近期，美吉客戶浙江大學環境與資源學院林道輝教授團隊在國際頂級期刊Nature Nanotechnology發表了題為「A new strategy using nanoscale zero-valent iron to simultaneously promote remediation and safe crop production in contaminated soil」的論文，該研究闡明了納米零價鐵（nZVI）用於有機物汙染土壤邊生產邊修復的效果與機制，為治理土壤汙染及保障農產品安全提供了一種新技術。
文章題目：A new strategy using nanoscale zero-valent iron to simultaneously promote remediation and safe crop production in contaminated soil
發表時間：2020
發表期刊：Nature Nanotechnology
影響因子：31.538
樣品來源：水稻根際土
研究手段：微生物多樣性
據統計，中國19％的農業土壤屬於汙染土壤，每年造成1200萬噸穀物的浪費。此外，預計到2050年，全球糧食需求和維持糧食安全困難將至少增加50％。這將增加種植農作物的壓力，因此需要同時進行土壤修復和安全的農業生產。
納米材料由於其高吸附能力和反應性以及減少和降解汙染物的能力而被認為是具有巨大潛力的環境修復技術。
研究表明納米級零價鐵（nZVI）在去除汙染物特別是有機氯方面具有獨特的潛力。nZVI還可以作為有前景的肥料，因為它具有促進鐵吸收和植物光合作用的潛力。但是需要對nZVI的有效性和安全性進行系統性的評估。與mZVI和Fe2+處理相比，三種nZVIs的PCP去除率最高（83.9-89.0％），顯示出納米級特異效果。三種nZVI處理的PCP去除率，水稻產量和水稻PCP含量均無顯著差異。因此考慮到功效和成本，nZVI100被選為最佳修復材料，並被用於進一步研究。
圖1 不同粒徑鐵對土壤修復和作物生產的影響
納米對照（0mgkg-1nZVI100）中PCP的去除率為55.5%，10mgkg-1nZVI100處理的去除率為62.8%，與納米對照無顯著差異，但100和1000mgk-1 nZVI100處理的去除率顯著提高(P＜0.05)，分別為82.7和88.6%。
重要的是，0mgkg-1nZVI100處理組和10mgkg-1 nZVI100處理組收穫水稻中PCP的累積量分別為2.68mgkg-1和2.52mgkg-1，與100mgkg -1和1000 mgkg-1處理相比，PCP的累積量顯著下降(P＜0.05)，分別下降85.1和86.2%。100mgkg-1nZVI100(6.90克/株)的產量顯著高於1000mgkg-1nZVI100(5.84克/株)的產量。
每公斤土壤100 mg nZVI100的水稻產量也顯著高於每公斤土壤0mgnZVI100和10mg nZVI100組以及對照組。
為研究nZVI100對水稻生產影響的潛在機制，測定了種植後30、70和140天的鐵分布、生物量和葉綠素a含量。同時研究了添加100和1000mgkg-1nZVI100通過誘導鐵膜的形成改變根的形態。氯酚(CP)對鐵斑的分析，顯示了PCP及其降解中間體的存在。
圖3 nZVI100對PCP降解和微生物群落結構的影響
（微生物群落的研究由美吉生物完成）
除了自然衰減之外，植物納米材料修復還有三種可能的途徑，即納米誘導去除、植物提取和微生物降解。
為了闡明這些過程的潛在貢獻，系統地研究了在nZVI100改良後的水稻栽培和不栽培的汙染土壤140天的修復性能(每公斤土壤100mg PCP)。在未添加nZVI100的未耕作土壤中，PCP的去除率最低(47.8%) ，這是自然衰減的結果。
在這些去除條件下，唯一檢測到的脫氯產物是2,3,4,5-四氯苯酚(2,3,4,5- TeCP)。10mgkg-1nZVI100和1000mgkg-1nZVI100分別增加了8.16% (P＞0.05)、17.0% (P＜0.05)和26.0% (P＜0.05)的PCP去除率，檢測到脫氯產物包括2,3,4,6- TeCP、2,3,4,5-TeCP、2,4,6-三氯苯酚(2,4,6- TCP)和3,4,5- TCP。
