近日，中国科学院东北地理与农业生态研究所于泳研究员团队在农林科学学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Nitrogen and magnesium codoped biochar activates periodate to remediate bensulfuron methyl-contaminated water at low temperature: Performance, mechanisms, and phytotoxicity”、“MgO anchored N-doping biochar enhances the bensulfuron-methyl biodegradation by Acinetobacter YH0317: Higher reactive oxygen species level and bacterial viability”和“Simultaneous achievement of removing bensulfuron-methyl and reducing CO2 emission in paddy soil by Acinetobacter YH0317 immobilized boron-doping biochar”的学术论文。本研究聚焦于东北黑土区水稻田的除草剂残留与温室气体排放，突出东北寒区低温的气候特色，研发成本低、效率高的生物炭基协同微生物技术，有利于实现除草剂消减和温室气体减排的双重目标，为实现“双碳”目标、用好和养好黑土地、促进农业可持续发展提供理论和技术支撑。
我国东北典型黑土区耕地面积约2.78亿亩，粮食产量占全国总产量的1/4，是保障我国粮食安全的“稳压器”和“压舱石”。随着农业快速的发展，农药已经成为保障黑土粮仓粮食供给的重要生产资料。目前，东北地区已经取代东南沿海地区成为农药施用的热点地区，2019年东北黑土区四省农药使用量高达19万吨，占全国总施用量的13.7%，且以除草剂为主。由于长期加之不合理的方式施用除草剂，导致其在土壤中残留积累，严重影响后茬作物的生长，对农产品质量和人体健康安全构成严重的威胁。此外，农业活动是导致温室气体排放的主要因素之一，作为主要农业生态系统类型的稻田是农业温室气体排放的主要来源。因此，开展黑土区水稻田除草剂残留消减和温室气体减排的关键技术研究，对保障国家粮食安全，推动减污降碳协同增效、保障黑土地农业绿色可持续发展有重要的现实意义。
近年来，生物炭具有制备简单、成本低廉、发达空隙结构和较高的比表面积等特性受到广泛的关注，在环境修复领域表现出较大的潜力。本研究采用农业固体废弃物玉米秸秆为生物质原料，通过掺杂的方式，研发具有高比表面积的氮镁共掺杂生物炭（NMg-BC），旨在提高材料对氧化剂的稳定性与催化活性。通过构建一种基于NMg-BC活化高碘酸盐（PI）的高级氧化技术，用以降解磺酰脲类除草剂苄嘧磺隆（BSM）。
该体系不仅可以降解苄嘧磺隆，对其他类型污染物（阿特拉津，磺胺甲恶唑和刚果红）也有较好的降解效果。自由基(•OH和IO3•)和非自由基（1O2和电子转移）途径的协同作用促进了苄嘧磺隆的降解，而非自由基途径在除草剂的去除中起主要作用。氮和镁原子的引入可以产生自由电子和引入空穴，增强了生物炭的吸附能力，降低了电子转移阻力，从而提高了电子转移速度，表现出较好的催化效率。
此外，科研人员从长期施用除草剂苄嘧磺隆的水稻田土壤中筛选分离纯化微生物，得到一株高效降解苄嘧磺隆的耐低温降解菌Acinetobacter YH0317，并利用生物炭良好的结构性能和孔隙结构，通过吸附法将微生物固定在上述生物炭上，形成生物炭负载微生物复合材料（YH0317&MBC）。
研究结果表明，在15℃条件下培养7天后，YH0317& MBC对BSM的生物降解效率（96.7%）显著高于其他处理组。生物炭的添加显著提高了活性氧（ROS），同时也提高了微生物Acinetobacter YH0317的活力，促进胞外聚合物的产生。此外，电子顺磁共振和淬火实验表明，单线态氧（1O2）是生物炭产生的主要活性物质，有利于促进除草剂的降解。
本研究在构建生物炭-微生物协同技术的基础上，通过室内模拟实验，探究该协同技术对除草剂消减和温室气体排放的影响。研究结果表明：在低温条件下，改性生物炭负载Acinetobacter YH0317显著提高了土壤pH、SOC和NH4+-N的含量、苄嘧磺隆的去除效率和微生物的多样性，减少土壤CO2排放量（P < 0.05）。土壤CO2的排放量与固碳基因fhs的数量呈显著负相关，表明fhs基因可能在减少土壤CO2排放方面发挥重要作用。
本文以东北地区水稻田中典型磺酰脲类除草剂以及温室气体为研究对象，通过制备改性生物炭活化高碘酸盐，有利于苄嘧磺隆的降解。此外，从长期施用苄嘧磺隆的水稻田中筛选一株耐低温降解苄嘧磺隆菌株，并利用生物炭良好的结构性能和孔隙结构，通过吸附法将微生物固定在生物炭上，构建生物炭-微生物协同技术，生物炭作为良好的载体材料有利于微生物的生长，提高了微生物的活力和膜通透性、促进了胞外聚合物的产生。通过室内模拟实验将生物炭负载微生物材料施加在土壤中，有利于提高苄嘧磺隆的去除率和减少温室气体的排放量。生物炭-微生物协同技术有利于实现稻田土壤中除草剂消减和温室气体减排的双重目标，为合理处置农业废弃物、保障国家粮食安全和实现“双碳”目标提供技术支撑。
