“微生物碳泵”作用下的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及其吸附特性研究進(jìn)展

李芳芳，李中文，李宇軒，代然，周丹丹，楊時(shí)玲

（1. 昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650500；2. 云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；3. 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500）

土壤碳穩(wěn)定機(jī)制研究是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。土壤是陸生生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是大氣和植物中碳儲(chǔ)量的2～3倍，其微小變化即會(huì)顯著影響二氧化碳的排放，進(jìn)而影響全球氣候變化，因此，提高土壤碳儲(chǔ)量是目前減緩全球氣候變暖，恢復(fù)退化土壤功能的重要舉措。目前，主要的碳穩(wěn)定機(jī)制包括：有機(jī)碳的生物化學(xué)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，通過(guò)物理化學(xué)生物作用形成有機(jī)、無(wú)機(jī)體，以及團(tuán)聚體的物理包裹。然而，由于土壤的空間異質(zhì)性，對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定性有機(jī)碳主要來(lái)源于易降解組分如微生物殘?bào)w還是難降解組分如木質(zhì)素仍存在爭(zhēng)議。從目前研究來(lái)看，穩(wěn)定性有機(jī)碳不僅依賴于生物化學(xué)穩(wěn)定性，而且還受生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的調(diào)控。例如，曾被認(rèn)為穩(wěn)定存在于土壤中的木質(zhì)素和植物脂類的平均停留時(shí)間只有50～100 a，比大部分有機(jī)碳的更替要快，而通常被認(rèn)為是不穩(wěn)定化合物的蛋白質(zhì)和糖類可以存在數(shù)十年之久，甚至在被認(rèn)為是最穩(wěn)定的胡敏素組分中，研究者也發(fā)現(xiàn)了超過(guò)50% 的大量微生物來(lái)源的有機(jī)質(zhì)存在，如多糖、蛋白質(zhì)等組分。

微生物在土壤中大量且長(zhǎng)期存在，同時(shí)由于微生物的特性及生命周期使得土壤中長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在大量微生物殘?bào)w。雖然微生物活體的碳含量較低，不足有機(jī)質(zhì)的4%，但從微生物碳泵作用下的固碳角度出發(fā)，微生物對(duì)穩(wěn)定態(tài)碳池的貢獻(xiàn)是一種長(zhǎng)期的積累。LIANG 等使用土壤“微生物碳泵”（Microbial carbon pump，MCP）概念框架說(shuō)明了微生物是如何在土壤碳儲(chǔ)存中發(fā)揮積極作用的。這一框架平衡了微生物作為土壤有機(jī)質(zhì)（Soil organic matter，SOM）分解和形成的媒介的對(duì)比功能，并強(qiáng)調(diào)了長(zhǎng)期微生物同化在產(chǎn)生土壤穩(wěn)定有機(jī)化合物中的作用。微生物來(lái)源的SOM 的貢獻(xiàn)率可達(dá)總可提取SOM 的50%，腐殖質(zhì)組分的約45% 和土壤氮的80%，然而，在復(fù)雜土壤中定量微生物碳泵作用下的穩(wěn)定性碳和植物來(lái)源的穩(wěn)定性碳貢獻(xiàn)十分困難。有研究通過(guò)模型土壤直接證明了在微生物碳泵作用下，微生物殘?bào)w的穩(wěn)定性依賴于微生物群落結(jié)構(gòu)和礦物組成。土壤微生物不僅本身與土壤礦物存在直接作用（如胞外聚合物、細(xì)胞膜外層蛋白質(zhì)均可與礦物表面形成直接作用），而且微生物需要借助與礦物間的電子傳遞發(fā)生氧化還原反應(yīng)獲取能量，導(dǎo)致微生物主要附著于無(wú)機(jī)礦物，微生物源有機(jī)碳通常因?yàn)榕c無(wú)機(jī)礦物的相互作用而穩(wěn)定下來(lái)。同時(shí)，微生物源SOM 在土壤環(huán)境污染物的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程中扮演著重要角色，系統(tǒng)地理解微生物與無(wú)機(jī)礦物和污染物間的相互作用，以及微生物殘?bào)w對(duì)穩(wěn)定SOM 的貢獻(xiàn)（圖1），有助于更好地通過(guò)調(diào)控土壤微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤固碳，進(jìn)而為土壤污染修復(fù)工程中應(yīng)用微生物提供理論依據(jù)。

