The fates of cadmium (Cd) and arsenic (As) in paddy fields are generally opposite; thus, the inconsistent transformation of Cd and As poses large challenges for their remediation. In this study, the impacts of zero valent iron (ZVI) and/or biochar amendments on Cd and As bioavailability were examined in pot trials with rice. Comparison with the untreated soil, both Cd and As accumulation in different rice tissues decreased significantly in the ZVI-biochar amendments and the Cd and As accumulation in rice decreased with increasing ZVI contents. In particular, the concentrations of Cd (0.15 ± 0.01 mg kg−1) and As (0.17 ± 0.01 mg kg−1) in rice grains were decreased by 93% and 61% relative to the untreated soil, respectively. A sequential extraction analysis indicated that with increasing Fe ratios in the ZVI-biochar mixtures, bioavailable Cd and As decreased, and the immobilized Cd and As increased. Furthermore, high levels of Fe, Cd, and As were detected in Fe plaque of the ZVI-biochar amendments in comparison with the single biochar or single ZVI amendments. The ZVI-biochar mixture may have a synergistic effect that simultaneously reduces Cd and As bioavailability by increasing the formation of amorphous Fe and Fe plaque for Cd and As immobilization. The single ZVI amendment significantly decreased As bioavailability, while the single biochar amendment significantly reduced the bioavailability of Cd compared with the combined amendments. Hence, using a ZVI-biochar mixture as a soil amendment could be a promising strategy for safely-utilizing Cd and As co-contaminated sites in the future.

ABSTRACT Microbial community adaptability to pH stress plays a crucial role in biofilm formation. This study aims to investigate the regulatory mechanisms of exogenous putrescine on pH stress, as well as enhance understanding and application for the technical measures and molecular mechanisms of biofilm regulation. Findings demonstrated that exogenous putrescine acted as a switch-like distributor affecting microorganism pH stress, thus promoting biofilm formation under acid conditions while inhibiting it under alkaline conditions. As pH decreases, the protonation degree of putrescine increases, making putrescine more readily adsorbed. Protonated exogenous putrescine could increase cell membrane permeability, facilitating its entry into the cell. Subsequently, putrescine consumed intracellular H + by enhancing the glutamate-based acid resistance strategy and the γ-aminobutyric acid metabolic pathway to reduce acid stress on cells. Furthermore, putrescine stimulated ATPase expression, allowing for better utilization of energy in H + transmembrane transport and enhancing oxidative phosphorylation activity. However, putrescine protonation was limited under alkaline conditions, and the intracellular H + consumption further exacerbated alkali stress and inhibits cellular metabolic activity. Exogenous putrescine promoted the proportion of fungi and acidophilic bacteria under acidic stress and alkaliphilic bacteria under alkali stress while having a limited impact on fungi in alkaline biofilms. Increasing Bdellovibrio under alkali conditions with putrescine further aggravated the biofilm decomposition. This research shed light on the unclear relationship between exogenous putrescine, environmental pH, and pH stress adaptability of biofilm. By judiciously employing putrescine, biofilm formation could be controlled to meet the needs of engineering applications with different characteristics. IMPORTANCE The objective of this study is to unravel the regulatory mechanism by which exogenous putrescine influences biofilm pH stress adaptability and understand the role of environmental pH in this intricate process. Our findings revealed that exogenous putrescine functioned as a switch-like distributor affecting the pH stress adaptability of biofilm-based activated sludge, which promoted energy utilization for growth and reproduction processes under acidic conditions while limiting biofilm development to conserve energy under alkaline conditions. This study not only clarified the previously ambiguous relationship between exogenous putrescine, environmental pH, and biofilm pH stress adaptability but also offered fresh insights into enhancing biofilm stability within extreme environments. Through the modulation of energy utilization, exerting control over biofilm growth and achieving more effective engineering goals could be possible.