土壤污染修復(fù)中的生物炭-微生物交互作用研究進(jìn)展

趙淑雯，張倩茹*，張楚晨，冀琳宇，OK Yongsik

（1.北方干旱半干旱耕地高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.高麗大學(xué)環(huán)境科學(xué)與生態(tài)工程學(xué)部韓國(guó)生物炭研究中心，韓國(guó) 首爾 02841）

長(zhǎng)久以來(lái)，土壤重金屬和有機(jī)物污染一直是困擾全球可持續(xù)發(fā)展的主要環(huán)境問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，此類環(huán)境問(wèn)題亟需尋求基礎(chǔ)理論和技術(shù)層面的突破[1-2]。生物炭作為一種多孔材料，由于其碳含量高并具有豐富的官能團(tuán)，而成為一種非常有前景的土壤改良劑。它可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分含量，已被證明可在土壤改良培肥中發(fā)揮作用[3]。生物炭是在有限的氧氣環(huán)境，且溫度相對(duì)較低（<700 ℃）時(shí)，燃燒生物質(zhì)而產(chǎn)生的[4]。生物炭的性質(zhì)在很大程度上取決于原料的類型，其碳含量普遍超過(guò)50%[來(lái)自糞便（44.3%）、污水污泥（39.6%）和造紙污泥（8.15%）的生物炭除外]，有的材料甚至可達(dá)70%~80%；同時(shí)呈現(xiàn)出一種芳香族碳結(jié)構(gòu)，包括結(jié)晶相和非晶相[5-6]。由于生物炭富有多孔結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，可以有效降低重金屬生物有效性和促進(jìn)有機(jī)污染物降解。合理應(yīng)用功能生物炭材料，既可以降低污染風(fēng)險(xiǎn)，又能夠提高土壤質(zhì)量[7-9]，是解決各種環(huán)境問(wèn)題“一舉兩得”的修復(fù)策略，并已開(kāi)展了工程上的應(yīng)用。

土壤污染微生物修復(fù)技術(shù)是一種由微生物介導(dǎo)并利用其自身分解代謝作用來(lái)降低土壤中有害污染物活性或降解成無(wú)害物質(zhì)的修復(fù)技術(shù)。它代表了一種可持續(xù)、環(huán)境友好型的污染物處理方式。由于土壤微生物具有體積小、繁殖快、代謝強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在重金屬和有機(jī)污染土壤修復(fù)中顯示出良好的應(yīng)用前景[10]。因此，如何安全且高效地利用微生物修復(fù)污染土壤一直是學(xué)術(shù)和工程界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。然而，與其他傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，微生物修復(fù)效率相對(duì)較低，但向土壤中添加生物炭將極大提高微生物的修復(fù)效果。因此，我們分別以“biochar/ biochars/biochar and microorganism/microbe interactions/microbial remediation”為關(guān)鍵詞（數(shù)據(jù)源：Web of Science；檢索時(shí)間：2023 年2 月15 日）；“生物炭/生物質(zhì)炭/生物碳和微生物”為關(guān)鍵詞（數(shù)據(jù)源：中國(guó)知網(wǎng)；檢索時(shí)間：2023 年2 月15 日），進(jìn)行了生物炭和微生物相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析，并將所有數(shù)據(jù)整合分析可知目前世界范圍內(nèi)關(guān)于生物炭與微生物的結(jié)合研究大多集中在對(duì)植物生長(zhǎng)、微生物群落影響以及土壤污染物去除等方面，主要探討了生物炭改善土壤理化性質(zhì)以及其與微生物的相互作用等科學(xué)問(wèn)題[11]；而我國(guó)對(duì)生物炭影響土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)等方面關(guān)注較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)近15 年生物炭和微生物相關(guān)領(lǐng)域每年論文數(shù)量急劇增長(zhǎng)，以2022 年論文數(shù)量為例，其論文數(shù)量是十年前的23 倍，其中中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞和印度等國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域貢獻(xiàn)最大。通過(guò)對(duì)不同年限關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率分析發(fā)現(xiàn)（數(shù)據(jù)源：Web of Science；檢索時(shí)間：2023 年2 月15 日），總體頻率最高的關(guān)鍵詞在2011 年之前幾乎沒(méi)有出現(xiàn)，但在2011 年之后出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)了關(guān)鍵詞和文獻(xiàn)數(shù)量在量級(jí)上的激增；特別是近3 年出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞分別是“木炭”“土壤”和“土壤污染物”（圖1）。

圖1 生物炭與微生物領(lǐng)域不同年限關(guān)鍵詞趨勢(shì)圖Figure 1 Trend diagram of keywords in the fields of biochar and microorganism with different years

