磁性納米功能材料MFC對鎘污染稻田土壤微生物和酶活性的影響

摘要：

以磁性納米Fe3O4和磷酸鹽為主要原料， 制備出超順磁性納米功能材料［magnetic nano-Fe3O4@Ca（H2PO4）2 functionalized materials， MFC］， 利用MFC對鎘污染稻田進行大田原位磁選修復后進行水稻栽培試驗， 研究MFC磁選修復鎘污染稻田對水稻不同生育期土壤微生物群落組成和土壤酶活性的影響。 結果表明： 施加MFC修復鎘污染稻田， 可有效降低土壤總鎘和有效鎘含量， 投加0.5%和1.0% MFC， 土壤總鎘分別降低22.14%和24.08%， 有效鎘分別降低2.29%和12.21%； 施加MFC的處理組， 3個時期的土壤Shannon指數與Chao1指數均高于該時期對照組， 表明提高了水稻生長期土壤細菌群落多樣性和豐富度； 與對照組相比， 抽穗期處理組土壤的Ascomycota豐度占比提升， 成熟期處理組土壤的Rozellomycota豐度占比提升， 差異有統計學意義（p＜0.05） ， 表明提高了水稻拔節期和成熟期土壤真菌群落的多樣性和豐富度。 同時， 提高了水稻生長期土壤脲酶、 脫氫酶活性， 其中， 成熟期Y-0.5%處理組的土壤脲酶活性提升達到55.40%， 抽穗期和成熟期Y-0.5%處理組的土壤脫氫酶活性分別提高了44.40%和37.21%， 差異有統計學意義（p＜0.05）， 而土壤過氧化氫酶的活性降低。

關" 鍵" 詞：

超順磁性納米功能材料； 土壤； 鎘； 土壤微生物； 土壤酶活性

中圖分類號：

X53

文獻標志碼：A

文章編號：16739868（2025）02012211

收稿日期：20240509

基金項目：

國家重點研發計劃項目（2017YFD0801004， 2017YFD0801005）。

作者簡介：

曾微， 碩士， 主要從事土壤污染評估與修復研究。

通信作者： 王強， 博士， 副教授。

DOI： 10.13718/j.cnki.xdzk.2025.02.011

曾微， 王強， 江湘婷， 等． 磁性納米功能材料MFC對鎘污染稻田土壤微生物和酶活性的影響 ［J］． 西南大學學報（自然科學版） ， 2025， 47（2）： 122-132．

Effects of Superparamagnetic Nano-Functional Material MFC

on Soil Microorganisms and Enzyme Activities in

Cadmium-Contaminated Paddy Fields

ZENG Wei1，2，" WANG Qiang1，" JIANG Xiangting1，

WAN Can1，" ZHANG Lizhi1，3，" LI Jie1，4

1. School of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400715， China；

2. Chongqing Environmental Protection Investment Group Co.， Ltd， Chongqing 401120， China；

3. Housing and Urban Rural Development Bureau of Fucheng District， Mianyang City， Mianyang Sichuan 621000， China；

4. Chongqing BOE Display Technology Co. Ltd， Chongqing 400713， China

Abstract：

Magnetic nano-Fe3O4@Ca（H2PO4）2 functionalized materials （MFC） were prepared by using magnetic nano Fe3O4 and phosphate as raw materials． The rice cultivation experiment was conducted after cadmium-contaminated paddy fields remediated in vitro by magnetic separation with MFC． The effects of remediation of cadmium-contaminated paddy fields by MFC magnetic separation on soil microbial community composition and soil enzyme activity of cadmium-contaminated paddy field were studied． The results showed that the application of MFC to repair cadmium-contaminated paddy fields could significantly reduce the total Cd and available Cd contents in soil． Addition of 0.5% and 1.0% MFC reduced soil total Cd by 22.14% and 24.08%， and available Cd by 2.29% and 12.21%， respectively． The MFC treatment groups showed higher soil Shannon index and Chao1 index than the control group at all three stages of rice growth， indicating an increase in soil bacterial community diversity and richness during the rice growth period． Compared with the control group， in the soil of treatment group， the Ascomycota abundance increased in the heading stage， and the Rozellomycota abundance increased significantly in the mature stage （p＜0.05）， indicating an increase in the diversity and richness of soil fungal communities during rice booting and maturing stages． At the same time， the activities of urease and dehydrogenase in the soil during the growth period of rice were increased． Among them， the Y-0.5% treatment group showed a 55.40% increase in soil urease activity in the mature stage， while the Y-0.5% treatment group showed a 44.40% and 37.21% increase in soil dehydrogenase activity in the heading stage and mature stage， respectively， with significant differences （p＜0.05）， while the activity of soil catalase decreased．

