分吸附过程的动力学方面起着关键作用。 图1：KBC的形态及吸附特性分析
3、多组分体系中KBC的剂量依赖性吸附性能
红麻生物炭用量（0.01~0.45g）的系统变化表明，在Cd²⁺、Zn²⁺和Mn²⁺的三元体系中，最大去除效率顺序为：Zn²⁺> Cd²⁺> Mn²⁺。剂量依赖性吸附趋势与前期确定的伪二级动力学及Freundlich等温模型曲线一致，证实了表面异质性驱动的物理吸附是主要机制。
4、土壤施用KBC改善巴马火麻（Bama hemp）的生长及生理状态与对照组（CK）相比，KBC处理组的巴马火麻株高、茎粗分别显著增加 24.28% 和 9.35%（P<0.05），地上部与根系鲜重、干重均明显提升，且根系结构更发达，根投影面积、根体积等关键参数显著提高；FTIR光谱显示，KBC处理组巴马火麻3387-3433cm⁻¹ 区域碳水化合物的伸缩振动峰更强，且根系和叶片中各类官能团吸收峰强度均显著提升，表明植株代谢活性增强。
图2：矿区污染土壤中KBC施用对巴马火麻根系形态及农艺性状的影响
5、施用KBC增强巴马火麻的抗氧化能力并减少脂质过氧化
丙二醛（MDA）是评估植物细胞膜脂过氧化程度的关键指标，KBC处理后，巴马火麻叶片中MDA含量较对照组显著降低，表明细胞膜损伤减轻。同时，脯氨酸、总淀粉酶和β-淀粉酶含量升高，而α-淀粉酶含量较对照组降低，说明代谢平衡得到调整。
此外，KBC处理显著增强了SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性，并促进谷胱甘肽代谢相关酶的表达。ROS荧光检测与二氨基联苯胺（DAB）染色结果显示，KBC处理有效降低植株中ROS与H₂O₂的积累，提示其通过强化抗氧化系统、调节代谢平衡，增强巴马火麻对重金属胁迫的适应性。 图3：KBC对巴马火麻生理生化特性的影响
6、施用KBC对光合作用和气体交换能力的影响
作者通过测定叶片中的叶绿素含量和气体交换参数，探究KBC对巴马火麻的影响：KBC处理组的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著增加，净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均呈现上升趋势；而胞间CO₂浓度显著降低。这些结果表明KBC可显著恢复重金属胁迫下巴马火麻的光合作用与气体交换功能，且净光合速率降低与气孔因素无关。
图4：叶绿素及光合气体交换参数 7、施用KBC有效阻控重金属从污染土壤向巴马火麻的迁移与积累 施用KBC显著降低根、茎、叶中多种重金属（镍、铅、镉、铜、锰和锌）含量，有效抑制重金属在植物体内的富集与转运，这一作用与降低土壤中重金属的生物有效性相关。同时，KBC处理可显著减少土壤中重金属的总量及有效态含量，从而影响植物组织对重金属的吸收积累。
图5：KBC对巴马火麻元素吸收的影响
8、施用KBC减少巴马火麻对重金属的吸收
施用KBC通过改善土壤理化性质、提升土壤酶活性（脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶）、改变土壤表面形态，增强对重金属的固定能力。扫描电镜（SEM）分析显示，对照组和KBC处理组的土壤表面形态存在显著差异。对照组土壤表面未观察到KBC颗粒附着，而KBC处理组的土壤表面则清晰观察到颗粒附着现象。此外，能谱分析（EDS）显示，与对照组相比，KBC处理组土壤中重金属矿物相的分布密度显著降低，进一步验证KBC的重金属固定效果。
表1：土壤理化性质分析结果 图6：红麻生物炭（KBC）对土壤矿物相及植物组织官能团的影响
9、巴马火麻重金属离子富集能力与其他生理特性的相关性分析
通过相关性分析，研究了巴马火麻重金属富集与生理特性之间的关系。结果表明，巴马火麻根系和叶片中镍、锰、镉、铅和铜的含量与丙二醛（MDA）含量和胞间 CO₂浓度（Ci）呈正相关；相反，根系中锌的含量与其他生理特性呈负相关。
10、差异表达基因（DEGs）与通路分析
该研究对KBC处理与对照组的巴马火麻叶片进行了比较转录组分析，共鉴定出22632个注释基因，其中差异表达基因（DEGs）1410个（上调581个，下调829个）。GO与KEGG富集分析显示，DEGs显著富集于苯丙烷、类黄酮及萜类生物合成等次级代谢通路，并涉及防御反应与氧化还原酶活性等，提示KBC通过协同调控次生代谢产物合成与氧化还原稳态，显著增强植物对重金属胁迫的耐受性。
KBC处理改变了关键重金属响应基因的表达：上调光合作用相关基因atpD，富集苯丙烷代谢与类黄酮合成基因；同时增强抗坏血酸-谷胱甘肽代谢途径，上调GST、GSS等抗氧化基因；并调控金属转运蛋白表达，如上调YSL（Fe）、MTP（Pb），下调ZIP（Zn）、COPT（Cu）。此外，KBC通过激活MAPK信号通路与协调生长素、茉莉酸等激素信号网络，全面重构了植物胁迫响应体系。上述结果表明，KBC通过多层次转录重编程，协同调控次生代谢、抗氧化防御、离子稳态及信号转导过程，系统增强了巴马火麻的重金属耐受性与修复潜力。 图7：转录组调控网络过程分析
小瑞论文总结 本研究元素检测由南京维百瑞检测提供。 为系统评估红麻生物炭（Kenaf biochar，KBC）的修复潜力，作者团队采用两阶段方法，结合矿区污染土壤与巴马火麻开展实验。首先，在水溶液中进行批量吸附实验，确定KBC对Cd²⁺、Zn²⁺和Mn²⁺的吸附动力学、等温线特征及最佳用量；随后，利用锌锰矿区污染土壤进行盆栽实验，验证KBC降低在重金属生物有效性和促进植物生长的效果。实验以按花盆土壤质量的2%添加KBC的处理为实验组，未添加KBC的处理为对照组（CK），开展三元吸附实验和土壤盆栽修复实验，旨在为KBC促进工业大麻重金属解毒提供新见解。 研究结果表明： （1）吸附动力学实验揭示重金属被KBC吸附的机制； （2）KBC在土壤中吸附重金属，改善土壤理化性质，显著降低重金属生物有效性，从而抑制巴马火麻对重金属的吸收； （3）转录组分析表明，KBC处理可上调光合作用相关基因表达，增强抗氧化酶系统活性，并调控金属转运蛋白表达，从而提升巴马火麻的重金属耐受性。 本研究从吸附行为、生理响应与分子调控多维度探究KBC对巴马火麻重金属解毒的机制，为促进矿区污染土壤的植物修复与安全利用提供科学依据。 图8：红麻生物炭增强巴马火麻对多金属污染矿区土壤的植物稳定作用及生长促进机制图
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