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的總結(jié)我們發(fā)現(xiàn)，生物炭-微生物間的交互作用在土壤污染修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其中涉及的因素與機(jī)制復(fù)雜多樣，且還存在一些未知和未盡的領(lǐng)域。例如，目前研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以通過(guò)影響土壤聚集、pH、養(yǎng)分保持等方面來(lái)改變微生物群落結(jié)構(gòu)；也可以利用其多孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供一個(gè)良好的生存環(huán)境，使其相對(duì)遠(yuǎn)離外界污染；還可以利用自身的一些元素為微生物生長(zhǎng)提供有機(jī)或無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)[12]。雖然這些研究結(jié)果表明生物炭-微生物復(fù)合材料在污染土壤修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但針對(duì)不同污染物，特別是一些復(fù)合污染場(chǎng)景，如何制備和選擇適合的生物炭材料、利用特定微生物或調(diào)控微生物群落等都缺乏系統(tǒng)的梳理和總結(jié)。因此，本文針對(duì)生物炭-微生物交互作用中的關(guān)鍵要素和應(yīng)用，從生物炭對(duì)土壤微生物生長(zhǎng)和土壤性質(zhì)的影響、生物炭對(duì)微生物的潛在毒性以及生物炭介導(dǎo)的微生物污染土壤修復(fù)應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)。力求歸納出目前污染土壤修復(fù)中生物炭-微生物的交互作用機(jī)制，發(fā)掘現(xiàn)有研究技術(shù)的不足，指出目前研究難點(diǎn)和未來(lái)研究方向。

1 生物炭對(duì)微生物的作用

生物炭作為一種新型土壤改良劑，其應(yīng)用能夠影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)相關(guān)微生物的生長(zhǎng)和活性（圖2）[13]。

圖2 生物炭對(duì)土壤微生物的作用Figure 2 Effects of biochar on soil microorganisms

1.1 提供額外生存環(huán)境

研究表明，大多數(shù)土壤微生物的直徑小于生物炭的平均孔徑（>50 nm）[14]。因此，生物炭在熱解過(guò)程中由于揮發(fā)物的流失所造成的粗糙表面和多孔結(jié)構(gòu)，成為了微生物在土壤中附著和繁殖的額外場(chǎng)所。生物炭的大孔隙會(huì)影響土壤的通氣性和保水性，而生物炭的小孔隙則有利于營(yíng)養(yǎng)分子的運(yùn)輸，從而有助于微生物的生存與生長(zhǎng)。研究顯示：細(xì)菌也可以直接附著在生物炭?jī)?nèi)部，以避免土壤污染物對(duì)其的毒害，同時(shí)增加了細(xì)菌豐度，但生物炭對(duì)土壤真菌的豐度沒(méi)有顯著影響，這可能是由于真菌菌絲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其流動(dòng)性減弱[15]。未經(jīng)生物炭保護(hù)而直接接觸污染物的微生物細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)收縮或破裂。因此，生物炭可以作為一種優(yōu)良的載體或屏障來(lái)維持微生物的活力，進(jìn)而提高土壤污染物的去除效率。在重金屬污染土壤中添加生物炭能夠通過(guò)吸附作用降低重金屬的毒性，促進(jìn)重金屬沉淀，形成金屬-有機(jī)配合物[16]。在多環(huán)芳烴污染土壤中，微生物在生物炭表面和孔隙內(nèi)部的定殖具有空間異質(zhì)性。一方面，由于生物炭對(duì)土壤礦物質(zhì)和有機(jī)化合物的吸附，導(dǎo)致生物炭-土壤界面的孔隙被堵塞；另一方面，微生物定殖的稀缺性是由于生物炭中高濃度的礦物鹽和多環(huán)芳烴對(duì)微生物的威脅所導(dǎo)致[15]。此外，真菌菌絲可以穿過(guò)生物炭的孔隙，這證實(shí)了生物炭可以作為真菌的生存環(huán)境[15]。在老化過(guò)程中，菌絲和單細(xì)胞微生物能夠成功地完成對(duì)生物炭表面和孔隙的定殖，說(shuō)明微生物定殖的時(shí)間異質(zhì)性。由于老化生物炭所釋放的污染物更少，其創(chuàng)造的環(huán)境更有助于細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)和繁殖，因此，微生物在生物炭中的定殖也受生物炭老化程度的影響。

1.2 提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

生物炭能促進(jìn)微生物群落的生長(zhǎng)，其原因是生物炭可以為微生物提供所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。生物炭提供的可溶性有機(jī)物和無(wú)機(jī)物在其生長(zhǎng)過(guò)程中被微生物分解和吸收，從而引起微生物群落結(jié)構(gòu)的明顯變化，促進(jìn)微生物群落的增殖。生物炭原料包括含有大量礦物質(zhì)的木材、秸稈、堆肥和農(nóng)業(yè)廢棄物等，這些礦物質(zhì)在熱解后仍存在于生物炭中。C、N、S、P 和K 分別在100、200、375、700~800 ℃時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)緩慢擴(kuò)散到土壤中并被微生物利用。因此具有一定灰分的生物炭可以作為生物促進(jìn)劑，通過(guò)增加微生物豐度來(lái)達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的[17]。施用生物炭可以顯著提高土壤營(yíng)養(yǎng)元素的比例并改善土壤性質(zhì)，如土壤鉀含量增長(zhǎng)了671.43%。生物炭中存在著可被微生物利用的碳，如可為土壤微生物提供養(yǎng)分的溶解性有機(jī)碳（DOC）。生物炭作為肥料，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放緩慢，但能夠給微生物帶來(lái)持久的好處。生物炭的原料會(huì)影響DOC 的組成，原料選擇的不同導(dǎo)致了生物炭中DOC 的多樣性。研究發(fā)現(xiàn)，大豆秸稈生物炭中的DOC 含量（53.8 mg·L-1）高于其他原料生物炭[如污水污泥（17.6 mg·L-1）、花生（21.2 mg·L-1）和稻草（49.7 mg·L-1）]，更有利于微生物生長(zhǎng)[18]。此外，生物炭中DOC 的含量也受熱解溫度的影響。一般來(lái)說(shuō)，高溫?zé)峤馍a(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的生物炭芳構(gòu)化和冷凝反應(yīng)會(huì)降低其DOC 含量。熱解溫度較低的生物炭用于土壤改良時(shí)，其炭化程度較低，DOC 含量較高，有利于微生物生長(zhǎng)。例如，與450 ℃和550 ℃熱解的生物炭相比，350 ℃熱解的生物炭在結(jié)構(gòu)中含有更多的DOC，可以為土壤微生物提供更充足的養(yǎng)分，促進(jìn)其生長(zhǎng)；同時(shí)白菖醇、十六烷酸和十六烷等存在于生物炭表面的可溶性有機(jī)成分具有抗菌活性，能夠直接影響微生物豐度[19]。