圖1 “微生物碳泵”作用下土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性及其對(duì)污染物的環(huán)境行為影響Figure 1 The stability of soil organic matter under“microbial carbon pump”process and its influence on environmental behaviors of contaminants

目前，微生物碳泵作用下的碳穩(wěn)定機(jī)制及環(huán)境因素對(duì)微生物殘?bào)w的影響已經(jīng)有很好的綜述，然而有關(guān)微生物源有機(jī)碳與礦物和污染物相互作用機(jī)制的研究還缺乏系統(tǒng)探究。所以，本綜述針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行討論：（1）微生物來(lái)源有機(jī)碳的組成和性質(zhì)；（2）微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響；（3）微生物來(lái)源有機(jī)碳與無(wú)機(jī)礦物的相互作用；（4）微生物來(lái)源有機(jī)碳與污染物的相互作用。

1 微生物來(lái)源有機(jī)碳的組成與性質(zhì)

微生物作為迄今為止最為豐富的生物類別，其在土壤中大量存在且對(duì)土壤固碳具有潛在貢獻(xiàn)。微生物來(lái)源有機(jī)碳由不同代謝活動(dòng)狀態(tài)下的微生物生物量貢獻(xiàn)，其中只有約2% 為活性微生物，休眠和死亡微生物的平均含量分別為42% 和56%，且休眠部分中潛在活性微生物的比例（可在數(shù)小時(shí)內(nèi)被有效底物激活）從10%到40%不等，由此，也反映出微生物殘?bào)w是微生物來(lái)源碳的主要部分。微生物殘?bào)w主要包括來(lái)自細(xì)胞的顆粒有機(jī)物包膜片段以及一些膠體前體細(xì)胞溶質(zhì)（如酶、核糖體和小分子聚合物）等。目前已有研究利用同位素標(biāo)記的方法獲得微生物殘?bào)w的組成和來(lái)源信息。例如，COTRUFO 等跟蹤了同位素標(biāo)記地上凋落物的分解，以及隨后被結(jié)合到SOM 中的情況，發(fā)現(xiàn)凋落物在分解早期，大部分的非結(jié)構(gòu)化合物以高速率結(jié)合到微生物生物量中，最終形成SOM。也有研究發(fā)現(xiàn)微生物殘?bào)w中氮元素主要以多氨基化合物（蛋白質(zhì)、糖蛋白、真菌幾丁質(zhì)和細(xì)菌肽聚糖）形式存在，其占土壤有機(jī)氮的60% 以上。微生物在代謝過(guò)程中會(huì)分泌胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS），這是微生物在自然環(huán)境中的一個(gè)普遍屬性，在原核微生物和真核微生物中都有發(fā)生。此外，細(xì)胞裂解釋放出的某些物質(zhì)也屬于EPS，因此，EPS 既存在于細(xì)胞外，也存在于微生物聚集體內(nèi)部。EPS 是一種復(fù)雜的高分子聚合物，通常由蛋白質(zhì)、碳水化合物和核酸組成，這些成分具有吸附、生物降解、親水及疏水等特性。EPS 的疏水部分主要為蛋白質(zhì)，親水部分為碳水化合物，且碳水化合物中90% 以上由葡萄糖、半乳糖、甘露糖（均為己糖）、阿拉伯糖和木糖（均為戊糖）組成。

