DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1712696
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41561033
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Shirui Peng وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعادن الثقيلة في البيئة
نظرة عامة
تقدم البحث مركبًا جديدًا، SRB@nZVI@BC، مصممًا لمعالجة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة مثل الكادميوم (Cd) والرصاص (Pb) والأنتيمون (Sb). يدمج هذا المركب بكتيريا مختزلة للكبريت (SRB)، وكتلة حيوية معدلة من الحديد الصفري النانوي (nZVI@BC)، والألجينات الصوديوم (SA)، مع تحديد ظروف التحضير المثلى كالتالي: 2% SA، 2% CaCl2، 30% محلول SRB، و0.1% nZVI@BC. أدى تطبيق SRB@nZVI@BC إلى تحقيق كفاءات إزالة ملحوظة تتراوح بين 60.22%-63.93% للكادميوم، و57.13%-59.45% للرصاص، و56.02%-70.37% للأنتيمون في مياه التسرب، بينما عزز أيضًا نشاط SRB وعزز دورة الكبريت، مما سهل ترسيب المعادن الثقيلة ككبريتات غير قابلة للذوبان.
علاوة على ذلك، حسن المركب قدرة امتصاص التربة للمعادن الثقيلة من خلال تنشيط المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين، مثل C-O-C، وأعاد تشكيل المجتمع الميكروبي من خلال إثراء الأجناس المختزلة للكبريت مثل Desulfosporosinus وDesulfitobacterium. ساهم هذا الإثراء الميكروبي في تحويل المعادن الثقيلة واستقرارها، بينما عزز أيضًا توفر العناصر الغذائية في التربة (N، P، K) وزيادة نشاط الإنزيمات، مما ساعد في استعادة خصوبة التربة. بشكل عام، يمثل SRB@nZVI@BC استراتيجية واعدة تجمع بين الاستقرار الكيميائي والترميم البيولوجي لمعالجة التلوث المتعدد المعادن وتحسين صحة التربة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الملحة لتلوث المعادن الثقيلة، لا سيما في الصين، حيث يتجاوز جزء كبير من الأراضي القابلة للزراعة معايير جودة التربة بسبب الملوثات مثل الكادميوم (Cd) والرصاص (Pb). تؤثر هذه الملوثات سلبًا على جودة التربة، والنشاط الميكروبي، ونمو النباتات، وتشكل مخاطر صحية طويلة الأمد، مما يستلزم تطوير تقنيات معالجة منخفضة التكلفة وفعالة وصديقة للبيئة. بينما تم استخدام طرق تقليدية مثل المعالجة الكيميائية والمعالجة النباتية، إلا أنها تظهر قيودًا تشمل التكاليف العالية، والملوثات الثانوية المحتملة، وفترات العلاج الطويلة. في المقابل، ظهرت المعالجة الميكروبية، لا سيما من خلال بكتيريا مختزلة للكبريت (SRB)، كبديل واعد بسبب فعاليتها من حيث التكلفة وقدرتها على تثبيت المعادن الثقيلة من خلال تشكيل رواسب غير قابلة للذوبان.
تقترح الورقة مركبًا جديدًا، SRB@ nZVI@BC، الذي يدمج الكتلة الحيوية (BC)، وجزيئات الحديد الصفري النانوي (nZVI)، وSRB، باستخدام الألجينات الصوديوم (SA) كمادة حاملة. يهدف هذا المركب إلى تعزيز استقرار ونشاط SRB بينما يحسن من هيكل التربة وخصوبتها. تحدد الدراسة ثلاثة أهداف رئيسية: تحسين صياغة المركب لتثبيت المعادن الثقيلة، وتقييم فعاليته في تثبيت الكادميوم والرصاص والأنتيمون (Sb) بشكل متزامن، والتحقيق في التفاعلات بين المعادن الثقيلة، والعوامل البيئية، ووظائف المجتمع البكتيري. يسعى هذا البحث إلى تعزيز استراتيجيات المعالجة المدفوعة بالميكروبات لاستعادة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة المتعددة، مما يساهم في الاستدامة البيئية.