生物炭具有豐富的官能團(tuán)，通過(guò)吸附養(yǎng)分陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)陰離子為微生物提供養(yǎng)分儲(chǔ)備。熱解溫度、原料選擇等條件也會(huì)對(duì)生物炭表面官能團(tuán)產(chǎn)生影響，從而影響生物炭的CEC，進(jìn)而影響其養(yǎng)分供給能力。有研究顯示：生物炭CEC 在低溫和中溫時(shí)達(dá)到最大值，然后隨溫度升高而降低。Huff 等[20]研究了以松木為原料，在300、400 ℃和500 ℃不同熱解溫度下制備的生物炭，其CEC 分別為13.47、8.99 mmol·kg-1和5.79 mmol·kg-1。分析CEC 下降原因可能是因?yàn)榉枷闾佳趸蜕锾抗倌軋F(tuán)還原的結(jié)果。也有一些研究呈現(xiàn)相反的結(jié)果，即生物炭CEC 隨著熱解溫度的升高而升高，例如以狗牙根（Cynodon dactylon L.）為原料，在400、600 ℃和800 ℃不同熱解溫度下制備的生物炭，其CEC 分 別 為51.2、71.4 cmol·kg-1和94.8 cmol·kg-1[21]。同時(shí)，不同原料制備的生物炭的CEC 也有所不同，雖然它們的表面官能團(tuán)分布相似，但脂肪族COOH、C—O 和C—H 基團(tuán)數(shù)量差異較大，從而導(dǎo)致CEC 不同，影響?zhàn)B分供給能力。此外，生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，可以吸附土壤養(yǎng)分供給微生物，并富含更多的氧氣和空氣含量，從而刺激土壤有機(jī)質(zhì)分解[22]。

1.3 改善原有棲息地

土壤是絕大多數(shù)微生物的主要棲息地，能夠?yàn)槲⑸锾峁┨荚春偷吹壬嬉?。生物炭與土壤物質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用使其成為一種可用于改善土壤結(jié)構(gòu)并促進(jìn)微生物活性的“土壤-微生物黏合劑”。多孔生物炭通過(guò)改變生物炭與土壤顆粒之間的間隙，增加土壤孔隙度，從而使微生物有更多的活動(dòng)空間[22]。生物炭還可以通過(guò)促進(jìn)土壤聚集來(lái)提高土壤碳的儲(chǔ)存和穩(wěn)定性，為微生物提供更充分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，生物炭的添加可以增加土壤pH值，從而有助于增加微生物群落多樣性。根據(jù)不同原料和熱解條件制備的生物炭具有不同的CEC，因此不同CEC的生物炭對(duì)土壤CEC 的改善程度也會(huì)有所不同[23]。生物炭改性可以增強(qiáng)土壤酶活性，從而提高土壤質(zhì)量和養(yǎng)分有效性[24]。因此，在土壤中添加生物炭可以調(diào)節(jié)土壤性質(zhì)，以獲得更有利于微生物生存的環(huán)境，從而影響微生物活性和群落結(jié)構(gòu)。生物炭對(duì)原有棲息地土壤性質(zhì)的改善將從土壤團(tuán)聚性、pH、CEC 和土壤酶活性四個(gè)方面進(jìn)行討論。

1.3.1 改善土壤團(tuán)聚性

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成部分，在提高土壤有機(jī)碳（SOC）方面發(fā)揮著重要作用。生物炭可以促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，從而有助于形成利于土壤穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，而土壤團(tuán)聚體的形成，提高了土壤團(tuán)聚度和有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)。微生物群落對(duì)土壤聚集至關(guān)重要，生物炭改良劑加強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體與微生物之間的聯(lián)系[25]。研究表明，添加生物炭會(huì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體數(shù)量隨有機(jī)碳含量和微生物活性的增加而增加。雖然土壤中作為改良劑的生物炭可以在不同程度上提高土壤團(tuán)聚性，然而土壤團(tuán)聚性的具體變化仍然高度依賴于原料、熱解溫度和生物炭用量等具體條件[26]。