目前，有關(guān)描述微生物組成、性質(zhì)和微生物殘?bào)w來(lái)源的手段有磷脂脂肪酸（Phospholipid fatty acids，PLFA）以及氨基糖（Amino sugars）分子生物標(biāo)志物技術(shù)。磷脂是所有活細(xì)胞膜的重要組成部分，因此，通常用PLFA 來(lái)表征活體微生物。PLFA 的濃度和分布可以反映土壤微生物群落的迅速變化，例如總PLFAs 量可表示微生物生物量濃度。很多研究利用其特征脂肪酸進(jìn)一步指示并區(qū)分真菌和細(xì)菌的比例和貢獻(xiàn)，例如：18：2ω6 已被廣泛用于估算真菌在土壤微生物生物量中的比例；而i15：0、a15：0、15：0、i16：0、16：1ω7、i17：0、a17：0、cγ-17：0、i18：0、18：1ω7、cγ-19：0 用來(lái)指示土壤細(xì)菌；此外，支鏈脂肪酸和酯連接的單飽和16：1ω9、單飽和脂肪酸和環(huán)丙基脂肪酸可以追溯革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌。氨基糖法分子生物標(biāo)志物目前被廣泛用于研究微生物殘?bào)w的來(lái)源，主要的分子標(biāo)志物包括葡萄糖胺、胞壁酸、半乳糖胺和甘露糖胺。因胞壁酸獨(dú)特地來(lái)源于細(xì)菌肽聚糖，而真菌細(xì)胞壁是葡萄糖胺的主要來(lái)源，因此，葡萄糖胺與胞壁酸的比值通?？梢灾甘菊婢图?xì)菌來(lái)源的比例。有研究也表明葡萄糖胺與半乳糖胺的比例可以示蹤土壤中從細(xì)菌到真菌的氨基糖-N的轉(zhuǎn)變。

盡管微生物來(lái)源的有機(jī)碳組成和性質(zhì)已被廣泛關(guān)注，然而，由于微生物本身性質(zhì)的復(fù)雜性及其受外界環(huán)境因素的影響大，其在土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性貢獻(xiàn)研究方面仍需進(jìn)一步探索，特別是在全球碳周轉(zhuǎn)模型估算中通常被忽視或錯(cuò)誤估算了微生物的貢獻(xiàn)。因此，了解微生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)在土壤中以何種程度、何種方式被穩(wěn)定下來(lái)是定量其固碳貢獻(xiàn)的重要前提。

2 微生物群落的變化對(duì)微生物來(lái)源有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

微生物群落組成的變化會(huì)導(dǎo)致微生物來(lái)源的有機(jī)質(zhì)組成和性質(zhì)的差異，從而直接或間接地影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。通常將微生物碳利用效率（Carbon use efficiency，CUE），即生成每單位微生物量碳與微生物所吸收的有機(jī)碳總和之比，作為評(píng)價(jià)“微生物碳泵”作用下SOM 形成速率的參數(shù)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，基質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，微生物CUE 越高，導(dǎo)致微生物量碳的積累更顯著。例如，糖類分子結(jié)構(gòu)比有機(jī)酸簡(jiǎn)單，以糖類為基質(zhì)的微生物CUE 高于以有機(jī)酸為基質(zhì)的微生物，因此糖類會(huì)引起更多微生物量碳的積累。而不同微生物類群對(duì)基質(zhì)的CUE 也存在一定的差異。例如，細(xì)菌和真菌有不同的生活史策略（Life-history strategies），細(xì)菌（多為r 型微生物）更傾向于分解易降解有機(jī)碳，而真菌（多為K型微生物）更偏好于分解難降解的有機(jī)碳。然而，并不能以此簡(jiǎn)單地認(rèn)為細(xì)菌CUE 高于真菌CUE，目前對(duì)于不同微生物類群CUE 高低的研究缺乏準(zhǔn)確認(rèn)知，還需結(jié)合具體環(huán)境因子進(jìn)行分析。

