譚春玲,劉 洋,黃雪剛,張峻源,羅文浩

(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650500)

由于不合理的利用或受外界污染等因素的影響,我國部分農(nóng)用地土壤肥力逐漸下降,使得農(nóng)作物生長緩慢、產(chǎn)量和品質(zhì)也逐漸降低。如何提高土壤肥力,成為農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域亟待解決的重要問題。研究表明,在無氧或缺氧條件下熱解炭化而成的富碳物質(zhì)-生物炭,不僅能夠改良土壤理化性質(zhì),如提高pH,增大孔隙度,增強(qiáng)保水性,減小土壤容重等,而且由于其富含氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,還可提高土壤肥力,有效恢復(fù)退化土壤,被認(rèn)為是替代工業(yè)肥料的新一代綠色產(chǎn)品。同時(shí),生物炭具有比表面積大、電子交換能力強(qiáng)、多孔隙等特點(diǎn),對土壤污染物能起到吸附、固定以及催化降解的作用,被譽(yù)為最具前景的土壤改良劑之一。

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是土壤中最活躍的組分之一,主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類、原生動物和病毒。土壤微生物的生長代謝活動在維持土壤生物活性、肥力形成、養(yǎng)分循環(huán)等過程中發(fā)揮著重要作用。自生物炭進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用以來,不斷有研究表明,生物炭不僅能夠改善土壤微生物的生存環(huán)境,提高土壤微生物代謝活動的強(qiáng)度、增加群落豐度及多樣性,還能參與微生物的胞外電子傳遞過程。但也有學(xué)者表示,生物炭高溫裂解過程中產(chǎn)生的多環(huán)芳烴(PAHs)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和環(huán)境持久性自由基(EPFRs),以及生物質(zhì)本身含有的重金屬也會隨生物炭的施用進(jìn)入土壤,對土壤微生物產(chǎn)生毒害作用。因此,深入研究生物炭對土壤微生物的影響機(jī)制將有利于正確評估生物炭對土壤的正面效應(yīng)及潛在風(fēng)險(xiǎn)。

本文分析總結(jié)了各類生物炭的添加對土壤中的細(xì)菌、真菌及病原菌等微生物的影響機(jī)制,強(qiáng)調(diào)了生物炭參與微生物電子傳遞過程,并深入分析了生物炭與微生物的作用對土壤肥力的改良、污染物的修復(fù)及病原微生物的控制作用,旨在為生物炭的實(shí)踐運(yùn)用提供相關(guān)的微生物理論基礎(chǔ)。

1 生物炭對微生物的影響機(jī)制

1.1 生物炭為土壤微生物提供棲息地與養(yǎng)分

目前,大部分研究者認(rèn)為,生物炭能夠提高微生物豐度的重要原因之一是其多孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的比表面積,為土壤微生物提供了適宜的棲息地。這個(gè)機(jī)制最早由Pietik?inen 等提出,他們發(fā)現(xiàn)亞馬遜黑土(最早發(fā)現(xiàn)生物炭的土壤)中的微生物豐度比其相鄰的土壤高25%,推測這與生物炭的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。土壤細(xì)菌的平均尺寸為1～4 μm,真菌的平均尺寸為2～64 μmm,喜棲息于土壤孔隙中或附著于土壤顆粒表面。生物炭按其孔徑的大小將其分為大孔隙(＞50 nm)、小孔隙(＜2 nm)和微孔隙(＜0.9 nm)3 種類型,通常來說,木質(zhì)類生物炭具有豐富的大孔隙,適宜大部分土壤細(xì)菌和真菌的定殖,同時(shí)大孔隙對土壤的通氣性和保水性都有積極作用,也為微生物提供了適宜的生存條件。例如,松木生物炭具有大量直徑在5～10 μm 的孔隙,且保留了其生物質(zhì)植物細(xì)胞的導(dǎo)管和篩管結(jié)構(gòu),有利于孔隙之間的相互連接及氧氣輸送,在土壤環(huán)境中為細(xì)菌和真菌等微生物定居提供了良好的居住條件。Tu 等通過電子掃描顯微鏡(SEM)觀察到玉米()秸稈生物炭具有粗糙的表面和豐富的多孔結(jié)構(gòu),使得接種的大部分假單胞菌()能夠黏附于生物炭顆粒表面,一些較小尺寸(＜2 μm)的菌體定居于孔隙中。此外,生物炭的強(qiáng)吸附及固定能力能夠使微生物在降雨、地表徑流的作用下不易被沖走,減少了自然條件下土壤微生物的損失。

