生物技术通报 | 李冲—微生物-生物炭协同修复农业环境中的多元污染物

文摘 2024-11-01 16:53 北京

李冲，杨亚楠，王翠霞，郑海鑫

DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0691

农业环境污染已成为全球粮食生产的重大挑战，特别是农用土壤的重金属污染、农药残留以及养殖水体中的抗生素超标和富营养化等问题。根据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国16.1%的土壤被重金属和类金属污染，其中耕地土壤点位超标率最高，为19.4%。养殖水体污染物超标问题同样严峻。农业环境污染的治理刻不容缓。

微生物能够通过生物降解、生物转化、氧化还原等机制有效去除土壤中的重金属和有机污染物。研究表明，芽孢杆菌（Bacillus）及大肠杆菌（Escherichia coli）可特异性地将Hg²⁺、 Cd²⁺及As³⁺等重金属及类金属离子还原成难溶性或低毒性物质，从而降低土壤中重金属的生物有效性。苯并芘假单胞菌（Pseudomonas benzopyrenica）凭借关键基因Rhd1，能够降解土壤中80%的有机污染物多环芳烃（PAHs）。在水体修复中，微生物同样可起到关键作用。微生物环境修复技术效率高，成本相对其他理化方法更低，且没有二次污染，是当前研究的热点。然而，微生物对污染环境的耐受性较弱，是制约其进一步应用的瓶颈。

利用生物质（如农业废弃物等）在缺氧条件下的热解，生物炭可获得发达的孔隙结构以及丰富的表面官能团，使其为微生物创造一个相对独立的微环境，维持其在污染物超标环境中的生存及活力。生物炭不仅能够通过其表面的官能团与重金属离子形成稳定的络合物，还可以增强土壤中有机污染物的吸附，从而降低土壤中重金属生物有效性和农药的生物毒性。同时，生物炭也广泛用于水体中污染物的祛除。微生物可联合生物炭用于重金属离子的钝化，且取得了一定的效果。当前已有研究综述了生物炭和微生物在环境修复中的应用，但大多集中于单一方法或单一环境污染物的处理。

近日，《生物技术通报》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所李冲研究员题为《微生物-生物炭协同修复农业环境中的多元污染物》的文章。本文首先综述了功能微生物在消解农业环境典型污染物中的效果，讨论了微生物与生物炭可能的协同作用机制，并利用相关研究案例进一步分析了微生物与生物炭复合体系在土壤和水体污染场景中的应用效果。在此基础上，分析了生物炭负载微生物在农业环境污染修复方面的瓶颈，并结合当前技术发展趋势提出进一步研究和优化微生物 - 生物炭协同修复技术的作用机制、稳定性和安全性，为以生物法消减农业环境污染提供一个新的思路。

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本文主要包括以下几部分内容：

1 功能微生物在农业环境污染治理中的应用

2 生物炭负载微生物协同修复技术

2.1 生物炭与微生物的协同作用

2.2 生物炭负载微生物应用技术流程

3 生物炭负载微生物修复技术应用

3.1 农业土壤环境修复

3.2 养殖水体环境修复

4 挑战与机遇

4.1 挑战

4.2 机遇

5 结论

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本文综述了功能微生物与生物炭在农业环境污染修复中的协同作用，分析了其在土壤和水体污染治理中的优势和应用案例。通过对现有文献的系统分析和总结，本综述得出以下结论：

（1）功能微生物能够通过多种机制有效地修复土壤和水体污染，如吸附、降解和固定污染物。微生物在处理重金属、有机污染物和促进氮磷循环方面展现出显著的效果。

（2）生物炭凭借其多孔结构和高比表面积，为功能微生物提供了稳定的栖息地和丰富的营养，增强了微生物在污染环境中的生存能力和修复效率。生物炭本身具有良好的吸附性能，能够固定重金属和有机污染物，减少其生物有效性和迁移性。

（3）功能微生物与生物炭的协同作用显著提高了污染物的去除效率。负载有功能微生物的生物炭在土壤修复中能够显著提高植物的产量，并在水体污染修复中表现出较高的污染物去除效率。

综上所述，功能微生物与生物炭的协同修复技术在农业环境污染治理中具有广阔的应用前景。通过进一步研究和优化微生物 - 生物炭协同修复技术的作用机制、稳定性和安全性，该技术有望为实现农业环境的可持续发展和食品安全提供有力支持。

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