微生物群落組成主要會(huì)隨環(huán)境因子（如耕作方式、凍融循環(huán)、氮沉降、火災(zāi)、干濕交替等）的改變發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而影響微生物群落功能。SAUVADET等發(fā)現(xiàn)，減少耕作能夠增加微生物CUE，降低激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)碳固存。凍融循環(huán)減少了微生物的生物量，導(dǎo)致微生物細(xì)胞裂解，一定程度上造成土壤溶解有機(jī)碳濃度的增加和大量CO的排放。DING等研究了氣候變暖對(duì)青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)50 cm 剖面微生物殘留積累的影響，發(fā)現(xiàn)氣候變暖顯著增加了總微生物殘?bào)w量，相較于細(xì)菌，溫度升高增加了真菌對(duì)有機(jī)碳庫(kù)的貢獻(xiàn)。研究表明，由人為擾動(dòng)引起的活性氮沉積，在過(guò)去的150 a 里增加了大約3倍，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年里還將繼續(xù)大幅增加，而碳循環(huán)與氮循環(huán)關(guān)系密切，研究者提出了微生物氮開采假說(shuō)來(lái)解釋添加氮后土壤有機(jī)碳的分解，即低氮有效性可促使土壤微生物通過(guò)分解SOM 獲取氮，從而增加有機(jī)質(zhì)的分解。即在高氮利用率的條件下，微生物從頑固碳中提取氮的行為將被抑制。此外，微生物種群的相對(duì)豐度可能受到氮有效性的影響，一個(gè)基于個(gè)體的模型測(cè)試凋落物分解過(guò)程中的微生物動(dòng)力學(xué)表明，r 型微生物在低碳氮比的底物分解中占主導(dǎo)地位，而當(dāng)?shù)孜锏奶嫉容^高時(shí)，則是生長(zhǎng)較為緩慢的K 型微生物占主導(dǎo)地位?；馂?zāi)對(duì)土壤微生物的直接影響是減少微生物的生物量，MACK 等在調(diào)查了阿拉斯加的一場(chǎng)火災(zāi)后發(fā)現(xiàn)，僅一場(chǎng)凍土帶火災(zāi)，即使在相對(duì)較淺的地方燃燒，也能迅速抵消局部和生物群落規(guī)模對(duì)碳的吸收，而且燃燒所損失的碳比相關(guān)的分解機(jī)制快30～50 倍。有研究表明，真菌比細(xì)菌受到的影響更大。干濕交替也可以通過(guò)影響土壤微生物的種群動(dòng)態(tài)和團(tuán)聚體形態(tài)，從而改變微生物來(lái)源有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量。例如，有研究表明，r型微生物的抗旱能力較弱，但其生長(zhǎng)速度較快，因此具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力，而生長(zhǎng)速度較慢的K型微生物抗旱能力較強(qiáng)，但恢復(fù)緩慢。此外，當(dāng)干旱發(fā)生時(shí)，微生物因?yàn)槿芙庑杂袡C(jī)碳擴(kuò)散受到限制而會(huì)減少代謝，一旦土壤水分達(dá)到一定比例，微生物的活性將大幅增加，從而促進(jìn)微生物來(lái)源有機(jī)碳的礦化?？梢?，微生物群落的變化依賴于復(fù)雜的環(huán)境因子，其對(duì)微生物源有機(jī)碳的影響在不同條件下有差異化的體現(xiàn)。然而，微生物群落的變化依賴于時(shí)間尺度，這導(dǎo)致了微生物來(lái)源有機(jī)碳的穩(wěn)定性會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)其長(zhǎng)期效應(yīng)的研究。

3 無(wú)機(jī)礦物對(duì)微生物來(lái)源有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