同時(shí),生物炭本身富集了許多營養(yǎng)元素,可作為養(yǎng)分來源為微生物提供氮、磷、鉀等以及生物質(zhì)原材料中具有的微量元素。如玉米秸稈生物炭中含有豐富的速效鉀和速效磷,低溫(≤400 ℃)動物糞便生物炭富含氮、硫、鈣和鎂等營養(yǎng)元素,這些營養(yǎng)元素能夠跟隨生物炭的施用一同進(jìn)入土壤環(huán)境,被微生物、植物吸收利用。生物炭還含有大量陰離子和羥基、羧基、羰基等含氧官能團(tuán),使其表現(xiàn)出較大的陽離子交換能力(CEC),其施用也能增大土壤的CEC,如20 t·hm的木質(zhì)生物炭可使土壤的CEC提高3 倍左右,CEC 的提升可增大土壤對養(yǎng)分的持有能力以支持微生物活動。綜上,生物炭不僅能通過其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供良好的生存空間,還能直接或間接地為土壤微生物提供氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)。

1.2 生物炭對土壤pH 的改變

由于大部分細(xì)胞內(nèi)部的DNA、ATP 等對酸性敏感,而RNA 和磷脂等對堿性敏感,過酸過堿都易損害細(xì)胞的生長,因此中性pH 環(huán)境能更好地維持微生物細(xì)胞穩(wěn)定,有利于微生物的生長代謝,且在中性至弱堿性(pH 7.2～7.6)時(shí)微生物的呼吸酶、蛋白酶、過氧化氫酶等維持微生物生長代謝的酶活性可達(dá)最高。研究表明,生物炭pH 通常為8.0～13.0,其施用可顯著提高酸性土壤的pH,有利于微生物的生長。例如,在桉樹()林施用50 t·hm的高比例桉樹生物炭,土壤pH 從4.0 增加為4.8,土壤微生物總量提高了21.63%;在酸性紅壤中施用5 t·hm的竹葉生物炭,土壤pH 從5.7 增加到6.4,豐富了土壤中固氮菌和硝化菌的多樣性。熱解溫度是影響生物炭pH 的重要因素,一般情況下,熱解溫度越高,生物炭中的揮發(fā)性物質(zhì)含量越低,酸性官能團(tuán)越少,含有鹽堿離子的灰分增加,使得生物炭的pH升高。如施用550 ℃桉樹木生物炭使得南方酸性紅壤pH 由4.04 提高至6.12,而300 ℃和350 ℃生物炭僅使其pH 分別增加了0.18 和0.27,高溫生物炭對紅壤pH 的大幅度提升使得土壤中固氮菌的豐度和多樣性也顯著提高,而低溫生物炭對pH 的微弱改變對固氮菌群落影響不明顯。因此,針對酸性土壤,施用高溫(500 ℃以上)生物炭可有效提高土壤pH,為土壤微生物的生長提供良好的環(huán)境。