Key words：

magnetic nano-Fe3O4@Ca（H2PO4）2 functionalized materials； soil； cadmium； soil microbiota； soil enzyme activity

當前， 我國農田重金屬污染狀況嚴峻， 已成為土壤環境修復、 農業生產所面臨的重大挑戰之一［1］。 其中， 鎘元素由于污染性強， 占我國農田重金屬污染元素排行之首。 水稻作為我國65%人口的主食， 對農田中的鎘具有很強的富集能力。 在鎘污染農田中， 水稻根系會從土壤中吸收積累大量的鎘， 并從根部經木質部轉運、 跨維管束運輸及韌皮部向籽粒遷移， 造成籽粒中的鎘含量超標， 從而威脅食品安全和人類健康并造成直接的經濟損失［2］。 因此， 對重金屬鎘污染農田進行治理修復具有巨大的生態—社會—經濟效益［3］。

磁性納米材料因其選擇性好、 反應速率快、 無二次污染以及獨特的磁學性能［4］， 作為一種新型功能材料在農田重金屬污染修復研究中的應用越來越普遍。 張立志等［5］制備的Fe3O4@SiO2功能材料、 江湘婷等［6］使用的MFC以及Guo等［7］利用的Fe3O4-g-C3N4等納米材料均展現出對鎘污染土壤較好的修復效果， 顯著降低了土壤中的總鎘和有效鎘含量。

雖然磁性納米型環境功能材料在土壤污染修復方面應用前景良好， 但目前仍存在對其在土壤環境中的行為認識不全面、 實際應用中科學評估不足等問題， 磁性納米型環境功能材料在實際農田修復過程中的環境安全、 生態風險問題仍是需要重點關注的部分。 土壤微生物作為土壤的重要組成部分對于維持土壤生態具有重要作用， 其對環境的變化較為敏感， 是評價土壤質量、 肥力的重要指標［8］。 而由土壤微生物分泌產生的酶， 是一類具有高度催化作用的蛋白質， 在參與土壤生物地球化學反應和代謝過程中發揮重要作用。 與動植物相比， 土壤微生物和酶在響應土壤重金屬污染方面更為敏感， 更能夠有效地對其進行預警和評價［9-10］。 因此在磁性納米材料應用于農田重金屬污染修復研究中， 不應只關注材料對重金屬的去除能力和對土壤基本理化性質的影響， 還應充分考慮其對土壤微生物結構組成、 土壤酶活性的影響［11］。 方丹丹等［3］利用MFH材料修復鎘污染土壤后進行盆栽試驗， 結果表明， 經材料修復， 土壤微生物群落的多樣性和豐富度均有所降低， 土壤脲酶、 過氧化氫酶以及過氧化物酶活性均得到了提高； 陳肇偉［12］利用鐵基材料修復鎘污染土壤， 發現細菌群落多樣性和豐富度明顯下降， 而真菌群落多樣性和豐富度變化不明顯； Song等［13］制備了生物炭負載納米零價鐵（nZVI@BC）復合材料， 對鎘污染土壤進行修復后發現土壤脲酶活性顯著提高； 南麗君［14］向鎘污染土壤中施加納米羥基磷灰石使土壤堿性磷酸酶活性顯著降低， 脲酶、 脫氫酶和蔗糖酶活性顯著提高， 土壤微生物群落的多樣性增加； 杜傳寶等［15］發現納米羥基磷灰石可以有效地將土壤重金屬由非殘渣態向殘渣態轉化， 且微生物多樣性指數都有顯著增加。

當前的研究大部分基于室內模擬或盆栽試驗獲得， 且結論不一致， 而關于磁性納米型環境功能材料在大田污染土壤原位修復及其副作用的研究目前還較少。 基于此， 本研究制備超順磁性納米功能材料［magnetic nano-Fe3O4@Ca（H2PO4）2 functionalized materials， MFC］， 開展稻田土壤鎘的原位修復試驗， 隨后栽種水稻， 探究經MFC材料磁選修復鎘污染稻田土壤， 在水稻不同生育期對土壤微生物群落結構組成和土壤酶活性的影響， 以期為MFC材料運用于鎘污染農田修復的可行性奠定理論和實踐基礎。