進行了單獨的植物研究，以評估單獨的水稻在汙染物修復中的作用。相對於自然衰減，單獨水稻栽培增加了7.7%的PCP去除率(P＜0.05)。通過植物對汙染物的直接吸收或根際微生物降解，植被可以加強汙染土壤的修復。
利用水稻組織中累積CPs計算植物修復的貢獻。總生物累積CPs為3.74mol /株，約佔土壤中PCP總去除量的0.50%。
值得注意的是，nZVI100和種植水稻對汙染物去除水平明顯高於單獨種植，100mgkg-1nZVI100和1000mgkg-1nZVI100分別為17.0+7.7=24.7%和26.0+7.7=33.7%，顯示出協同效應。考慮到植物修復可能的最小貢獻，得出結論PCP的去除主要是由土壤降解介導的。
nZVI100共處理下，PCP除降解為2,3,4,6- TeCP、2,3,4,5 - TeCP、2,4,6- TCp和3,4,5- TCP外，還降解為3,5-二氯苯酚(3,5- DCP)。進一步的脫氯(即氯酚和苯酚)或礦化(即CO2)產物未被檢測到，可能是由於它們的濃度相對較低和開放的栽培體系。然而，考慮到土壤中檢測到的CP含量下降，PCP很可能在共處理土壤中進一步降解甚至礦化。
這些數據表明，nZVI100和水稻栽培的協同作用提供了更廣泛的PCP降解途徑。nZVI與水稻栽培的協同處理可能整合了兩種不同的去滷途徑，從而實現進一步的去滷。分析140天土壤微生物群落結果，以確定nZVI 100和水稻栽培對去除PCP的作用。各組中檢測到的主要門是Firmicutes，Proteobacteria，Chloroflexi，Actinobacteria，Bacteroidetes ,Acidobacteria，Planctomycetes和Armatimonadetes。在PCP汙染的土壤中，Bacteroidetes的相對豐度從3.20增加到10.4% (P＜0.05)。
主坐標PCoA分析表明，從種植水稻和不種植水稻的PCP汙染土壤樣品分離，表明種植水稻可能通過改變微生物群落結構，以達到對汙染物降解有積極作用。
Bacteroidetes_ vadin HA17是豐度最高的擬桿菌，nZVI100處理在水稻栽培中顯著增加；在每公斤土壤中添加100mg nZVI100後，其相對豐度從8.02%(不添加nZVI100)增加到11.3% (P＜0.05)。
Bacteroidetes_vadin HA17是一種重要的還原有機汙染物和產生甲烷的細菌類群，可參與複雜的碳降解，特別是對難降解有機物的降解。
因此，認為在這些條件下，土壤微生物對PCP的降解起著至關重要的作用，而nZVI100和水稻栽培共同處理促進了降解過程。為了驗證這一假設，對滅菌和未滅菌的土壤提取物進行了分析。
從土壤提取物實驗中得到的結果表明，滅菌後的提取物中PCP降解很少，無論是添加nZVI 100還是不添加nZVI 100。但在非無菌提取液中，PCP的殘留量在15天的過程中逐漸顯著下降，說明土壤微生物對PCP的降解起著重要作用。
圖4 nZVI對土壤提取物中PCP生物還原過程的影響
圖5 用nZVI同時進行土壤修復和作物安全生產策略
該研究證明了土壤修復策略與使用100mgkg-1nZVI的安全水稻生產相結合的功效。在受PCP汙染的土壤中添加100mgkg-1nZVI可以誘導根鐵膜的形成，從而提高水稻的產量和品質。通過添加nZVI和水稻種植的共同處理將nZVI和根際微生物的脫滷能力協同整合，以實現土壤修復。
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Liu Y, Wu T, White JC, Lin D. A new strategy using nanoscale zero-valent iron to simultaneously promote remediation and safe crop production in contaminated soil. Nat Nanotechnol. 2020 Nov 30. doi: 10.1038/s41565-020-00803-1. Epub ahead of print. PMID: 33257897.