1.3 生物炭介導(dǎo)微生物電子傳遞

生物炭含有豐富的具備氧化還原活性的官能團(tuán),如醌、酚羥基、芳香環(huán)等,使生物炭能夠作為電子供體、電子受體或電子的傳遞橋梁,介導(dǎo)微生物的電子傳遞過程,促進(jìn)微生物的代謝活動,從而有利于提高依賴微生物代謝進(jìn)行的元素循環(huán)和有機(jī)污染物降解的效率。例如,電子供體的缺少會導(dǎo)致反硝化細(xì)菌的反硝化作用不完全,從而導(dǎo)致土壤NO 排放量增加,而300 ℃的稻稈生物炭可作為電子供體促進(jìn)反硝化細(xì)菌的反硝化作用(圖1 Ⅰ),從而降低土壤NO 的排放量。同樣,硫還原地桿菌()很難直接降解五氯苯酚,稻稈生物炭表面的酚羥基等氧化還原官能團(tuán)可作為電子供體促進(jìn)微生物細(xì)胞和五氯苯酚分子之間的電子轉(zhuǎn)移,從而顯著增強(qiáng)硫還原地桿菌對五氯苯酚的降解效果,其降解路線如圖1 Ⅱ所示。Saquing 等發(fā)現(xiàn)金屬還原地桿菌()在沒有電子受體時(shí)不能分解利用醋酸鹽,而550 ℃的木質(zhì)生物炭中的醌基可作為電子受體參與金屬還原地桿菌對醋酸鹽的氧化(圖1 Ⅲ)。此外,生物炭還可作為微生物細(xì)胞與礦物之間的電子傳遞橋梁,加速其電子轉(zhuǎn)移速率。如620 ℃木屑生物炭通過充當(dāng)鐵(Ⅲ)礦物還原細(xì)菌MR-1的電子傳遞橋梁,將電子從生物炭轉(zhuǎn)移到Fe(Ⅲ)礦物,以刺激電子轉(zhuǎn)移,加快Fe(Ⅲ)氧化礦物和鐵氫化物的還原(圖1Ⅲ)所示。

圖1 生物炭介導(dǎo)微生物電子轉(zhuǎn)移的4 種路徑Fig.1 Four pathways of biochar-mediated microbial electron transfer

生物炭的電子交換能力,即電子交換容量(EEC),決定了其介導(dǎo)微生物電子傳遞的效率。EEC 是電子供給容量(EDC)和電子接收容量(EAC)的總和,用來表示生物炭提供和接收電子的能力。熱解溫度是影響生物炭EEC 的重要因素,Kappler 等發(fā)現(xiàn)生物炭低溫?zé)峤庀乱仔纬煞宇愇镔|(zhì),中高溫度下易形成醌基,主要決定了電子供體(主要為酚類)的EDC 以及電子受體(主要為醌基)的EAC。因此,針對不同反應(yīng)的降解行為,可選擇不同溫度的生物炭,以加快污染物降解效率。綜上,生物炭參與并促進(jìn)了微生物細(xì)胞與污染物分子之間的電子傳遞,增強(qiáng)了微生物代謝降解活動,加快了污染物的降解,為開發(fā)高效降解土壤污染物的生物電化學(xué)策略的發(fā)展提供了依據(jù)。