1" 材料與方法

1.1" 供試材料

1.1.1" 供試土壤

本研究在重慶市某區選取輕度鎘污染且鎘分布較為均勻的水稻田開展小區試驗， 試驗田土壤基本理化性質如表1所示。 根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）， 試驗田土壤全鎘含量超過風險篩選值（0.40 mg/kg）。

1.1.2" MFC的制備

按照江湘婷等［6］的方法合成MFC， 主要成分Ca（H2PO4）2、 Fe3O4、 蒙脫石的質量比約為14∶10∶1， 等電點pH值為3.16， 平均粒徑為60 nm， 經振動樣品磁強計測定飽和磁感應強度為33.1 emu/g， 具有超順磁性。

1.1.3" 供試水稻品種

選用當地主推遲熟秈型三系雜交水稻品種‘宜香優2115’（簡稱Y）作為栽種品種。

1.2" MFC對鎘污染稻田土壤大田修復

1.2.1" 試驗設計

參照江湘婷等［6］的方法進行鎘污染稻田的原位修復、 材料回收及水稻栽培。

（1） 試驗分小區進行， 分區前先將所有土壤連成片淹水—旋耕均勻， 再將每個小區用壘土隔開， 防止水互相串流。 小區土壤經過淹水—旋耕后， 將MFC材料一次性撒入小區， 間隙旋耕攪拌20 min， 使材料與土壤混合均勻。 施入修復劑并與土壤混合均勻后靜置沉淀5 d， 使修復劑吸附固載土壤中的重金屬鎘。

（2） 材料回收時手持特制的直徑為3 cm的圓柱形磁棒（磁場強度4 000 G）插入所有小區耕作層攪拌土壤， 將修復材料（含吸附固載重金屬Cd）磁選回收， 重復3次； 回收的MFC在清水中反復進行磁吸—解磁操作， 洗脫雜質后再干燥， 去除干燥物中夾帶的大粒徑土壤及弱磁性的鐵氧化合物， 再用0.1 mol/L稀鹽酸反復洗滌， 解吸去除吸附固載的重金屬， 干燥稱質量后計算材料回收率。

（3） 稻田土壤修復后， 立即移栽秧苗（‘宜香優2115’）， 栽種規格（每小區25行， 每行30窩， 小區面積30 m2， 每種處理各3個小區且隨機排列）及農業生產管理措施均與同期其他大田水稻相同。 試驗分別按耕作層土壤質量的0.5%、 1.0% MFC兩種投加量（編號分別為Y-0.5%、 Y-1.0%）處理， 設置不添加修復劑為對照組（編號Y-CK）。

1.2.2 "試驗方法

（1） 樣品采集與制樣方法

在稻田修復前、 修復材料磁選回收后使用梅花布點法分別采取0～20 cm表層土壤樣品， 用以總鎘、 有效鎘的測定； 在水稻拔節期、 抽穗期和成熟期3個時期， 采集水稻植株0～20 cm的根際土壤， 一部分土樣保存于-18 ℃的冰箱， 用于土壤酶活性的分析； 另一部分土樣放入殺菌的離心管中， 置入-80 ℃的冰箱中冷凍保存， 用于后續土壤微生物結構組成分析。

（2） 土壤樣品測定指標與方法

土壤總鎘采用王水+HClO4法消解后， 按照《土壤質量 鉛、 鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》 （GB/T 17141—1997）測定； 土壤有效鎘采用DTPA 浸提劑浸提后， 使用石墨爐—原子吸收光譜儀測定。

土壤微生物多樣性、 豐富度檢測根據E． Z． N． A． Soil試劑盒（OmegaBio-tek， Norcross， GA， U． S．）說明書進行總DNA抽提， DNA濃度和純度采用NanoDrop 2000進行檢測， 利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質量； 用338F（5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3）和806R（5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3）引物對V3-V4可變區進行PCR擴增， 擴增程序為： 95 ℃預變性3 min， 27個循環（95 ℃變性30 s， 55 ℃退火30 s， 72 ℃延伸30 s）， 最后72 ℃延伸10 min。 擴增體系為20 μL， 4 μL 5* FastPfu緩沖液， 2 μL 2.5 mmol/L dNTPs， 0.8 μL引物（5 μmol/L）， 0.4 μL FastPfu聚合酶， 10 ng DNA模板。 利用Illumina公司的MiSeq PE300平臺進行測序（上海美吉生物醫藥科技有限公司）。