具有不同化學(xué)成分的生物炭原料是影響土壤聚集的重要屬性。研究表明，使用牛糞生物炭改良砂壤土可以促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，這是因?yàn)楦咛嫉壬锾坑欣谡婢纳L(zhǎng)，且較高的微生物活性能促進(jìn)形成大團(tuán)聚體的黏合劑，從而提高團(tuán)聚體聚合的穩(wěn)定性[27]。生物炭在不同熱解溫度下釋放的某些單價(jià)離子對(duì)土壤團(tuán)聚的影響不同（如與350 ℃相比，650 ℃熱解溫度下生產(chǎn)的禽糞生物炭顯著提高了土壤Na+吸附比，從而減少了砂壤土中團(tuán)聚體的形成）。與高溫（>600 ℃）制備的生物炭相比，低溫（<300 ℃）制備的生物炭更有利于土壤團(tuán)聚體的產(chǎn)生和穩(wěn)定，這是由于生物炭與土壤礦物質(zhì)或微生物之間的強(qiáng)烈相互作用所導(dǎo)致的，表現(xiàn)為H/C、O/C比和土壤微生物量碳的增加[27]。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和有機(jī)碳含量也會(huì)受到生物炭施用量的影響。隨著生物炭量的增加，土壤小團(tuán)聚體含量先增加后減少，而大團(tuán)聚體含量無(wú)明顯變化。研究表明，使用生物炭改良土壤后，土壤大團(tuán)聚體組分?jǐn)?shù)量增加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著提高。與微團(tuán)聚體相比，大團(tuán)聚體和小團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量在生物炭的影響下明顯增加。因此，可以通過(guò)提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和SOC含量改善土壤結(jié)構(gòu)，為微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的生存條件[28]。

1.3.2 增加土壤pH值

大量研究表明，土壤pH值對(duì)微生物群落的數(shù)量、種類和活性有明顯影響。在大多數(shù)情況下，生物炭存在堿性灰分、碳酸鹽以及熱解過(guò)程中產(chǎn)生的可交換堿性陽(yáng)離子，因此呈堿性，將其添加至土壤中可以有效提高土壤pH 值[29]。研究表明，生物炭的加入可使酸性土壤pH值升高，改善土壤的酸堿度，為微生物生長(zhǎng)提供適宜的pH 條件[30]。生物炭引起的土壤pH 值升高程度一般隨熱解溫度升高而升高，這是由于酸性官能團(tuán)和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）數(shù)量減少，碳酸鹽和堿性灰分含量增加。此外，由于生物炭的結(jié)構(gòu)包括帶負(fù)電荷的苯酚和羥基，可以與土壤溶液中的H+離子結(jié)合，引起土壤pH 值升高，修正酸性土壤，避免土壤再酸化[30]。因此，土壤pH 值可以快速指示生物炭改良后土壤的化學(xué)狀態(tài)。在酸性土壤中施用堿性生物炭，適度提高土壤pH值，可導(dǎo)致重金屬變得不易溶解和遷移，進(jìn)而降低其對(duì)土壤微生物的影響和生物有效性。El-Naggar 等[31]研究表明，生物炭改良后土壤pH 值升高，可加速Cd 與生物炭表面的氫氧化物基團(tuán)絡(luò)合或沉淀，使其生物有效性降低。土壤pH 值的升高也有利于重金屬?gòu)目山粨Q態(tài)（EX）和碳酸鹽結(jié)合態(tài)（CB）轉(zhuǎn)化為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（OX）、有機(jī)物質(zhì)結(jié)合態(tài)（OM）和殘余態(tài)（RS），這意味著重金屬?gòu)牟环€(wěn)定組分向難降解組分的轉(zhuǎn)變。例如，Qu 等[32]表明，中性土壤中添加硫鐵功能生物炭（BC-Fe-S）可使土壤環(huán)境呈堿性，有助于金屬陽(yáng)離子與帶負(fù)電荷的BC-Fe-S結(jié)合，形成RS 組分等穩(wěn)定絡(luò)合物，有效去除重金屬Pb和Cd。細(xì)菌和真菌對(duì)土壤pH 值的變化反應(yīng)不同，細(xì)菌對(duì)pH 值的耐受范圍通常比真菌更窄。因此，微小的pH 值變化可能會(huì)對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生更大的影響，從而影響整個(gè)微生物群落。在柑橘生產(chǎn)中使用生物炭改良劑會(huì)改變土壤中的優(yōu)勢(shì)菌群，即從變形菌門（Pro?teobacteria）轉(zhuǎn)變?yōu)樗釛U菌門（Acidobacteria）和綠弧菌門（Chloroflexi）[33]。此外，在非中性土壤pH 條件下能夠產(chǎn)生N2O 的細(xì)菌豐度顯著低于近中性pH 條件下的細(xì)菌豐度，而在酸性條件下真菌的豐度增加[34]。