1.4 生物炭對土壤微生物的潛在毒性

除上述對微生物的正面影響外,生物炭熱解過程中產(chǎn)生的PAHs、VOCs、EPFRs 以及生物質(zhì)中富集的重金屬等物質(zhì)濃度較高時(shí)可能對土壤微生物產(chǎn)生毒性。低分子量的PAHs(苯環(huán)數(shù)≤4)較易被土壤微生物分解,可作為碳源促進(jìn)微生物的生長繁殖;而當(dāng)PAHs 的苯環(huán)數(shù)＞4 時(shí),PAHs 可通過疏水鍵與細(xì)胞膜上的膜磷脂結(jié)合形成穩(wěn)定的結(jié)合物,破壞細(xì)胞膜的通透性,對微生物的生長代謝產(chǎn)生抑制作用。同時(shí),PAHs 在紫外輻射下會加速自由基的生成,從而破壞微生物細(xì)胞膜,并損傷DNA。Rajkovich等指出500 ℃下制備的玉米秸稈生物炭中高濃度(5.3 μg·g)的PAHs 可能是施用5 d 后土壤微生物活性降低23.4%的原因。生物炭中的VOCs 主要包括苯系物、有機(jī)氯化物、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等,大部分均具有毒性,可直接抑制微生物生長。研究表明,低濃度(41.6 μg·g)的有機(jī)酸、有機(jī)胺等VOCs 可作為碳源支持黏液芽孢桿菌()等微生物的生長,而400 ℃玉米秸稈生物炭中高濃度(247.71 μg·g)的甲苯、乙基苯、氯苯、呋喃等VOCs 使土壤微生物豐度降低19.6%,微生物多樣性也顯著降低。此外,生物炭中的半醌、酚氧基、環(huán)戊二烯基等EPFRs 可誘導(dǎo)產(chǎn)生羥基自由基(·OH)、超氧自由基(·O)和過氧化氫(HO)等活性氧,通過氧化應(yīng)激降低細(xì)胞過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性,使微生物細(xì)胞活性降低甚至失活。重金屬對微生物的生長也表現(xiàn)出兩面性。一方面,鐵(Fe)、硼(B)、鋅(Zn)和鉬(Mo)等金屬可作為維持微生物、動物、植物生命體代謝活動的微量營養(yǎng)元素;同時(shí)細(xì)菌和真菌等微生物在對低濃度重金屬化合物進(jìn)行氧化過程中,可獲得ATP。另一方面,高濃度的重金屬則會干擾細(xì)胞質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)、酶的激活以及細(xì)胞內(nèi)部的電子傳遞等過程,從而阻礙生物體對正常離子的吸收、運(yùn)輸、滲透和調(diào)節(jié),并抑制微生物的生長、繁殖,損害呼吸作用,導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)異常、甚至裂解。如Zn是生物體微量元素,但微生物富集過量Zn 后,Zn可與微生物細(xì)胞中帶負(fù)電荷的核酸結(jié)合引起染色體畸變,DNA、RNA 和蛋白質(zhì)活性降低,核酸代謝受干擾。

生物質(zhì)類型和熱解溫度是造成生物炭中有毒化合物含量不同的主要原因。如由于家禽糞便富含多糖、蛋白質(zhì)和脂類,因此家禽糞便生物炭中的揮發(fā)性脂肪酸濃度(4～9 mg·g)是玉米秸稈生物炭中(1～4 mg·g)的2～3 倍。生物炭中的重金屬主要取決于生物質(zhì)原料,城市污泥生物炭中含有高濃度的Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd;家禽糞便生物炭中含有Al、Cr、Ni、Mo。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn)低溫(500 ℃以下)生物炭中的重金屬以殘留交換態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)為主,這些形態(tài)的重金屬生物有效性高。而隨著熱解溫度升高,如600～700 ℃制備的污泥生物炭,其中的重金屬逐漸變?yōu)闅堅(jiān)鼞B(tài),生物有效性降低。

綜上,生物炭中的PAHs、VOCs、EPFRs 和重金屬等對土壤微生物的潛在毒性是準(zhǔn)確評價(jià)生物炭環(huán)境效應(yīng)和潛在風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ),如何規(guī)避生物炭對土壤微生物帶來的負(fù)面作用是生物炭在土壤改良應(yīng)用時(shí)需要考慮的首要問題。目前研究發(fā)現(xiàn),生物炭在老化過程中從外部到內(nèi)部逐步降解,芳香性減弱,表面官能團(tuán)增加,可有效降低PAHs 的生物有效性;生物炭經(jīng)水洗和酸洗后可去除呋喃、芳香族有機(jī)酸和乙酰氧基酸等VOCs,從而降低生物炭對微生物的毒性;高溫生物炭中的重金屬主要以殘?jiān)鼞B(tài)的形式存在,可有效降低重金屬的生物有效性。在生物炭應(yīng)用于土壤改良時(shí),進(jìn)行老化、水洗、酸洗等前處理可有效降低其毒性。