采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性， 以培養24 h后每g土中生成的NH+4-N的毫克數表示； 采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性， 以20 min內每克土壤分解的過氧化氫的毫克數表示； 采用試劑盒法測定土壤過氧化物酶活性， 以U/g為單位。

1.3" 數據統計和處理

微生物原始測序序列使用Trimmomatic軟件質控， 使用FLASH軟件進行拼接。 使用UPARSE軟件（version7． 1http： //drive5． com/uparse/）， 根據97%的相似度對序列進行OTU聚類， 并在聚類過程中去除單序列和嵌合體。 利用RDPclassifier（http： //rdp． cme． msu． edu/）對每條序列進行物種分類注釋， 比對Silva數據庫（SSU123）， 設置比對閾值為70%。 土壤酶活性均以烘干土（105 ℃， 24 h）來表達。 所得數據采用SPSS 25.0軟件進行處理與統計分析， 圖形繪制采用Origin 2018和Excel 2010。

2" 結果與分析

2.1" MFC修復鎘污染稻田對土壤總鎘、 有效鎘含量以及材料回收率的影響

表2為不同處理對土壤總鎘、 有效鎘含量以及材料回收率的影響情況。 與對照相比， 投加0.5%和1.0% MFC， 土壤總鎘分別降低22.14%和24.08%， 土壤有效鎘分別降低2.29%和12.21%， 表明MFC材料的施加可有效降低土壤中的總鎘和有效鎘含量， 且隨修復劑投加量增加， 土壤中鎘的去除效果增強； 投加0.5%和1.0% MFC， 材料回收率分別為83.03%和81.35%［6］。 隨著磁回收技術的日益完善， 回收率有望提高。

2.2" MFC修復鎘污染稻田對土壤微生物群落的影響

2.2.1" 土壤微生物群落多樣性和豐富度分析

水稻不同生長時期稻田土壤中細菌群落多樣性和豐富度的變化情況如表3所示， 各處理高通量測序覆蓋率均大于96%。 從細菌群落多樣性來看， 3個時期內， 處理組的Shannon指數均高于該時期對照組（Y-CK）， 且Y-1.0%組的Shannon指數均高于該時期Y-0.5%組。 從細菌群落豐富度來看， 3個時期內， 處理組Chao1指數均高于該時期的對照組。 成熟期Y-1.0%組Shannon指數和Chao1指數較該時期Y-CK組顯著提高（p＜0.05）。 結果表明， 經材料磁選修復， 稻田土壤細菌群落的多樣性和豐富度均得到提高。

MFC材料磁選修復鎘污染稻田對水稻不同生長期土壤真菌群落多樣性和豐富度的影響情況如表4所示， 各組高通量測序覆蓋率均大于99%， 可以有效反映土壤真菌的種類和結構。 從土壤真菌群落的多樣性來看， 水稻拔節期和成熟期， 各處理組Shannon指數均高于該時期對照組， 且成熟期差異性有統計學意義（p＜0.05）， 而抽穗期土壤真菌群落的多樣性變化情況與之相反。 從土壤真菌群落的豐富度來看， 拔節期和成熟期， 處理組的Chao1指數高于該時期對照組， 其中拔節期Y-1.0%和成熟期Y-0.5%均顯著高于該時期Y-CK組（p＜0.05）， 而抽穗期時， 土壤真菌群落豐富度顯著降低。 因而在水稻拔節期、 成熟期， 土壤真菌群落的多樣性和豐富度升高， 抽穗期土壤真菌群落的多樣性和豐富度降低。

2.2.2" 土壤微生物群落組成分析

圖1為MFC材料修復回收后， 在水稻不同生長時期門水平下土壤細菌群落結構組成的差異對比情況。 在水稻3個生長時期不同處理下土壤細菌的優勢菌門均為Chloroflex、 Proteobacteria、 Acidobacteriota、 Actinobacteriota， 約占總細菌群落的64.45%～75.04%； 而Firmicutes、 Desulfobacterota、 Myxococcota和Bacteroidota相對豐度較低。 從圖1可以看出， 各時期處理組中Desulfobacterota的豐度占比較對照組提升， Chloroflex的豐度占比較對照組降低， 差異性有統計學意義（p＜0.05）， 表明經材料的磁選修復， 改變了土壤細菌門水平的相對豐度占比。