1.3.3 提高土壤CEC

土壤CEC 是土壤的基本理化性質(zhì)之一，表明土壤能夠保留可交換性陽(yáng)離子（K+、Ca2+、Mg2+）的能力[35]。CEC 對(duì)土壤中養(yǎng)分和污染物的有效性、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤肥力和土壤緩沖能力具有重要影響。通過(guò)使用特殊CEC 的生物炭改良劑，可以顯著提高土壤CEC，有助于養(yǎng)分保留和減少淋濾作用。研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭會(huì)增加土壤CEC，其效果取決于生物炭本身的CEC（表1）。例如，在350、450 ℃和750 ℃下熱解的甘蔗渣生物炭的CEC 分別為4.6、1.8 mmol·kg-1和1.3 mmol·kg-1。上述生物炭的添加導(dǎo)致土壤CEC 從16.0 mmol·kg-1分別變?yōu)?8.5、14.7 mmol·kg-1和13.1 mmol·kg-1，表明土壤CEC 受到生物炭CEC 的影響[36]。此外，pH 在3~7 之間時(shí)生物炭具有負(fù)的Zeta電位，并隨著pH 的增大而增大。生物炭通過(guò)酸性芳香碳氧化形成的官能團(tuán)可以吸附土壤溶液中的H+，從而保持土壤中的堿性陽(yáng)離子[35]。由此可見(jiàn)，生物炭改良酸性土壤能夠提高土壤pH 值，增強(qiáng)K+、Ca2+和Mg2+的保存能力，通過(guò)減少與H+競(jìng)爭(zhēng)的堿性陽(yáng)離子淋濾來(lái)提高土壤CEC。

表1 生物炭對(duì)土壤CEC的影響Table 1 Influence of biochar on soil CEC

1.3.4 增強(qiáng)土壤酶活性

土壤中的酶活性在土壤生化反應(yīng)、養(yǎng)分釋放和儲(chǔ)存、土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等方面起著關(guān)鍵作用。與其他土壤變量相比，土壤酶活性對(duì)外來(lái)土壤干擾和微生物量碳（MBC）反應(yīng)敏感，因此，常被作為土壤質(zhì)量和表征微生物變化的指標(biāo)。生物炭的應(yīng)用提高了MBC 和土壤酶活性，如脲酶、堿性磷酸酶和脫氫酶，而不會(huì)對(duì)水解酶和氧化酶等酶的活性產(chǎn)生負(fù)面影響，表明其具有改善土壤條件以增強(qiáng)土壤微生物活性的能力[24]。Zhang 等[24]研究表明，施用生物炭可以通過(guò)其豐富的N、P 含量，降低了鹽漬土的pH 值，堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶等酶活性，從而改善土壤質(zhì)量。

生物炭改良土壤中酶活性的變化取決于底物和酶與生物炭的相互作用：（1）生物炭對(duì)底物或酶的吸附影響底物與酶的接觸；（2）生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的改變化會(huì)影響酶活性[41]；（3）生物炭釋放的小分子可以作為特定酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑。不同孔隙度和比表面積的生物炭也對(duì)酶活性具有影響。生物炭的孔隙率和比表面積越高，其附著的官能團(tuán)越容易吸附底物或酶，從而阻止底物和酶的直接接觸。此外，生物炭的類型也會(huì)影響土壤酶活性[42]。例如，將三種由不同原料（黑松、禽肉屑和肉牛糞便）制成的生物炭添加到土壤中時(shí)，糞便生物炭改良的土壤中酯酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖胺酶的酶活性最高[43-44]。

2 生物炭對(duì)微生物的潛在毒性

從制備生物炭的有機(jī)溶劑或水溶液中可以提取到某些被稱為微生物抑制劑的化合物，主要包括苯（木炭熱解的主要產(chǎn)物）、甲氧基酚和酚（半纖維素和木質(zhì)素的熱解產(chǎn)物）、羧酸、酮、呋喃[通常為生物炭上吸附的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）]和多環(huán)芳烴（PAHs）[45]。具體來(lái)講，生物炭的有機(jī)溶劑提取物中含有正構(gòu)烷烴酸、羥基和乙酰氧基酸、苯甲酸、二醇、三醇和酚；而生物炭的水溶液提取物中含有二羧酸、芳香族有機(jī)酸和多元醇以及羥基酸、正構(gòu)烷烴和苯甲酸[46]。生物炭中的VOCs 隨原料類型、元素組成、熱解溫度以及加熱條件而變化[47]。研究表明較低溫度（300 ℃和400 ℃）下生產(chǎn)的生物炭中多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯（PCDD）和呋喃（DF）的濃度和對(duì)微生物的毒性高于高溫下生產(chǎn)的（>400 ℃），這是由于高分子量的多環(huán)芳烴更可能在生物質(zhì)高溫?zé)峤膺^(guò)程中形成，且比低分子化合物毒性更大[47]。土壤微生物活性對(duì)生物炭的不同響應(yīng)造成了生物炭上吸附的VOCs 種類組成的多樣性。盡管生物炭中的VOCs 可以作為某種微生物，如膠質(zhì)芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）的碳源[48]，但當(dāng)一些低分子量含氧VOCs（如酸、醇和羰基化合物）濃度過(guò)高時(shí)，它們可能會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生潛在毒性（圖3）[47]。VOCs作為一種微生物抑制劑還可能對(duì)某些土壤病原微生物產(chǎn)生直接毒性，從而有利于植物生長(zhǎng)[46]。然而，這種抑制作用可能并不是針對(duì)某種特定的病原菌，而是對(duì)整個(gè)土壤微生物群落產(chǎn)生影響，其中涉及的劑量-效應(yīng)關(guān)系以及特定菌群的變化均需要進(jìn)行系統(tǒng)且深入的研究，以便全面評(píng)估生物炭應(yīng)用的環(huán)境效益和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 生物炭對(duì)微生物的潛在毒性Figure 3 Potential toxicity of biochars to microorganisms