2 生物炭與微生物作用對土壤養(yǎng)分的調(diào)控

氮、磷、鉀作為土壤養(yǎng)分中的基本營養(yǎng)物質(zhì),是評估土壤肥力的重要指標(biāo),微生物的生長代謝活動是土壤營養(yǎng)元素循環(huán)的主要推動力。研究發(fā)現(xiàn),生物炭可提高固氮菌、解磷菌、解鉀菌等功能微生物的豐度,從而使氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素利用率得到顯著提高。

氮素是地球上含量最高的化學(xué)元素,也是植物生長必需的營養(yǎng)元素,但土壤氮素?fù)p失嚴(yán)重,影響著全球的環(huán)境質(zhì)量、糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。Lehmann等提出在土壤中施用生物炭是一種減少土壤氮素?fù)p失、提高氮肥利用率的方法。生物炭除自身含有氮素、能吸附土壤中氮元素等特性,還能通過土壤微生物的氮素固持作用,轉(zhuǎn)化土壤氮素形態(tài),提高氮素利用率。研究表明,施加生物炭能提高土壤碳氮比(C/N),限制土壤微生物的氮素轉(zhuǎn)化和反硝化,對土壤NH+和NO

-具有顯著的持留作用。如在濱海鹽堿土中施用500 ℃的小麥()秸稈生物炭后,固氮菌群落豐度及其固氮能力顯著提高。在菜田中施用600 ℃的玉米秸稈生物炭不僅增加了氨氧化古菌、氨氧化細(xì)菌及自生固氮菌的豐度,優(yōu)化了氨氧化微生物的群落結(jié)構(gòu),還提高了土壤的總氮、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量。

土壤磷素的作物利用率較低,未被利用的磷素容易隨地表徑流進(jìn)入表層水體,引起水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。生物炭的施用能提高土壤磷含量及其有效利用率。一方面,一些生物炭本身含有較高的有效磷,可作為傳統(tǒng)磷肥的替代品;另一方面,生物炭還可通過對磷的吸附、解吸以及調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等作用改變土壤中磷的循環(huán)和有效性。如玉米秸稈生物炭的施用可增強(qiáng)巨大芽孢桿菌()、曲霉菌(spp.)、歐文氏菌(spp.)等解磷微生物的豐度與活性,它們可通過分泌有機(jī)酸、磷酸酶和植酸酶將土壤中的有機(jī)磷和難溶性無機(jī)磷轉(zhuǎn)化為可被作物吸收利用的有效態(tài)磷。

由于原料緊缺、施用不合理等因素,土壤缺鉀也是土壤肥力喪失的一大原因。與土壤磷類似,除了生物炭中鉀的直接貢獻(xiàn)作用外,生物炭還可通過刺激微生物活性提高土壤有效鉀含量。玉米秸稈生物炭可以提高土壤中膠質(zhì)芽孢桿菌()、環(huán)狀芽孢桿菌()等硅酸鹽解鉀菌的豐度和活性,這些微生物可通過分泌有機(jī)酸來加速礦物晶體的溶解,實(shí)現(xiàn)對含鉀礦物的解鉀作用,從而增加土壤中有效鉀含量。

同時(shí),目前生物炭與微生物聯(lián)用技術(shù)受到越來越多的重視,將生物炭作為載體接種固氮菌、解磷菌、解鉀菌等功能微生物,可顯著提高土壤養(yǎng)分。如小麥秸稈生物炭與枯草芽孢桿菌()的聯(lián)合施用可顯著提高砂壤土中有效磷、速效鉀的養(yǎng)分含量,從而提高玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。在種植辣椒()的黃壤中施加接種了叢枝菌根真菌的玉米秸稈生物炭,辣椒根部氮、磷、鉀的含量相較于單施用叢枝菌根真菌的對照含量提高了74.04%、106.42%和78.82%。生物炭與微生物的共同作用可顯著提升氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的有效利用率,對土壤肥力的改良具有積極作用。生物炭與微生物聯(lián)用技術(shù)可有效改良土壤肥力,提高生物炭和微生物肥在土壤肥力改良方面的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 生物炭與微生物作用對土壤污染物的控制