無(wú)論穩(wěn)定性碳庫(kù)來(lái)源于植物衍生物碳還是微生物來(lái)源的有機(jī)碳，礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)仍然是土壤碳穩(wěn)定最重要的穩(wěn)定機(jī)制之一。相對(duì)植物衍生物碳而言，微生物來(lái)源的有機(jī)碳在土壤中特別是在根際土壤與礦物的相互作用更強(qiáng)。微生物主要附著在土壤顆粒、無(wú)機(jī)礦物特別是黏土礦物上快速生長(zhǎng)，導(dǎo)致微生物來(lái)源的有機(jī)碳較植物來(lái)源的有機(jī)碳更易優(yōu)先被吸附穩(wěn)定。據(jù)估計(jì)，總生物來(lái)源有機(jī)碳的50% 對(duì)應(yīng)于原核生物，它們幾乎都與礦物表面接觸。固定在礦物上的微生物來(lái)源有機(jī)碳大致可以分為兩類，即與礦物直接連接的有機(jī)碳和通過(guò)與礦物結(jié)合的有機(jī)碳再結(jié)合而間接固定在礦物表面的有機(jī)碳。CREAMER等利用拉曼顯微光譜技術(shù)對(duì)微生物殘?bào)w的形成和與礦物表面的聯(lián)系進(jìn)行表征，結(jié)果表明，微生物殘?bào)w與高比表面積、高位點(diǎn)密度的短程有序的礦物質(zhì)通過(guò)吸附作用的結(jié)合，相較于與低比表面積、低位點(diǎn)密度的初級(jí)礦物質(zhì)通過(guò)加入活性微生物（合成代謝）的結(jié)合，更利于微生物殘?bào)w的保留，原因是溫度和濕度條件的變化引起了其對(duì)吸附解吸動(dòng)力學(xué)的影響，從而使通過(guò)吸附而與礦物結(jié)合的微生物殘?bào)w變得不穩(wěn)定。但也有研究發(fā)現(xiàn)，微生物來(lái)源的有機(jī)碳與礦物通過(guò)豐富的氮鍵連接（Nitrogen linkages）而緊密結(jié)合，從而形成更加穩(wěn)定的SOM。綜上研究均表明，礦物組分對(duì)于微生物來(lái)源有機(jī)碳的穩(wěn)定性至關(guān)重要，然而，礦物-微生物間如何響應(yīng)，環(huán)境因子的改變又將如何影響其有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合體的形成機(jī)制仍需要進(jìn)一步關(guān)注。

此外，絲狀微生物的菌絲可以對(duì)土壤顆粒進(jìn)行物理纏繞，微生物分泌的一些有機(jī)質(zhì)分子如EPS可以作為膠聯(lián)劑促進(jìn)與礦物相互作用形成土壤團(tuán)聚體而使有機(jī)碳被進(jìn)一步保護(hù)。土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)主要體現(xiàn)在物理穩(wěn)定上，空間上的不可及性、調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)及限制氧氣的擴(kuò)散可保護(hù)有機(jī)碳不被微生物和酶的分解。根據(jù)粒徑大小，團(tuán)聚體大致可分為大團(tuán)聚體（＞250 μm）和微團(tuán)聚體（＜250 μm）兩類，而不同粒徑大小團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性受不同微生物種群的影響。研究表明，由于真菌具有菌絲結(jié)構(gòu)，其能物理包裹土壤顆粒和微團(tuán)聚體，主要參與大團(tuán)聚體的形成，而細(xì)菌與微團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定緊密相關(guān)。真菌（包括其殘?bào)w）因其菌絲的存在而在土壤中存留時(shí)間更久，而細(xì)菌則會(huì)被礦化成為磷脂組成物質(zhì)。但是隨著土地退化或土地利用的加劇，微生物對(duì)SOM 的貢獻(xiàn)可能從真菌優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)向細(xì)菌優(yōu)勢(shì)。然而到目前為止，關(guān)于微團(tuán)聚體相較大團(tuán)聚體對(duì)于微生物來(lái)源的有機(jī)碳保護(hù)得更好的原因還沒(méi)有一個(gè)確切的解釋。此外，大多數(shù)關(guān)于微團(tuán)聚體的研究主要集中在50～250 μm，較小的微團(tuán)聚體很少受到關(guān)注。然而，CHENU 等明確指出納米至微米級(jí)的微團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性起重要作用，他們認(rèn)為小于2 μm 的微團(tuán)聚體是保護(hù)有機(jī)碳不被吸附分解的場(chǎng)所。因此，關(guān)于較小微團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳保護(hù)的研究將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)。