圖中“拔-CK”代表水稻生長拔節期Y-CK組， “拔-0.5%”代表水稻生長拔節期Y-0.5%處理組， 下同。

圖2為MFC材料修復回收后， 在水稻不同生長時期屬水平下相對豐度占比前十的土壤細菌群落結構組成的差異對比情況。 在水稻生長不同時期土壤細菌的優勢菌屬均為Pseudolabrys、 Nocardioides、 Gaiella和Thiobacillus。 其中Pseudolabrys相對豐度占比最大， 約占總細菌群落的1.08%～3.03%。 經材料磁選修復， 總體上來看處理組的Bacillus豐度占比較Y-CK組略有提高。

圖3是水稻不同生長時期門水平下土壤真菌群落結構組成的差異性對比情況。 在水稻不同生長時期真菌群落的優勢菌門均為Ascomycota、 Rozellomycota、 Basidiomycota和Unclassified-k-Fungi， 相對豐度占比高達81.39%～95.07%。 其中， Ascomycota相對豐度占比最大， 其次為Rozellomycota。 MFC磁選修復鎘污染大田土壤改變了真菌門水平下優勢真菌的相對豐度， 與同時期Y-CK組相比抽穗期處理組Ascomycota豐度占比提升， 成熟期處理組Rozellomycota豐度占比提升， 差異有統計學意義（p＜0.05）。

圖4是水稻不同生長時期屬水平下相對豐度占比前10的土壤真菌群落結構組成的差異性對比情況。 在水稻不同生長時期真菌群落的優勢菌屬均為Pseudeurotium、 Mortierella、 Saitozyma和Talaromyces。 其中， Pseudeurotium相對豐度占比最大， 在抽穗期Y-1.0%組中豐度占比達43.00%。 經材料磁選修復， 處理組的Talaromyces、 Mortierella豐度占比較Y-CK組提高。

2.3" MFC修復鎘污染稻田對土壤酶活性的影響

2.3.1" 脲酶

表5反映了MFC修復對土壤3種酶活性的影響。 可以看出， 在水稻不同生長時期， 處理組土壤脲酶活性均高于同期對照組， 且拔節期Y-0.5%、 Y-1.0%處理組， 抽穗期Y-0.5%處理組和成熟期Y-0.5%處理組脲酶活性均顯著高于該時期對照組（p＜0.05）， 其中， 成熟期Y-0.5%組脲酶活性提升達到55.4%， 表明MFC材料對鎘污染稻田土壤的修復提高了土壤中脲酶活性。

2.3.2" 脫氫酶

水稻3個生長期內， 處理組土壤脫氫酶活性普遍高于對照組， 抽穗期和成熟期Y-0.5%組土壤脫氫酶活性較該時期Y-CK組分別提高44.4%和37.21%， 差異有統計學意義（p＜0.05）（表5）， 表明經MFC材料磁選修復鎘污染稻田土壤， 提高了土壤中脫氫酶活性。

2.3.3" 過氧化氫酶

表5顯示了土壤過氧化氫酶活性的變化情況。 與Y-CK組相比， 3個時期內處理組中土壤過氧化氫酶活性均有所下降， 各時期Y-1.0%處理組過氧化氫酶活性較Y-CK組顯著降低（p＜0.05）。