土壤污染是我國乃至全球亟待解決的重要環(huán)境問題,有機(jī)污染物和重金屬污染已成為土壤污染的重要來源,對土壤生態(tài)環(huán)境危害極大。由于生物炭的強(qiáng)吸附固定作用,其施用能夠減少土壤中有機(jī)污染物和重金屬對植物的生物有效性。但隨著老化程度的加劇,生物炭吸附固定的污染物可能會因解吸而再次釋放到土壤中。而微生物的代謝活動不但可以加速土壤中有機(jī)污染物的降解,還能降低重金屬的生物有效性。生物炭可刺激微生物的生長代謝活動,同時(shí)其較大的比表面積也可負(fù)載降解菌等特定功能的微生物,以達(dá)到有效控制土壤污染物的目的。本節(jié)討論了生物炭與微生物的作用對土壤有機(jī)污染物與重金屬污染控制的影響。

3.1 有機(jī)污染物

土壤環(huán)境中常有多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯、有機(jī)農(nóng)藥、石油等多種有機(jī)污染物的并存,不但可以直接作用于土壤,破壞其正常功能,還會通過植物的吸收或食物鏈的累積,危害人類健康。研究表明,生物炭不僅可以吸附降解有機(jī)污染物,從而降低其毒性、遷移率和生物利用度,還可通過刺激土壤微生物活動及負(fù)載特定功能微生物,降解土壤中的污染物。近年來,生物炭在促進(jìn)微生物降解PAHs、五氯苯酚等有機(jī)污染物效果顯著。例如,在酸性紅壤中施加400 ℃的玉米秸稈生物炭后,土壤中具有降解PAHs 等芳香族化合物功能的鞘氨醇單胞菌()和新鞘氨醇菌(sp.)的豐度提高18.9%,顯著提升土壤中PAHs 的生物降解率。Song 等也發(fā)現(xiàn)300 ℃、500 ℃和700 ℃的麥草生物炭均能通過提高鞘氨醇單胞菌的豐度以降低土壤中PAHs 含量。此外,生物炭還可作為微生物和有機(jī)污染物之間的電子穿梭體,提高微生物對有機(jī)物的降解效率。如水稻()秸稈生物炭可通過促進(jìn)硫還原地桿菌細(xì)胞與五氯苯酚之間的電子轉(zhuǎn)移,顯著提高硫還原地桿菌對五氯苯酚的降解。Tu 等也表示在生物炭與微生物聯(lián)合修復(fù)作業(yè)中,生物炭可起到有效固定及富集土壤中有機(jī)污染物的作用,以供接種的白腐真菌黃孢原毛平菇和平菇等進(jìn)行有效的降解。同時(shí),研究者還發(fā)現(xiàn)原料類型在很大程度上影響著生物炭的修復(fù)效率,如與木屑生物炭相比,麥秸生物炭具有更豐富的孔隙及更大的比表面積,更適宜微生物的定植,增加微生物的豐度,促使降解菌對PAHs 具有更高的降解率。任宏洋等發(fā)現(xiàn)相較于小麥秸稈生物炭,玉米芯生物炭表面更加粗糙,使得玉米芯生物炭固定微生物的量比秸稈生物炭高40.5%,固定化菌劑的除油率比秸稈生物炭的高10.6%。因此,將生物炭作為微生物載體時(shí),選用孔隙結(jié)構(gòu)豐富的生物炭對污染物的去除效果更佳。

