生物炭对土壤微生物代谢活动的影响*

谭春玲,刘 洋,黄雪刚,张峻源,罗文浩

(昆明理工大学环境科学与工程学院/云南省土壤固碳与污染控制重点实验室 昆明 650500)

由于不合理的利用或受外界污染等因素的影响,我国部分农用地土壤肥力逐渐下降,使得农作物生长缓慢、产量和品质也逐渐降低。如何提高土壤肥力,成为农业和环境领域亟待解决的重要问题。研究表明,在无氧或缺氧条件下热解炭化而成的富碳物质-生物炭,不仅能够改良土壤理化性质,如提高pH,增大孔隙度,增强保水性,减小土壤容重等,而且由于其富含氮、磷、钾等营养元素,还可提高土壤肥力,有效恢复退化土壤,被认为是替代工业肥料的新一代绿色产品。同时,生物炭具有比表面积大、电子交换能力强、多孔隙等特点,对土壤污染物能起到吸附、固定以及催化降解的作用,被誉为最具前景的土壤改良剂之一。

微生物是土壤生态系统的重要组成部分,是土壤中最活跃的组分之一,主要包括细菌、真菌、放线菌、藻类、原生动物和病毒。土壤微生物的生长代谢活动在维持土壤生物活性、肥力形成、养分循环等过程中发挥着重要作用。自生物炭进入农业生产应用以来,不断有研究表明,生物炭不仅能够改善土壤微生物的生存环境,提高土壤微生物代谢活动的强度、增加群落丰度及多样性,还能参与微生物的胞外电子传递过程。但也有学者表示,生物炭高温裂解过程中产生的多环芳烃(PAHs)、挥发性有机物(VOCs)和环境持久性自由基(EPFRs),以及生物质本身含有的重金属也会随生物炭的施用进入土壤,对土壤微生物产生毒害作用。因此,深入研究生物炭对土壤微生物的影响机制将有利于正确评估生物炭对土壤的正面效应及潜在风险。

本文分析总结了各类生物炭的添加对土壤中的细菌、真菌及病原菌等微生物的影响机制,强调了生物炭参与微生物电子传递过程,并深入分析了生物炭与微生物的作用对土壤肥力的改良、污染物的修复及病原微生物的控制作用,旨在为生物炭的实践运用提供相关的微生物理论基础。

1 生物炭对微生物的影响机制

1.1 生物炭为土壤微生物提供栖息地与养分

目前,大部分研究者认为,生物炭能够提高微生物丰度的重要原因之一是其多孔隙结构和丰富的比表面积,为土壤微生物提供了适宜的栖息地。这个机制最早由Pietikäinen 等提出,他们发现亚马逊黑土(最早发现生物炭的土壤)中的微生物丰度比其相邻的土壤高25%,推测这与生物炭的多孔结构有关。土壤细菌的平均尺寸为1～4 μm,真菌的平均尺寸为2～64 μmm,喜栖息于土壤孔隙中或附着于土壤颗粒表面。生物炭按其孔径的大小将其分为大孔隙(＞50 nm)、小孔隙(＜2 nm)和微孔隙(＜0.9 nm)3 种类型,通常来说,木质类生物炭具有丰富的大孔隙,适宜大部分土壤细菌和真菌的定殖,同时大孔隙对土壤的通气性和保水性都有积极作用,也为微生物提供了适宜的生存条件。例如,松木生物炭具有大量直径在5～10 μm 的孔隙,且保留了其生物质植物细胞的导管和筛管结构,有利于孔隙之间的相互连接及氧气输送,在土壤环境中为细菌和真菌等微生物定居提供了良好的居住条件。Tu 等通过电子扫描显微镜(SEM)观察到玉米()秸秆生物炭具有粗糙的表面和丰富的多孔结构,使得接种的大部分假单胞菌()能够黏附于生物炭颗粒表面,一些较小尺寸(＜2 μm)的菌体定居于孔隙中。此外,生物炭的强吸附及固定能力能够使微生物在降雨、地表径流的作用下不易被冲走,减少了自然条件下土壤微生物的损失。