生物炭在高溫?zé)峤膺^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生持久性自由基（PFRs），包括半醌（—C6H6O2）、苯氧基（—C6H5O）、環(huán)戊二烯基（—C5H6）和酚類等，這些物質(zhì)對(duì)微生物也能產(chǎn)生毒性[49-50]。PFRs 可在微生物細(xì)胞中誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）的水平，并隨著活性氧自由基（ROS）[如羥基自由基（·OH）、超氧陰離子自由基和過(guò)氧化氫（H2O2）等]的產(chǎn)生而降低細(xì)胞膜完整性[51]。PFRs 也會(huì)干擾細(xì)胞色素P450（如CYP1A2，一種普遍存在的催化內(nèi)源性和外源化合物的混合功能氧化酶），并競(jìng)爭(zhēng)性地抑制外源有機(jī)底物的代謝[52]。半醌自由基（·QH）是在燃燒產(chǎn)生的超細(xì)顆粒中發(fā)現(xiàn)的一種自由基，它可以還原成超氧化物，形成H2O2，其可以在Fe2+和Cu2+等過(guò)渡金屬離子的存在下發(fā)生芬頓（Fenton）反應(yīng)。Fenton 反應(yīng)中產(chǎn)生的·OH 能夠引起DNA 鏈斷裂，從而導(dǎo)致DNA 損傷。另一方面，生物炭中的PFRs 對(duì)有機(jī)污染物的降解具有一定的積極影響。生物炭中的PFRs與O2反應(yīng)以產(chǎn)生·OH；也可以活化H2O2或過(guò)硫酸鹽分別產(chǎn)生·OH或硫酸根自由基[53-55]。這些自由基可以有效降解2-氯聯(lián)苯（2-CB）、多氯聯(lián)苯（PCBs）和鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）等有機(jī)污染物。因此，生物炭自由基對(duì)土壤微生物的潛在毒性與其對(duì)有機(jī)污染物的有效降解是生物炭環(huán)境影響評(píng)估中需要重點(diǎn)考慮的兩個(gè)方面。

3 生物炭介導(dǎo)的微生物土壤污染修復(fù)應(yīng)用

生物炭介導(dǎo)的微生物修復(fù)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)（如重金屬）和有機(jī)（如抗生素、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴）污染土壤修復(fù)中[56-57]。大量研究顯示：負(fù)載于生物炭上的微生物固定化方法可以顯著提高重金屬、類金屬、苯、多環(huán)芳烴、石油烴和抗生素等污染物的去除效率[58-61]。生物炭通過(guò)為微生物提供保護(hù)性棲息地，并將污染物吸附到表面，而特定的微生物可以針對(duì)性降解污染物，從而實(shí)現(xiàn)有效的污染修復(fù)目標(biāo)[62]。表2 總結(jié)了不同生物炭材料介導(dǎo)的特定微生物去除/生物降解不同污染物的條件、效率及其相關(guān)機(jī)制，從中不難發(fā)現(xiàn)這種修復(fù)方法的應(yīng)用前景越來(lái)越受到關(guān)注。

表2 通過(guò)生物炭-微生物交互作用去除和降解污染物Table 2 Removal and biodegradation of contaminants through biochar-microbe interactions

3.1 影響生物炭介導(dǎo)的微生物污染修復(fù)因素

生物炭具有粗糙的表面、良好的自由能、表面電荷和疏水性，因此環(huán)境介質(zhì)中的微生物能夠附著在生物炭上[71]。微生物能夠與生物炭表面的疏水非極性表面相互作用，并通過(guò)形成生物膜滲透至生物炭?jī)?nèi)部，產(chǎn)生胞外聚合物，形成微生物群落結(jié)構(gòu)[72]（圖4）。生物炭中含有的有效碳底物大量轉(zhuǎn)移與流動(dòng)液體相結(jié)合能夠調(diào)節(jié)生物膜的生長(zhǎng)和微生物增殖，這有助于打開(kāi)生物炭堵塞的孔隙，并通過(guò)降低碳材料的表面能促進(jìn)微生物定殖[74]。隨著時(shí)間的推移，生物炭的風(fēng)化作用和部分微生物的分解可以為微生物的定殖提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)源和棲息地。納米生物炭顆粒由于其高比表面積和表面功能性，有助于增強(qiáng)微生物的定殖效果[75]。干旱條件下生物炭的保濕特性能夠提高某些降解污染物的微生物存活率[76]。因此，生物炭可以通過(guò)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和作為生物膜支撐物直接改善微生物群落結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)緩解周圍的惡劣環(huán)境間接影響微生物種類。生物炭生產(chǎn)過(guò)程中形成的新有機(jī)物質(zhì)也可能影響特定微生物的定殖[77]。例如，發(fā)現(xiàn)生物炭中VOCs 的存在會(huì)通過(guò)影響氨氧化細(xì)菌來(lái)改變土壤硝化過(guò)程[78]。此外，老化生物炭由于其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的顯著改變，也會(huì)加強(qiáng)微生物的定殖[79]。

