生物炭与微生物作用对土壤污染物的控制

土壤污染是我国乃至全球亟待解决的重要环境问题, 有机污染物和重金属污染已成为土壤污染的重要来源, 对土壤生态环境危害极大。由于生物炭的强吸附固定作用, 其施用能够减小土壤中有机污染物和重金属对植物的生物有效性。但随着老化程度的加剧, 生物炭吸附固定的污染物可能会因解吸而再次释放到土壤中。而微生物的代谢活动不但可以加速土壤中有机污染物的降解, 还能降低重金属的生物有效性。生物炭可刺激微生物的生长代谢活动, 同时其较大的比表面积也可负载降解菌等特定功能的微生物, 以达到有效控制土壤污染物的目的。本节讨论了生物炭与微生物的作用对土壤有机污染物与重金属污染控制的影响。

有机污染物

土壤环境中常有多环芳烃(PAHs)、多氯联苯、有机农药、石油等多种有机污染物的并存, 不但可以直接作用与土壤, 破坏其正常功能, 还会通过植物的吸收或食物链的累积, 危害人类健康。研究表明, 生物炭不仅可以吸附降解有机污染物, 从而降低其毒性、迁移率和生物利用度, 还可通过刺激土壤微生物活动及负载特定功能微生物, 来降解土壤中的污染物。近年来, 生物炭在促进微生物降解PAHs、五氯苯酚等有机污染物效果显著。例如, 在酸性红壤中施加400℃的玉米秸秆生物炭后, 土壤中具有降解PAHs等芳香族化合物功能的鞘氨醇单胞菌和新鞘氨醇菌的丰度提高了18.9%, 显著提升了土壤中PAHs的生物降解率。也发现300℃、500℃、700℃的麦草生物炭均能通过提高鞘氨醇单胞菌的丰度以降低土壤中PAHs含量。此外, 生物炭还可作为微生物和有机污染物之间的电子穿梭体, 提高微生物对有机物的降解效率。如水稻秸秆生物炭可通过促进硫还原地杆菌细胞与五氯苯酚之间的电子转移, 显著提高硫还原地杆菌对五氯苯酚的降解。在生物炭与微生物联合修复作业中, 生物炭可起到有效固定及富集土壤中有机污染物的作用, 以供接种的白腐真菌黄孢原毛平菇和平菇等进行有效的降解。同时, 研究者还发现原料类型在很大程度上影响着生物炭的修复效率, 如与木屑生物炭相比, 麦秸生物炭具有更丰富的孔隙及更大的比表面积, 更适宜微生物的定植, 增加了微生物的丰度, 促使降解菌对PAHs具有更高的降解率。发现相较于小麦秸秆生物炭, 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秆生物炭高40.5%, 固定化菌剂的除油率比秸秆生物炭的高10.6%。因此,将生物炭作为微生物载体时, 选用孔隙结构丰富的生物炭对污染物的去除效果更佳。