研究者也觀察到附著在礦物顆粒上的微生物會(huì)進(jìn)一步腐蝕礦物表面，增大礦物溶解，導(dǎo)致被吸附的微生物殘?bào)w碳再次釋放；但也有研究發(fā)現(xiàn)微生物通過(guò)腐蝕礦物表面，使得長(zhǎng)程有序的礦物轉(zhuǎn)化為短程有序的礦物，這些短程有序的礦物可以進(jìn)一步促進(jìn)微生物殘留物碳的穩(wěn)定。因此，礦物對(duì)微生物來(lái)源的有機(jī)碳是保護(hù)還是釋放取決于微生物的活性、礦物類型以及外界環(huán)境因子的影響。為了更好地描述自然環(huán)境中微生物來(lái)源有機(jī)碳的穩(wěn)定性，未來(lái)研究需要更多關(guān)注環(huán)境因子對(duì)礦物-微生物有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合物的形成和對(duì)穩(wěn)定性的研究。

4 微生物來(lái)源有機(jī)碳與污染物的相互作用

有機(jī)碳-污染物的相互作用研究已被廣泛關(guān)注，然而，在過(guò)去傳統(tǒng)的污染物吸附行為研究中，因忽略了微生物來(lái)源有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，更多研究關(guān)注于植物衍生化的有機(jī)碳（如木質(zhì)素、生物炭以及土壤分離的腐殖質(zhì)組分）對(duì)污染物，特別是有機(jī)污染物的研究。盡管微生物來(lái)源對(duì)有機(jī)碳對(duì)污染物，特別是憎水性有機(jī)污染物的吸附能力低于植物來(lái)源的大分子有機(jī)碳如木質(zhì)素等，但近期大量文獻(xiàn)報(bào)道顯示，微生物來(lái)源有機(jī)碳在長(zhǎng)期穩(wěn)定碳貢獻(xiàn)中的占比超過(guò)80%。此外，微生物來(lái)源有機(jī)碳既有豐富的含氧官能團(tuán)又有特殊的疏水區(qū)域，這些特性均表明微生物來(lái)源有機(jī)碳對(duì)污染物在土壤中的遷移與轉(zhuǎn)化行為同樣不可忽略。因此，探索污染物在土壤中長(zhǎng)期遷移或鎖定的環(huán)境功效，需了解微生物來(lái)源有機(jī)碳攜帶污染物遷移及其與污染物吸附固定之間的關(guān)聯(lián)。