3" 討論與結論

3.1" 討論

本研究結果顯示， 經MFC磁選修復的鎘污染稻田土壤， 稻田土壤中細菌群落的多樣性和豐富度均有提高， 這與陳海生等［16］的研究結果一致。 引起該變化的原因一方面是經MFC修復顯著降低了土壤中的總鎘和有效鎘含量， 投加0.5%、 1.0% MFC， 土壤總鎘含量分別降低22.14%、 24.08%， 土壤有效鎘含量分別降低2.29%、 12.21%， 其機理主要包括磁性納米磷酸鹽材料對Cd2+的離子交換吸附、 化學絡合以及共沉淀。 土壤鎘含量的減少降低了重金屬對微生物的脅迫作用， 進而抑制優勢種群的競爭性排除效應， 促進劣勢種群的生長和繁殖， 導致微生物多樣性升高［17］； 另一方面， MFC磁選修復后由于目前回收設備不完善， 修復材料無法完全回收， 投加0.5%和1.0% MFC修復土壤， 材料回收率分別為83.03%和81.35%， 土壤中殘留的修復材料中的磷酸鹽成分增加了土壤中全磷含量， 提高了土壤養分［6］， 對土壤微生物的生長有一定的促進作用。 陳法霖等［18］研究發現， 土壤微生物群落的豐富度和多樣性與土壤全磷含量呈顯著正相關。 也有學者研究發現， 施加不同碳氮磷源改良劑后， 顯著增加了土壤微生物多樣性、 微生物活性和微生物生物量。 一般來說， 放線菌門、 變形菌門和酸桿菌門是重金屬污染地區常見的優勢細菌門， 它們可以通過一些特殊機制降低重金屬的毒性， 從而適應污染的棲息地［19］。 本研究中在水稻生長不同時期各處理組土壤細菌的優勢菌門均為Proteobacteria、 Acidobacteriota、 Actinobacteriota、 Chloroflex， 這與許多重金屬污染地區土壤細菌群落研究結果一致， 其中Proteobacteria為相對豐度最高的細菌門， 這是由于其對各種復雜的有機分子具有較強的降解能力， 并且對各種重金屬污染物具有很強的耐受性。 Chloroflex也是本研究土壤中的主要細菌門之一， 有學者研究表明， 向土壤中添加鎘可增加Chloroflex的相對豐度， 這表明Chloroflex可能適合生活在鎘含量和活性較高的土壤中， 因而隨著土壤重金屬的修復， 該細菌門豐度反而降低。 從屬水平看， 經材料磁選修復Bacillus的相對豐度增加， 有研究表明Bacillus屬能產生胞外聚合物吸附土壤中的鎘， 從而降低鎘的毒性， Bacillus還可通過與重金屬共沉淀等方式降低土壤中鎘的有效性。

真菌是一類種類多、 分布廣的真核微生物， 它們具有分解有機質， 為植物提供養分的功能， 是生態系統健康的指示物［20］。 經MFC磁選修復， 在水稻拔節期、 成熟期土壤真菌多樣性和豐富度也呈現增加的趨勢， 其原因與對細菌的影響類似。 有研究表明， 土壤有機碳、 pH值和土壤速效磷是引起土壤真菌群落結構及多樣性變化的主要因素［21］。 本研究中Ascomycota、 Basidiomycota作為鎘污染土壤真菌群落的優勢菌門與羅路云等［22］的研究結果一致。 Ascomycota和Basidiomycota對土壤中營養物質競爭能力較強， 能夠降解凋落物中難降解的木質素和纖維素， 增加土壤養分， 因此成為真菌群落中最主要的優勢菌群［23］。 從屬水平看， 處理組的Talaromyces、 Mortierella豐度占比較Y-CK組提高， Talaromyces能夠降解木質纖維素， 對植物病原菌也具有拮抗作用， 還可分泌揮發性有機物， 促進幼苗生長的同時增強水稻植株的抗病性； Mortierella是土壤中植物殘體的重要分解菌， 可通過分解植物殘體， 提升土壤養分。

土壤脲酶對重金屬污染敏感， 通?？勺鳛樵u價土壤重金屬污染和生態環境質量的重要生物指標［24］， 土壤pH值是影響脲酶活性的重要因素， 通過改變酶空間構象、 氨基酸殘基微環境來改變其活性大?。?5］。 有研究表明， 脲酶在中性土壤中具有更高的活性， 經過MFC材料的磁選修復， 發現不同處理組在3個時期內的土壤pH值始終穩定在6.5～7.1， 略高于對照組， 這可能對土壤脲酶活性增加產生了一定影響。 此外， 有效鎘對脲酶活性有強烈的抑制作用， 經MFC材料磁選修復， 土壤中有效鎘含量減少， 從而減少了土壤重金屬與酶分子中的活性部位結合， 降低了酶失活的概率［26］； 同時經材料磁選修復， 改善了土壤環境， 有利于土壤微生物的生長和繁殖， 增加了微生物體內酶的合成和分泌， 使土壤脲酶活性增加。 脲酶是一種可將酰胺類有機氮化物水解為可直接被植物利用的無機氮化物的土壤酶， 其活性在一定程度上反映了土壤氮素供應的水平和能力， 并與土壤中的氮素循環系統密切相關。 修復后土壤中脲酶的活性增加， 可導致與有機質分解和氮、 磷循環相關的微生物活性增強， 對土壤養分有效性產生積極影響。 相關性分析結果表明（表6）， 土壤脲酶活性與土壤有效鎘含量呈負相關， 這與丁馨茹等［27］的研究結果一致。 土壤脫氫酶的主要作用是催化土壤中有機物質脫氫， 參與到氧化磷酸化過程， 并且與微生物的呼吸過程密切相關。 與脲酶變化規律相似， 經過MFC磁選修復后， 提高了土壤中脫氫酶活性。 過氧化氫酶與好氧微生物的代謝活性有關， 在一定程度上能反映土壤肥力狀況。 過氧化氫酶也是反映氧化還原電位的重要指標， 可以促進過氧化氫分解為水和氧氣， 其活性可以表征土壤腐殖質的強度和有機質的轉化率， 各處理組中土壤過氧化氫酶活性降低， 這與羅虹等［28］的研究結論相似， 認為在重金屬污染越輕微的土壤中， 微生物的過氧化氫酶活性反而越低。 趙永紅等［29］卻認為重金屬脅迫條件下對過氧化氫酶的活性并無明顯影響。 相關性分析結果表明（表6）， 過氧化氫酶活性和有效鎘、 總鎘含量表現出極顯著正相關， 與土壤全磷和有機質含量呈顯著負相關。 土壤過氧化氫酶活性的影響因素十分復雜， 可能受到水稻品種、 土壤理化性質、 重金屬濃度等多種因素的共同影響。 將土壤有效鎘、 總鎘、 全磷和土壤酶活性進行相關性分析， 結果顯示， 土壤脲酶活性和有效鎘含量呈顯著負相關； 脫氫酶活性和有效鎘含量呈顯著負相關， 與脲酶活性呈極顯著正相關； 過氧化氫酶活性和有效鎘、 總鎘呈極顯著正相關， 與土壤全磷和有機質呈極顯著負相關。