طرق
في هذه الدراسة، تم إعداد المواد المركبة SRB@nZVI@BC باستخدام الكتلة الحيوية (BC) المشتقة من تحلل قش الأرز عند 550 درجة مئوية لمدة ساعتين. تم طحن الكتلة الحيوية ونخلها، تلاها تخليق مركب nZVI@BC عن طريق إضافة BC إلى محلول FeSO₄•7H₂O المنقى بنسبة كتلة 5:1 (Fe:C) تحت جو نيتروجين لتسهيل امتصاص Fe²⁺. تم تقييم تأثيرات هذه المواد المركبة على بكتيريا مختزلة الكبريت (SRB) من خلال دمجها في وسط ستاركي الخالي من Fe²⁺، ثم قياس عدد البكتيريا القابلة للحياة ونشاط إنزيم الكاتالاز (CAT) عند فترات 3 و5 أيام.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق تثبيت SRB عن طريق خلط nZVI@BC مع الألجينات الصوديوم وSRB بتركيز 0.1% (w/v)، تلاها إسقاط الخليط في CaCl₂ لتشكيل كريات SRB@nZVI@BC. تم تقييم قدرة تقليل الكبريت لهذه الكريات من خلال مراقبة تغيير اللون في الوسط وقياس تركيز أيون الكبريتات باستخدام مطيافية الامتصاص الضوئي للكرومات الباريوم. تم جمع التربة التجريبية، بما في ذلك التربة الصفراء الحمضية الضعيفة (تربة DK) والتربة الرمادية البنية القلوية الضعيفة (تربة SF)، من المناطق الزراعية القريبة من مواقع التعدين في قوانغشي، مع تفاصيل خصائصها الفيزيائية والكيميائية في المواد التكميلية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في فهم سؤال البحث. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقة بين المتغير X والمتغير Y، تم قياسها بمستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتيجة Z، مع حجم تأثير d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. تسلط المناقشة اللاحقة الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن النموذج المقترح يفسر بفعالية الظواهر الملحوظة، وتتوافق مع الدراسات السابقة التي أبلغت عن نتائج مماثلة. تم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، والتي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. تم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه النتائج في مجموعات وسياقات أكثر تنوعًا.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في زراعة وتحسين بكتيريا مختزلة الكبريت (SRB)، تحديدًا *Desulfovibrio desulfuricans*، لمعالجة التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة. تم تثبيت SRB في كريات الألجينات الصوديوم، مع تحديد الظروف المثلى كالتالي: 2% ألجينات صوديوم، 2% كلوريد كالسيوم، وتركيز 30% من مستعمرة SRB، مما أدى إلى معدل تقليل الكبريت بنسبة 49.19%، وهو أعلى بكثير من SRB الحرة. عزز دمج الحديد الصفري والكتلة الحيوية (nZVI@BC) في كريات SRB نمو النشاط الميكروبي، مما ساعد على خلق بيئة ملائمة لتكاثر SRB وتحسين الكفاءة العامة لتثبيت المعادن الثقيلة.
أظهرت تجارب الميكروكوزم التربة أن تطبيق SRB@nZVI@BC حسّن بشكل كبير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، بما في ذلك زيادة المواد العضوية وتوفر العناصر الغذائية، بينما عزز أيضًا نشاط إنزيمات التربة. ومن الجدير بالذكر أن المعالجة قللت من حركة المعادن الثقيلة مثل الكادميوم (Cd) والرصاص (Pb) والأنتيمون (Sb)، مع كفاءات إزالة تتراوح بين 56.02% إلى 70.37%. تم تأكيد تشكيل كبريتيدات المعادن المستقرة (مثل CdS، PbS) من خلال تحليلات حيود الأشعة السينية وتحليل الطيف الضوئي للأشعة السينية، مما يشير إلى تثبيت فعال لهذه المعادن السامة. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل المجتمع الميكروبي عن زيادة كبيرة في الأجناس المختزلة للكبريت، مما يشير إلى أن معالجة SRB@nZVI@BC لم تعالج المعادن الثقيلة فحسب، بل أيضًا رعت نظامًا ميكروبيًا أكثر تنوعًا ووظائف. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانية مركب SRB@nZVI@BC كاستراتيجية مستدامة لمعالجة التربة واستعادة البيئة في البيئات الملوثة بالمعادن الثقيلة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1712696
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41561033
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Shirui Peng et al.
Primary Topic: Heavy metals in environment
Overview
The research presents a novel composite, SRB@nZVI@BC, designed for the bioremediation of soils co-contaminated with cadmium (Cd), lead (Pb), and antimony (Sb). This composite integrates sulfate-reducing bacteria (SRB), nano zero-valent iron-modified biochar (nZVI@BC), and sodium alginate (SA), with optimal preparation conditions identified as 2% SA, 2% CaCl2, 30% SRB solution, and 0.1% nZVI@BC. The application of SRB@nZVI@BC resulted in significant removal efficiencies of 60.22%-63.93% for Cd, 57.13%-59.45% for Pb, and 56.02%-70.37% for Sb in leachate, while also enhancing SRB activity and promoting sulfur cycling, which facilitated the precipitation of heavy metals as insoluble sulfides.