然而，目前有關(guān)微生物來(lái)源有機(jī)碳與污染物相互作用的研究存在一定空白。僅有的相關(guān)研究更多關(guān)注于EPS 對(duì)污水重金屬的生物吸附去除。微生物分泌的EPS 以及細(xì)胞壁中的蛋白質(zhì)和多糖具有豐富的官能團(tuán)，如羧基、磷基、巰基、酚基、羥基、磷酸基團(tuán)等，這些基團(tuán)大部分帶負(fù)電荷，能與陽(yáng)離子交換電位，因此可通過(guò)離子交換和絡(luò)合等有效去除水中的重金屬。通常pH 值越高，溶液中與重金屬爭(zhēng)奪EPS 結(jié)合位點(diǎn)的質(zhì)子就越少，離子交換平衡中對(duì)重金屬的吸附就越多。除質(zhì)子外，其他陽(yáng)離子如Na和Ca也可以競(jìng)爭(zhēng)和交換。WANG 等的研究發(fā)現(xiàn)降解的好氧顆粒污泥對(duì)Cu的吸附伴隨著Ca的顯著釋放，這是由于Ca與EPS 結(jié)合的親和力和競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)較低。此外，EPS 中存在許多功能性陰離子基團(tuán)：如羧基可以通過(guò)靜電作用吸引帶正電荷的陽(yáng)離子而形成有機(jī)金屬絡(luò)合物；羧基和羥基也被發(fā)現(xiàn)在中性pH 溶液中可與重金屬通過(guò)配位鍵形成穩(wěn)定的配合物；蛋白質(zhì)、多糖和磷脂中的磷酸胺和氨基氰也可帶負(fù)電荷，作為有效的重金屬結(jié)合配體。由于EPS組分的多樣性和復(fù)雜性，在實(shí)際應(yīng)用中，多種吸附機(jī)制常同時(shí)發(fā)生。AJAO 等通過(guò)利用限氮廢水中產(chǎn)生的 EPS 與 Cu和Pb的吸附實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，EPS對(duì)Pb的吸附幾乎都是離子交換作用，但是對(duì)于Cu，有68%的吸附是離子交換作用，剩下的32% 則是其他作用，如絡(luò)合作用等。然而，微生物來(lái)源有機(jī)碳因其官能團(tuán)數(shù)量和種類、比表面積和帶電性質(zhì)等差異，都能導(dǎo)致其對(duì)重金屬相互作用的不同，這些不同性質(zhì)具體是如何影響兩者之間的相互作用，未來(lái)還需進(jìn)行更深入的研究。

盡管微生物來(lái)源有機(jī)碳主要是一些極性大的有機(jī)質(zhì)，但其組成也包含一些憎水性區(qū)域和組分，如蛋白質(zhì)中的芳香族、脂肪族和碳水化合物中的憎水區(qū)，這些組分對(duì)有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的吸附作用。例如，無(wú)芳香性且極性較高的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)因其獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)，而對(duì)憎水性有機(jī)污染物表現(xiàn)出類似的非線性吸附現(xiàn)象。有研究表明，EPS 中含有色氨酸的類蛋白質(zhì)物質(zhì)和類腐殖質(zhì)物質(zhì)的數(shù)量與EPS 對(duì)多環(huán)芳烴生物降解的增加呈正相關(guān)。SPATH 等報(bào)道，EPS可吸附60% 以上的苯、甲苯和間二甲苯，這些污染物只有一小部分被細(xì)胞吸附。此外，不同微生物群落組成的差異，導(dǎo)致其有機(jī)碳組成的不同，這也可能影響污染物的吸附降解能力。例如，相對(duì)于好氧條件，厭氧條件下形成的EPS 因具有更多芳香碳結(jié)構(gòu)，而對(duì)芘有更強(qiáng)的吸附能力。JIA 等研究發(fā)現(xiàn)真菌來(lái)源的EPS 中的蛋白質(zhì)和碳水化合物（類腐殖質(zhì)物質(zhì)）要比細(xì)菌來(lái)源的EPS高，其對(duì)PAHs的生物降解也要高于細(xì)菌來(lái)源的EPS。