圖4 生物炭-微生物復(fù)合物形成和有機(jī)污染物去除的各種機(jī)制的示意圖[73]Figure 4 Schematic diagram showing various mechanisms of biochar-microorganism complex formation and organic contaminant removal[73]

生物炭和酶之間的弱范德華力可能導(dǎo)致酶的解吸/浸出，從而限制了催化電子轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)有機(jī)污染物的生物修復(fù)[80]。相反，通過(guò)交聯(lián)或反應(yīng)基團(tuán)（如檸檬酸/戊二醛/甲醇）的參與將酶固定在生物炭上有助于對(duì)硝基苯酚、棕櫚酸酯和雙氯芬酸的水解和降解[81]。五氯酚的脫氯和脫氫酶活性的增強(qiáng)與微生物細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移過(guò)程有關(guān)[82]。微生物群落的建立和酶反應(yīng)也可能受生物炭的自由基控制。由C—C 和C—O鍵斷裂的自由基可能對(duì)某些微生物誘導(dǎo)的外聚糖酶、幾丁質(zhì)酶、磷酸酶和氨基肽酶的活性產(chǎn)生毒性[77]。隨著熱解溫度的升高（>400 ℃）和時(shí)間增加（120~150 min），生物炭中自由基的生成速率將增加，啟動(dòng)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，從而促進(jìn)卡馬西平和氯聯(lián)苯等有機(jī)污染物的還原性去除[83]。Luo等[84]的研究表明生物炭自由基對(duì)污染物降解的重要性，生物炭相關(guān)的氧化還原反應(yīng)包括生物炭自由基的直接電子供給和其引起的電子源到污染物的間接電子介導(dǎo)。作為電子媒介，生物炭自由基可以接受來(lái)自電子源的電子，并將其轉(zhuǎn)移到污染物中，通過(guò)改善污染物和微生物之間的電子傳遞，增強(qiáng)污染物的生物降解。Guo 等[85]研究表明生物炭固定化微生物群落對(duì)菲、氯氰菊酯等石油烴類具有較高的降解率（>70%）。無(wú)色桿菌（Achromo?bacter sp.）、曲霉菌（Aspergillus sp.）、微細(xì)菌（Microbac?terium sp.）、青霉菌（Penicillium sp.）、節(jié)桿菌（Arthro?bacter sp.），芽孢桿菌（Bacillus sp.）和潘多拉菌（Pan?doraea sp.）在難降解工業(yè)污染物和雙酚F的礦化和消解中具有重要作用，其中涉及脲酶、過(guò)氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和酸/堿性磷酸酶等[77]。Wang 等[86]研究表明細(xì)菌群落在催化芳基有機(jī)磷酸酯、鄰苯二甲酸二辛酯、有機(jī)磷阻燃劑和過(guò)氯乙烯的酶生物修復(fù)中比真菌菌群具有更高的代謝潛力。同樣，通過(guò)共價(jià)鍵將漆酶固定在納米生物炭上，可使紡織染料的生物修復(fù)效率達(dá)到50%~70%。用環(huán)氧功能化二氧化硅激活生物炭固定化漆酶可促進(jìn)酚類化合物的吸附和生物轉(zhuǎn)化[87]。將漆酶固定在納米生物炭上可使酶具有構(gòu)象穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，提高了酶的催化活性，從而增強(qiáng)了對(duì)污染物的去除能力[87]。生物炭固定化酶可以通過(guò)促進(jìn)酶結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化來(lái)提高酶的催化活性和選擇性[88]。上述生物修復(fù)機(jī)制是生物炭表面固定化酶與生物炭的電子轉(zhuǎn)移屬性共同作用的結(jié)果，這一過(guò)程具備進(jìn)一步研究和優(yōu)化的可能。

3.2 生物炭介導(dǎo)的微生物復(fù)合污染修復(fù)應(yīng)用

環(huán)境中通常會(huì)出現(xiàn)兩種或兩種以上污染物共存的情況，這可能會(huì)對(duì)微生物的污染物轉(zhuǎn)化能力產(chǎn)生多種影響。研究表明，生物炭固定化菌群通過(guò)強(qiáng)化生物轉(zhuǎn)化能力可以顯著提高環(huán)境中共存污染物的降解效率[89]。例如，在芘-Cr（Ⅵ）復(fù)合污染土壤中添加由藻酸鹽包裹的生物炭-細(xì)菌混合菌，可以降解芘的同時(shí)降低Cr（Ⅵ）的生物有效性，并增加土著微生物群落的多樣性和活性[90]。同樣，將PAHs 降解菌（Citrobac?ter sp.）固定在生物炭中，能夠通過(guò)生物炭的固定和生物轉(zhuǎn)化作用將有效Ni穩(wěn)定化，進(jìn)而降低Ni的毒性，以提高PAHs 的降解率（圖5）。生物炭-細(xì)菌復(fù)合物的應(yīng)用增加了土壤微生物和土壤酶活性，并同時(shí)對(duì)土壤中Ni 和PAHs 這兩種污染物進(jìn)行了聯(lián)合修復(fù)[91]。生物炭-微生物復(fù)合材料對(duì)復(fù)合污染物的降解效率在很大程度上受生物炭的礦物/養(yǎng)分含量、生物質(zhì)類型、污染物類型和濃度、微生物細(xì)胞固定化技術(shù)以及曝氣和含水量等條件的影響[92]。Liang 等[93]研究表明將菲降解菌固定在富鐵生物炭上增加了菲的生物轉(zhuǎn)化率，其中Fe2+和Fe3+共存就像電子穿梭劑一樣來(lái)回傳遞電子，促進(jìn)了菲的降解。載體生物炭的礦物質(zhì)含量（Ca2+和Mg2+）通過(guò)保護(hù)細(xì)菌免受苯酚降解過(guò)程中產(chǎn)生的酸性中間體的影響，協(xié)同提高了香茅醇假單胞菌（Pseudomonas citronellosis）對(duì)苯酚的降解效率[91]。