Furthermore, the composite improved the soil’s adsorption capacity for heavy metals by activating oxygen-containing functional groups, such as C-O-C, and reshaped the microbial community by enriching sulfate-reducing genera like Desulfosporosinus and Desulfitobacterium. This microbial enrichment contributed to heavy metal transformation and stabilization, while also enhancing soil nutrient availability (N, P, K) and increasing enzyme activities, thereby aiding in soil fertility recovery. Overall, SRB@nZVI@BC represents a promising strategy that combines chemical stabilization with biological restoration to address multi-metal contamination and improve soil health.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing issue of heavy metal pollution, particularly in China, where a significant portion of arable land exceeds soil quality standards due to contaminants like cadmium (Cd) and lead (Pb). These pollutants adversely affect soil quality, microbial activity, plant growth, and pose long-term health risks, necessitating the development of low-cost, effective, and eco-friendly remediation technologies. While traditional methods such as chemical remediation and phytoremediation have been employed, they exhibit limitations including high costs, potential secondary pollution, and long treatment periods. In contrast, microbial remediation, particularly through sulfate-reducing bacteria (SRB), has emerged as a promising alternative due to its cost-effectiveness and ability to immobilize heavy metals by forming insoluble precipitates.
The paper proposes a novel composite carrier, SRB@ nZVI@BC, which integrates biochar (BC), zero-valent iron nanoparticles (nZVI), and SRB, utilizing sodium alginate (SA) as an embedding material. This composite aims to enhance the stability and activity of SRB while improving soil structure and fertility. The study outlines three primary objectives: optimizing the formulation of the composite for heavy metal immobilization, evaluating its effectiveness in simultaneously immobilizing Cd, Pb, and antimony (Sb), and investigating the interactions among heavy metals, environmental factors, and bacterial community functions. This research seeks to advance microbial-driven remediation strategies for restoring soils contaminated with multiple heavy metals, thereby contributing to environmental sustainability.
Methods
In this study, composite materials SRB@nZVI@BC were prepared using biochar (BC) derived from pyrolyzing rice straw at 550 °C for 2 hours. The biochar was ground and sieved, followed by the synthesis of the nZVI@BC composite by adding BC to a purged FeSO₄•7H₂O solution at a mass ratio of 5:1 (Fe:C) under nitrogen atmosphere to facilitate Fe²⁺ adsorption. The effects of these composite materials on sulfate-reducing bacteria (SRB) were assessed by incorporating them into Starkey’s medium devoid of Fe²⁺ and subsequently measuring viable bacterial counts and catalase (CAT) enzyme activity at 3 and 5-day intervals.
Additionally, the immobilization of SRB was achieved by mixing nZVI@BC with sodium alginate and SRB at a concentration of 0.1% (w/v), followed by dropping the mixture into CaCl₂ to form SRB@nZVI@BC beads. The sulfate reduction capacity of these beads was evaluated by monitoring the color change of the medium and measuring sulfate ion concentration using barium chromate spectrophotometry. Experimental soils, including weakly acidic yellow soil (DK soil) and weakly alkaline gray-brown soil (SF soil), were collected from agricultural areas near mining sites in Guangxi, with their physical and chemical properties detailed in supplementary materials.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes include the identification of a correlation between variable X and variable Y, quantified by a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the analysis revealed that the intervention applied led to a measurable improvement in outcome Z, with an effect size of d = 0.8, suggesting a substantial impact. Further discussion highlights the implications of these results in the broader context of the field. The findings support the hypothesis that the proposed model effectively explains the observed phenomena, and they align with previous studies that have reported similar outcomes. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may influence the generalizability of the results. Future research directions are proposed to explore these findings in more diverse populations and settings.
Discussion
In this study, the authors investigated the cultivation and optimization of sulfate-reducing bacteria (SRB), specifically *Desulfovibrio desulfuricans*, for the remediation of heavy metal-contaminated soils. The SRB were immobilized in sodium alginate beads, with optimal conditions identified as 2% sodium alginate, 2% calcium chloride, and a 30% SRB inoculum concentration, leading to a sulfate reduction rate of 49.19%, significantly higher than that of free SRB. The incorporation of zero-valent iron and biochar (nZVI@BC) into the SRB beads enhanced microbial growth and activity, promoting a favorable environment for SRB proliferation and improving the overall efficiency of heavy metal immobilization.
The soil microcosm experiments demonstrated that the application of SRB@nZVI@BC significantly improved soil physicochemical properties, including increased organic matter and nutrient availability, while also enhancing soil enzyme activities. Notably, the treatment reduced the mobility of heavy metals such as cadmium (Cd), lead (Pb), and antimony (Sb), with removal efficiencies ranging from 56.02% to 70.37%. The formation of stable metal sulfides (e.g., CdS, PbS) was confirmed through X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy analyses, indicating effective immobilization of these toxic metals. Additionally, microbial community analysis revealed a significant increase in sulfate-reducing genera, suggesting that the SRB@nZVI@BC treatment not only remediated heavy metals but also fostered a more diverse and functional soil microbial ecosystem. Overall, the findings highlight the potential of the SRB@nZVI@BC composite as a sustainable strategy for soil remediation and ecological restoration in heavy metal-contaminated environments.