EPS 具有豐富的官能團(tuán)（如磷酸基、羧基、酰胺、氨基和羥基），因此能促進(jìn)部分EPS 與礦物表面發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)也改變了礦物的表面電荷，從而影響了礦物對(duì)重金屬的親和力。HUANG 等在通過(guò)將細(xì)菌與高嶺石、土壤膠體混合后發(fā)現(xiàn)，土壤膠體的表面正電荷減少，負(fù)電荷有所增加，細(xì)菌可以使高嶺石和土壤膠體對(duì)Cu和Cd的吸附增強(qiáng)，而且吸附后不易被解吸。附著在礦物上的EPS 還可以通過(guò)提供額外的絡(luò)合位點(diǎn)來(lái)增加礦物對(duì)重金屬的吸附量，或通過(guò)阻斷納米大小的孔隙來(lái)減少重金屬的固定化，即通過(guò)削弱顆粒間或顆粒內(nèi)的擴(kuò)散，或通過(guò)影響各自的EPS-礦物結(jié)合的聚集狀態(tài)。此外，不同礦物類型也會(huì)影響微生物來(lái)源SOM 對(duì)污染物的相互作用。FANG 等通過(guò)使用平衡吸附等溫線、電位滴定法和微量熱滴定法發(fā)現(xiàn)，EPS 與針鐵礦或蒙脫石結(jié)合可以增加Cu的吸附，結(jié)果表明，針鐵礦的內(nèi)球絡(luò)合作用和蒙脫石的疏水、范德華力控制了各自復(fù)合體中可用表面位點(diǎn)的數(shù)量，以及隨后對(duì)Cu的吸附。MIKUTTA等的研究表明，EPS 增加了膨潤(rùn)土對(duì) Pb、Cu和Zn的吸附程度和速率，而鐵水化合物對(duì)金屬的吸附則沒(méi)有被影響或降低，其原因是吸附在不同礦物上的EPS 通過(guò)誘導(dǎo)其特有的孔隙分布變化，從而改變了可用的吸附位點(diǎn)，EPS 通過(guò)誘導(dǎo)膨潤(rùn)土的部分解聚和鐵水化合物的聚集，改變了礦物-EPS 締合結(jié)構(gòu)。微生物-礦物復(fù)合體與污染物之間的相互作用也受到環(huán)境 pH 的影響。TEMPLETON 等發(fā)現(xiàn)，當(dāng) pH 大于 6時(shí)，有70% 的Pb吸附在細(xì)菌-針鐵礦復(fù)合體的針鐵礦表面，而當(dāng) pH 小于 5.5 時(shí)，則有超過(guò) 50% 的 Pb吸附在細(xì)菌表面。

以上研究均證明了微生物源有機(jī)碳在污染物吸附中的重要性。然而，關(guān)于微生物殘?bào)w與污染物相互作用的機(jī)理研究目前仍匱乏。未來(lái)在探討污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為研究中也需要關(guān)注微生物來(lái)源有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，特別是微生物來(lái)源較為豐富的區(qū)域。

5 結(jié)論與展望

微生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的機(jī)制研究在理解全球碳循環(huán)、控制污染物遷移轉(zhuǎn)化以及土壤肥力提升等方面發(fā)揮重要而積極的作用。本文綜述了微生物的組成和性質(zhì)差異對(duì)微生物來(lái)源有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響，并指出微生物來(lái)源有機(jī)碳的穩(wěn)定性主要依賴于微生物群落結(jié)構(gòu)、礦物組成以及團(tuán)聚體的形成。但在復(fù)雜的土壤環(huán)境體系中識(shí)別以及解釋其穩(wěn)定性機(jī)制仍是一大挑戰(zhàn)，如微生物-植物-礦物間的相互作用研究、環(huán)境因子對(duì)微生物來(lái)源有機(jī)質(zhì)在礦物上的穩(wěn)定性研究，以及微生物殘?bào)w在土壤污染修復(fù)治理中的調(diào)控等，仍需要進(jìn)一步探討。此外，目前在土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的研究中對(duì)土壤團(tuán)聚體物理包裹保護(hù)作用和有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合體保護(hù)作用一直存在爭(zhēng)議，在未來(lái)研究中還需要進(jìn)一步證明。特別是微生物來(lái)源有機(jī)碳在不同土壤碳庫(kù)（不同土壤粒徑和密度組分）中的穩(wěn)定機(jī)制及其與污染物的相互作用。今后可對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行研究討論：在不同礦物組成條件下，真核和原核微生物來(lái)源的土壤有機(jī)質(zhì)的組成和性質(zhì)如何發(fā)生動(dòng)態(tài)變化?這些組成及性質(zhì)的變化是如何影響其穩(wěn)定性碳庫(kù)?有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合體形成中，微生物來(lái)源有機(jī)碳是如何穩(wěn)定保存，這些穩(wěn)定組分是如何影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化?