同时,生物炭本身富集了许多营养元素,可作为养分来源为微生物提供氮、磷、钾等以及生物质原材料中具有的微量元素。如玉米秸秆生物炭中含有丰富的速效钾和速效磷,低温(≤400 ℃)动物粪便生物炭富含氮、硫、钙和镁等营养元素,这些营养元素能够跟随生物炭的施用一同进入土壤环境,被微生物、植物吸收利用。生物炭还含有大量阴离子和羟基、羧基、羰基等含氧官能团,使其表现出较大的阳离子交换能力(CEC),其施用也能增大土壤的CEC,如20 t·hm的木质生物炭可使土壤的CEC提高3 倍左右,CEC 的提升可增大土壤对养分的持有能力以支持微生物活动。综上,生物炭不仅能通过其丰富的孔隙结构为土壤微生物提供良好的生存空间,还能直接或间接地为土壤微生物提供氮、磷、钾等营养物质。

1.2 生物炭对土壤pH 的改变

由于大部分细胞内部的DNA、ATP 等对酸性敏感,而RNA 和磷脂等对碱性敏感,过酸过碱都易损害细胞的生长,因此中性pH 环境能更好地维持微生物细胞稳定,有利于微生物的生长代谢,且在中性至弱碱性(pH 7.2～7.6)时微生物的呼吸酶、蛋白酶、过氧化氢酶等维持微生物生长代谢的酶活性可达最高。研究表明,生物炭pH 通常为8.0～13.0,其施用可显著提高酸性土壤的pH,有利于微生物的生长。例如,在桉树()林施用50 t·hm的高比例桉树生物炭,土壤pH 从4.0 增加为4.8,土壤微生物总量提高了21.63%;在酸性红壤中施用5 t·hm的竹叶生物炭,土壤pH 从5.7 增加到6.4,丰富了土壤中固氮菌和硝化菌的多样性。热解温度是影响生物炭pH 的重要因素,一般情况下,热解温度越高,生物炭中的挥发性物质含量越低,酸性官能团越少,含有盐碱离子的灰分增加,使得生物炭的pH升高。如施用550 ℃桉树木生物炭使得南方酸性红壤pH 由4.04 提高至6.12,而300 ℃和350 ℃生物炭仅使其pH 分别增加了0.18 和0.27,高温生物炭对红壤pH 的大幅度提升使得土壤中固氮菌的丰度和多样性也显著提高,而低温生物炭对pH 的微弱改变对固氮菌群落影响不明显。因此,针对酸性土壤,施用高温(500 ℃以上)生物炭可有效提高土壤pH,为土壤微生物的生长提供良好的环境。

1.3 生物炭介导微生物电子传递

生物炭含有丰富的具备氧化还原活性的官能团,如醌、酚羟基、芳香环等,使生物炭能够作为电子供体、电子受体或电子的传递桥梁,介导微生物的电子传递过程,促进微生物的代谢活动,从而有利于提高依赖微生物代谢进行的元素循环和有机污染物降解的效率。例如,电子供体的缺少会导致反硝化细菌的反硝化作用不完全,从而导致土壤NO 排放量增加,而300 ℃的稻秆生物炭可作为电子供体促进反硝化细菌的反硝化作用(图1 Ⅰ),从而降低土壤NO 的排放量。同样,硫还原地杆菌()很难直接降解五氯苯酚,稻秆生物炭表面的酚羟基等氧化还原官能团可作为电子供体促进微生物细胞和五氯苯酚分子之间的电子转移,从而显著增强硫还原地杆菌对五氯苯酚的降解效果,其降解路线如图1 Ⅱ所示。Saquing 等发现金属还原地杆菌()在没有电子受体时不能分解利用醋酸盐,而550 ℃的木质生物炭中的醌基可作为电子受体参与金属还原地杆菌对醋酸盐的氧化(图1 Ⅲ)。此外,生物炭还可作为微生物细胞与矿物之间的电子传递桥梁,加速其电子转移速率。如620 ℃木屑生物炭通过充当铁(Ⅲ)矿物还原细菌MR-1的电子传递桥梁,将电子从生物炭转移到Fe(Ⅲ)矿物,以刺激电子转移,加快Fe(Ⅲ)氧化矿物和铁氢化物的还原(图1Ⅲ)所示。