3.2" 結論

經MFC磁選修復的鎘污染稻田， 土壤總鎘和有效鎘的含量顯著降低， 降低了重金屬對土壤微生物和水稻的脅迫， 提高了土壤養分， 提高了土壤脲酶、 脫氫酶活性， 降低了土壤過氧化氫酶的活性， 總體上提高了土壤細菌與真菌的多樣性和豐富度。 研究結果為該材料的實際應用奠定了理論基礎， 但要將磁性納米材料應用于實際農田重金屬污染土壤的修復， 還要關注磁性材料的成本及回收問題， 以及殘留在土壤中的材料對作物生長產生的影響。

參考文獻：

［1］

何雪， 劉克， 陸引罡． 基于農作物富集系數的土壤重金屬安全閾值研究及環境風險評價 ［J］． 西南大學學報（自然科學版）， 2022， 44（8）： 146-157．

［2］" 吳小華， 楊子予， 陳玉成， 等． 淋洗—穩定化對鎘污染土壤的修復效果 ［J］． 西南大學學報（自然科學版）， 2022， 44（1）： 175-183．

［3］" 方丹丹， 張立志， 王強． 超順磁性納米材料對鎘污染稻田土壤微生物和酶的影響 ［J］． 環境科學， 2021， 42（3）： 1523-1534．

［4］" 吳潛． 磁性納米材料研究進展及展望 ［J］． 化學工業， 2017， 35（6）： 19-22．

［5］" 張立志， 易平， 方丹丹， 等． 超順磁性納米Fe3O4@SiO2功能化材料對鎘的吸附機制 ［J］． 環境科學， 2021， 42（6）： 2917-2927．

［6］" 江湘婷， 張立志， 萬燦， 等． 超順磁性納米功能材料Fe3O4@Ca（H2PO4）2對Cd污染稻田土壤修復作用的研究 ［J］． 環境科學學報， 2024， 44（1）： 414-423．

［7］" GUO S Z， WU K L， GAO Y， et al． Efficient Removal of Zn（II）， Pb（II）， and Cd（II） in Waste Water Based on Magnetic Graphitic Carbon Nitride Materials with Enhanced Adsorption Capacity ［J］． Journal of Chemical and Engineering Data， 2018， 63（10）： 3902-3912．

［8］" LI D L， CHEN J W， ZHANG X J， et al． Structural and Functional Characteristics of Soil Microbial Communities in Response to Different Ecological Risk Levels of Heavy Metals ［J］． Frontiers in Microbiology， 2022， 13： 1072389．

［9］" 高亞萍， 汪穎， 尹心怡． 土壤重金屬污染對微生物和酶活性的影響研究進展 ［J］． 廣東化工， 2021， 48（16）： 109-110．

［10］ZHANG Y， WU C F， DENG S P， et al． Effect of Different Washing Solutions on Soil Enzyme Activity and Microbial Community in Agricultural Soil Severely Contaminated with Cadmium ［J］． Environmental Science and Pollution Research International， 2022， 29（36）： 54641-54651．