共存污染物、生物炭和微生物之間的相互作用會(huì)影響生物炭-微生物復(fù)合材料的污染物降解效率[94]。在Cd 和As 復(fù)合污染土壤中應(yīng)用納米磁性生物炭固定化芽孢桿菌（Bacillus sp.），由于細(xì)菌和Fe2O3納米顆粒為Cd和As提供了新的吸附位點(diǎn)，其對(duì)Cd的去除效率比原始磁性生物炭提高了230%。吸附在生物炭上的As 為Cd 提供了額外的吸附位點(diǎn)，從而協(xié)同加速了Cd 的去除效率[61]。同樣，復(fù)合污染Fe、Al 和As 的存在也顯著提高了生物膜-生物炭復(fù)合物對(duì)環(huán)烷酸的降解效率[95]。當(dāng)Cr2O2-7濃度為1 mg·L-1和10 mg·L-1時(shí)，Cr2O2-7和PAHs的共存顯著降低了微生物群落對(duì)芘的降解；而加入生物炭后則顯著提高了芘的降解效率，分別提高了55%和30%[94]。相反，當(dāng)土壤中添加1 mg·kg-1Cd 時(shí)，生物炭固定化大腸桿菌（Escherichia sp.）對(duì)芘的生物降解效率下降[96]。生物炭對(duì)Cd 的高吸附親和力可能增加了Cd 對(duì)固定化細(xì)菌的毒性，從而減緩了芘的生物轉(zhuǎn)化[97]。因此，雖然生物炭固定化細(xì)菌的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成功，但開(kāi)發(fā)符合復(fù)合污染去除需求的生物炭-微生物復(fù)合材料并探索其作用機(jī)制還需要深入研究。

4 結(jié)論與展望

近年來(lái)，生物炭介導(dǎo)的微生物污染土壤修復(fù)技術(shù)的崛起是生物炭應(yīng)用與微生物基礎(chǔ)理論有機(jī)結(jié)合的典范，在復(fù)合污染修復(fù)實(shí)踐中具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。然而，關(guān)于生物炭對(duì)微生物的影響，還有一些其他問(wèn)題需要考慮。因此，提出未來(lái)的研究方向建議：

（1）對(duì)生物炭進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男浴Ｈ缜蚰?、微波熱解和金屬?fù)載等，可有效改善生物炭的相關(guān)性能。因此需要選擇合適的改性方法，充分利用生物炭作為微生物載體和電子介質(zhì)的特性，促進(jìn)污染物的微生物降解。

（2）在土壤生物修復(fù)過(guò)程中，是將負(fù)載在生物炭上的特定微生物添加到土壤中，還是通過(guò)生物炭的添加來(lái)影響土著關(guān)鍵微生物物種的選擇和增殖，從而達(dá)到最佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益，這方面還需要深入探討和系統(tǒng)總結(jié)。

（3）利用生物炭介導(dǎo)的微生物對(duì)復(fù)合污染進(jìn)行修復(fù)是未來(lái)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。生物炭利用自身結(jié)構(gòu)對(duì)污染物吸附并將其固定，再通過(guò)引入的特定微生物對(duì)其進(jìn)行去除和生物降解是該技術(shù)的核心策略，但目前大多數(shù)相關(guān)研究還局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，中試和場(chǎng)地應(yīng)用亟需開(kāi)展和評(píng)估。

（4）土壤是微生物的“重要大本營(yíng)”，特別是復(fù)合污染土壤天然存在一些抗性微生物，通過(guò)一些微生物學(xué)技術(shù)將其與生物炭有效結(jié)合，可以極大提高復(fù)合污染的修復(fù)效率。

（5）納米和膠體生物炭相對(duì)原始生物炭具有更高的比表面積、孔體積，更大數(shù)量的芳香族表面官能團(tuán)，以及對(duì)污染物更強(qiáng)的吸附能力，但其在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用，特別是與微生物聯(lián)合修復(fù)污染土壤的研究還有待加強(qiáng)。

（6）土壤微生物宏基因組學(xué)的發(fā)展無(wú)疑將是揭示隱藏維度的生物炭-微生物相互作用機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)，這些相互作用機(jī)制是通過(guò)生物炭特性與微生物功能協(xié)同呈現(xiàn)出來(lái)的，探明其在土壤修復(fù)中的非均質(zhì)效應(yīng)機(jī)理需要多學(xué)科、多角度、多手段的綜合運(yùn)用。