图1 生物炭介导微生物电子转移的4 种路径Fig.1 Four pathways of biochar-mediated microbial electron transfer

生物炭的电子交换能力,即电子交换容量(EEC),决定了其介导微生物电子传递的效率。EEC 是电子供给容量(EDC)和电子接收容量(EAC)的总和,用来表示生物炭提供和接收电子的能力。热解温度是影响生物炭EEC 的重要因素,Kappler 等发现生物炭低温热解下易形成酚类物质,中高温度下易形成醌基,主要决定了电子供体(主要为酚类)的EDC 以及电子受体(主要为醌基)的EAC。因此,针对不同反应的降解行为,可选择不同温度的生物炭,以加快污染物降解效率。综上,生物炭参与并促进了微生物细胞与污染物分子之间的电子传递,增强了微生物代谢降解活动,加快了污染物的降解,为开发高效降解土壤污染物的生物电化学策略的发展提供了依据。

1.4 生物炭对土壤微生物的潜在毒性

除上述对微生物的正面影响外,生物炭热解过程中产生的PAHs、VOCs、EPFRs 以及生物质中富集的重金属等物质浓度较高时可能对土壤微生物产生毒性。低分子量的PAHs(苯环数≤4)较易被土壤微生物分解,可作为碳源促进微生物的生长繁殖;而当PAHs 的苯环数＞4 时,PAHs 可通过疏水键与细胞膜上的膜磷脂结合形成稳定的结合物,破坏细胞膜的通透性,对微生物的生长代谢产生抑制作用。同时,PAHs 在紫外辐射下会加速自由基的生成,从而破坏微生物细胞膜,并损伤DNA。Rajkovich等指出500 ℃下制备的玉米秸秆生物炭中高浓度(5.3 μg·g)的PAHs 可能是施用5 d 后土壤微生物活性降低23.4%的原因。生物炭中的VOCs 主要包括苯系物、有机氯化物、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等,大部分均具有毒性,可直接抑制微生物生长。研究表明,低浓度(41.6 μg·g)的有机酸、有机胺等VOCs 可作为碳源支持黏液芽孢杆菌()等微生物的生长,而400 ℃玉米秸秆生物炭中高浓度(247.71 μg·g)的甲苯、乙基苯、氯苯、呋喃等VOCs 使土壤微生物丰度降低19.6%,微生物多样性也显著降低。此外,生物炭中的半醌、酚氧基、环戊二烯基等EPFRs 可诱导产生羟基自由基(·OH)、超氧自由基(·O)和过氧化氢(HO)等活性氧,通过氧化应激降低细胞过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性,使微生物细胞活性降低甚至失活。重金属对微生物的生长也表现出两面性。一方面,铁(Fe)、硼(B)、锌(Zn)和钼(Mo)等金属可作为维持微生物、动物、植物生命体代谢活动的微量营养元素;同时细菌和真菌等微生物在对低浓度重金属化合物进行氧化过程中,可获得ATP。另一方面,高浓度的重金属则会干扰细胞质膜的转运、酶的激活以及细胞内部的电子传递等过程,从而阻碍生物体对正常离子的吸收、运输、渗透和调节,并抑制微生物的生长、繁殖,损害呼吸作用,导致细胞形态异常、甚至裂解。如Zn是生物体微量元素,但微生物富集过量Zn 后,Zn可与微生物细胞中带负电荷的核酸结合引起染色体畸变,DNA、RNA 和蛋白质活性降低,核酸代谢受干扰。

生物质类型和热解温度是造成生物炭中有毒化合物含量不同的主要原因。如由于家禽粪便富含多糖、蛋白质和脂类,因此家禽粪便生物炭中的挥发性脂肪酸浓度(4～9 mg·g)是玉米秸秆生物炭中(1～4 mg·g)的2～3 倍。生物炭中的重金属主要取决于生物质原料,城市污泥生物炭中含有高浓度的Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd;家禽粪便生物炭中含有Al、Cr、Ni、Mo。同时,研究还发现低温(500 ℃以下)生物炭中的重金属以残留交换态、有机结合态为主,这些形态的重金属生物有效性高。而随着热解温度升高,如600～700 ℃制备的污泥生物炭,其中的重金属逐渐变为残渣态,生物有效性降低。