［11］JIANG Y， YI X T， LIU M Y， et al． Dynamic Responses of Soil Enzymes at Key Growth Stages in Rice after the in Situ Remediation of Paddy Soil Contaminated with Cadmium and Arsenic ［J］． Science of the Total Environment， 2022， 830： 154633．

［12］陳肇偉． 鐵基材料對土壤鎘形態轉化的影響及其微生物群落特征 ［D］． 廣州： 廣東工業大學， 2022．

［13］SONG P P， MA W J， GAO X Y， et al． Remediation Mechanism of Cu， Zn， As， Cd， and Pb Contaminated Soil by Biochar-Supported Nanoscale Zero-Valent Iron and Its Impact on Soil Enzyme Activity ［J］． Journal of Cleaner Production， 2022， 378： 134510．

［14］南麗君． 不同改良劑對土壤中Cd生物有效性與微生物群落的影響 ［D］． 楊凌： 西北農林科技大學， 2018．

［15］杜傳寶， 趙海燕， 胡鋒， 等． 納米羥基磷灰石對重金屬污染土壤的修復及其對微生物群落結構的影響 ［J］． 江蘇農業學報， 2010， 26（4）： 745-749．

［16］陳海生， 姜偉， 徐蔣來， 等． 鎘污染對山區水庫消落帶濕地土壤細菌群落結構及多樣性的影響 ［J］． 西南農業學報， 2023， 36（10）： 2261-2268．

［17］BISHT A， GARG N． AMF Modulated Rhizospheric Microbial Enzyme Activities and Their Impact on Sulphur Assimilation along with Thiol Metabolism in Pigeonpea under Cd Stress ［J］． Rhizosphere， 2022， 21： 100478．

［18］陳法霖， 鄭華， 陽柏蘇， 等． 中亞熱帶幾種針、 闊葉樹種凋落物混合分解對土壤微生物群落碳代謝多樣性的影響 ［J］． 生態學報， 2011， 31（11）： 3027-3035．

［19］鄭丹鳳， 劉娣， 蘇超， 等． 典型煤炭產業園區土壤重金屬污染對細菌群落結構的影響 ［J］． 環境科學， 2023， 44（11）： 6354-6361．

［20］劉師豆， 韓耀光， 朱新萍， 等． 棉稈炭調控對堿性鎘污染水稻根際土壤真菌群落結構和功能的影響 ［J］． 環境科學， 2020， 41（8）： 3846-3854．

［21］李鵬， 李永春， 史加亮， 等． 水稻秸稈還田時間對土壤真菌群落結構的影響 ［J］． 生態學報， 2017， 37（13）： 4309-4317．

［22］羅路云， 蔣宏華， 王殿東， 等． 鎘污染對稻田土壤真菌群落結構及多樣性的影響 ［J］． 南方農業學報， 2022， 53（7）： 1908-1916．

［23］賈彤， 郭婷艷， 王瑞宏， 等． 銅尾礦白羊草重金屬含量對葉際和根際真菌群落的影響 ［J］． 環境科學， 2020， 41（11）： 5193-5200．

［24］曹裕松， 李志安， 鄒碧． 根際環境的調節與重金屬污染土壤的修復 ［J］． 生態環境， 2003， 12（4）： 493-497．

［25］HAO X D， BAI L Y， LIU X D， et al． Cadmium Speciation Distribution Responses to Soil Properties and Soil Microbes of Plow Layer and Plow Pan Soils in Cadmium-Contaminated Paddy Fields ［J］． Frontiers in Microbiology， 2021， 12： 774301．

［26］劉沙沙， 付建平， 蔡信德， 等． 重金屬污染對土壤微生物生態特征的影響研究進展 ［J］． 生態環境學報， 2018， 27（6）： 1173-1178．

［27］丁馨茹， 徐曼， 嚴寧珍， 等． 4種改良劑對紫色土Cd生物有效性及土壤酶活性的影響 ［J］． 環境科學， 2024， 45（6）： 3523-3532．

［28］羅虹， 劉鵬， 宋小敏． 重金屬鎘、 銅、 鎳復合污染對土壤酶活性的影響 ［J］． 水土保持學報， 2006， 20（2）： 94-96， 121．

［29］趙永紅， 張靜， 周丹， 等． 贛南某鎢礦區土壤重金屬污染狀況研究 ［J］． 中國環境科學， 2015， 35（8）： 2477-2484．

責任編輯" 包穎