3.2 重金屬

與有機(jī)污染物相比,重金屬具有難降解、易通過作物吸收、食物鏈累積等特點(diǎn),使得現(xiàn)代作物產(chǎn)量、質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此,如何降低土壤中重金屬的生物有效性是目前土壤修復(fù)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)修復(fù)策略主要有客土、土壤清洗和植物修復(fù)等,而這些方法存在著處理效率低、運(yùn)行成本高、時(shí)間周期長、破壞土壤原生態(tài)系統(tǒng)等缺點(diǎn)。有研究者指出,通過向受污染土壤中添加適當(dāng)?shù)母牧紕┛蓪⑼寥乐械闹亟饘俟潭ㄅc穩(wěn)定化,從而降低土壤重金屬的流動性和生物有效性。如棘孢曲霉()、黃孢原毛平革菌()等微生物可通過生物積累、吸附、轉(zhuǎn)化、胞外沉淀等作用,吸附、吸收并固化重金屬,從而降低土壤中重金屬的生物有效性?？莶菅挎邨U菌等土壤微生物分泌的草酸、檸檬酸等有機(jī)酸能與重金屬發(fā)生鰲合或形成草酸鹽沉淀,從而降低重金屬對生物的傷害。同時(shí),生物炭表面存在的大量含氧官能團(tuán),如羧基、羥基和酚等,對重金屬有很強(qiáng)的親和力,能高效吸附重金屬。因此,綜合生物炭多孔隙結(jié)構(gòu)與強(qiáng)吸附能力的優(yōu)勢,生物炭與功能性微生物菌株的結(jié)合被認(rèn)為是可持續(xù)修復(fù)重金屬污染土壤的有效策略,該體系結(jié)合了生物炭吸附和微生物降解污染物的優(yōu)勢,通過提高微生物豐度增強(qiáng)土壤污染物的降解效果,具有可重復(fù)利用的特點(diǎn),是一類有前景的污染物處理模式。如玉米秸稈生物炭接種耐重金屬菌株假單胞菌后降低了Cd 和Cu 的不穩(wěn)定性和生物可利用度。段靖禹等應(yīng)用松木生物炭與青霉菌(spp.)復(fù)合修復(fù)土壤砷污染時(shí),發(fā)現(xiàn)生物炭的孔隙為青霉菌提供了附著點(diǎn),使青霉菌定殖而豐度增加,從而使得砷的鈍化率高達(dá)27.6%。生物炭與微生物的共同作用對控制土壤污染具有極大的潛力,生物炭固定微生物的技術(shù)為綠色可持續(xù)的污染修復(fù)提供了新視角。

4 生物炭對病原微生物的防治

土壤中的植物病原性真菌、細(xì)菌和病毒侵染植物根部和莖部而發(fā)生的病害被稱為土傳病害,近年來由于長期施用化肥導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)減少,土壤微生物生態(tài)遭受破壞,土傳病害連年加重,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn),造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。目前對土傳病害的防控雖然已開展了大量研究,但至今仍然缺乏經(jīng)濟(jì)、有效、廣適性強(qiáng)、能大面積推廣的實(shí)用技術(shù)。隨著生物炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,生物炭對農(nóng)作物土壤病原微生物的控制引起了學(xué)者的關(guān)注。研究表明,生物炭的施用可有效防治由青枯菌()、尖孢鐮刀菌()、茄核菌()等病原菌引起的土傳病害。如稻稈生物炭的添加使酸性紅壤pH 由4.9 提高至6.2,土壤CEC 提高21%,土壤的改良提高了假單胞菌、芽孢桿菌和擬桿菌(spp.)等有益微生物的豐度,而使病原青枯菌的豐度下降94.51%,煙草青枯病的發(fā)病率也降低76.64%。玉米秸稈生物炭能有效吸附病原鐮刀菌的孢子,從而抑制致病性尖孢鐮刀菌、螺旋體鐮刀菌和糖化鐮刀菌的繁殖傳播。桉樹生物炭還可吸附番茄尖孢鐮刀菌產(chǎn)生的細(xì)胞壁降解酶以及霉菌毒素、抗生素和色素等有毒代謝產(chǎn)物并令其失活,從而保護(hù)番茄()免受土傳病原菌的侵害。同時(shí),300～400 ℃的低溫柑橘()木生物炭上的酸、醇和羰基化合物等VOCs,可有效抑制病原體灰葡萄孢菌()和韃靼內(nèi)絲白粉菌()的生長,使得番茄灰霉病菌和白粉病得到有效控制。此外,在施用了500 ℃的玉米秸稈生物炭后,發(fā)現(xiàn)毛霉、擬青霉、青霉菌和木霉等對病原微生物有抑制作用的生防菌得到富集,產(chǎn)生的抗生素可抑制土傳病害和誘導(dǎo)植物防御,減輕病原微生物對植物的毒性。根據(jù)已報(bào)道的文獻(xiàn),本文總結(jié)了以下4種生物炭對病原微生物防治的主要機(jī)制:1)改善土壤性質(zhì)進(jìn)而優(yōu)化土壤微生物群落,減少病原菌的生長繁殖;2)吸附病原菌及其分泌物,降低其生物有效性;3)生物炭的VOCs 等微生物抑制劑可抑制病原菌的生長;4)增加生防菌等有益微生物的豐度以抑制病原菌。綜上,以往的研究結(jié)果不但說明生物炭對防控植物土傳病害有積極作用,還為生物炭防控土傳病害提供了理論支撐。

5 結(jié)語與展望

本文對生物炭對土壤微生物生長代謝活動的影響機(jī)制進(jìn)行了總結(jié),原料類型和熱解溫度共同決定著生物炭的表面特性、孔結(jié)構(gòu)、元素組成、pH 以及CEC 等特性,從而導(dǎo)致不同種類的生物炭對土壤微生物代謝活動的影響存在較大差異。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)生物炭與微生物的共同作用可有效修復(fù)與改良土壤。因此針對不同土壤問題,應(yīng)選擇施用不同種類的生物炭以達(dá)到最佳的改良效果。如提高酸性土壤的pH,可以選用高溫生物炭;提高土壤肥力,則可選擇作物殘?jiān)锾亢蛣游锛S便生物炭,其高灰分含量可提高土壤的CEC;對于控制土壤病原微生物,低溫生物炭攜帶的VOCs 可抑制病原菌的活性,吸附性強(qiáng)的生物炭可吸附病原菌孢子以抑制其在土壤中的傳播繁殖。對于生物炭本身含有的PAHs、VOCs、EPFRs、重金屬等帶來的負(fù)面作用,使用前應(yīng)對其進(jìn)行老化、水洗或酸洗等前處理,以減輕生物炭對微生物代謝活動的抑制作用及對土壤環(huán)境的不良影響。

綜上,微生物的代謝活動機(jī)制十分復(fù)雜,現(xiàn)有關(guān)于生物炭對土壤微生物的影響機(jī)制的研究還不完善,未來的研究需重視以下問題:

1)目前生物炭對微生物作用的研究主要在土壤介質(zhì)中開展,影響因素較為復(fù)雜,難以判定生物炭對微生物起關(guān)鍵作用的因素,未來應(yīng)多開展生物炭-微生物簡單體系下的基礎(chǔ)研究,進(jìn)一步探究生物炭中的重金屬、DOM、PAHs、表面官能團(tuán)、EPFRs 等各類組分對微生物的作用機(jī)制。

2)由于結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的差異,生物炭與土壤顆粒界面間可能存在空間異質(zhì)性,異質(zhì)空間內(nèi)資源分布復(fù)雜,通?？蔀楦嗟奈⑸镂锓N提供生存所需的空間和養(yǎng)料。但目前對生物炭的研究還未涉及,因此探討生物炭與土壤的空間異質(zhì)性對土壤微生物生長繁殖的影響也是未來研究有意思的發(fā)展方向之一。

3)目前對生物炭的相關(guān)研究時(shí)長較短,但生物炭在土壤中的停留時(shí)間較長,且微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化會隨著人為和自然活動的變化而變化,今后的研究中應(yīng)多考慮生物炭施用后對土壤微生物的動態(tài)作用及長期效果評估。

感謝昆明理工大學(xué)云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的學(xué)習(xí)平臺,感謝劉洋老師對本文的提議與修改。