综上,生物炭中的PAHs、VOCs、EPFRs 和重金属等对土壤微生物的潜在毒性是准确评价生物炭环境效应和潜在风险的基础,如何规避生物炭对土壤微生物带来的负面作用是生物炭在土壤改良应用时需要考虑的首要问题。目前研究发现,生物炭在老化过程中从外部到内部逐步降解,芳香性减弱,表面官能团增加,可有效降低PAHs 的生物有效性;生物炭经水洗和酸洗后可去除呋喃、芳香族有机酸和乙酰氧基酸等VOCs,从而降低生物炭对微生物的毒性;高温生物炭中的重金属主要以残渣态的形式存在,可有效降低重金属的生物有效性。在生物炭应用于土壤改良时,进行老化、水洗、酸洗等前处理可有效降低其毒性。

2 生物炭与微生物作用对土壤养分的调控

氮、磷、钾作为土壤养分中的基本营养物质,是评估土壤肥力的重要指标,微生物的生长代谢活动是土壤营养元素循环的主要推动力。研究发现,生物炭可提高固氮菌、解磷菌、解钾菌等功能微生物的丰度,从而使氮、磷、钾等营养元素利用率得到显著提高。

氮素是地球上含量最高的化学元素,也是植物生长必需的营养元素,但土壤氮素损失严重,影响着全球的环境质量、粮食安全和经济发展。Lehmann等提出在土壤中施用生物炭是一种减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率的方法。生物炭除自身含有氮素、能吸附土壤中氮元素等特性,还能通过土壤微生物的氮素固持作用,转化土壤氮素形态,提高氮素利用率。研究表明,施加生物炭能提高土壤碳氮比(C/N),限制土壤微生物的氮素转化和反硝化,对土壤NH+和NO

-具有显著的持留作用。如在滨海盐碱土中施用500 ℃的小麦()秸秆生物炭后,固氮菌群落丰度及其固氮能力显著提高。在菜田中施用600 ℃的玉米秸秆生物炭不仅增加了氨氧化古菌、氨氧化细菌及自生固氮菌的丰度,优化了氨氧化微生物的群落结构,还提高了土壤的总氮、硝态氮、氨态氮含量。

土壤磷素的作物利用率较低,未被利用的磷素容易随地表径流进入表层水体,引起水体富营养化等环境问题。生物炭的施用能提高土壤磷含量及其有效利用率。一方面,一些生物炭本身含有较高的有效磷,可作为传统磷肥的替代品;另一方面,生物炭还可通过对磷的吸附、解吸以及调节土壤微生物群落结构等作用改变土壤中磷的循环和有效性。如玉米秸秆生物炭的施用可增强巨大芽孢杆菌()、曲霉菌(spp.)、欧文氏菌(spp.)等解磷微生物的丰度与活性,它们可通过分泌有机酸、磷酸酶和植酸酶将土壤中的有机磷和难溶性无机磷转化为可被作物吸收利用的有效态磷。

由于原料紧缺、施用不合理等因素,土壤缺钾也是土壤肥力丧失的一大原因。与土壤磷类似,除了生物炭中钾的直接贡献作用外,生物炭还可通过刺激微生物活性提高土壤有效钾含量。玉米秸秆生物炭可以提高土壤中胶质芽孢杆菌()、环状芽孢杆菌()等硅酸盐解钾菌的丰度和活性,这些微生物可通过分泌有机酸来加速矿物晶体的溶解,实现对含钾矿物的解钾作用,从而增加土壤中有效钾含量。

同时,目前生物炭与微生物联用技术受到越来越多的重视,将生物炭作为载体接种固氮菌、解磷菌、解钾菌等功能微生物,可显著提高土壤养分。如小麦秸秆生物炭与枯草芽孢杆菌()的联合施用可显著提高砂壤土中有效磷、速效钾的养分含量,从而提高玉米产量和品质。在种植辣椒()的黄壤中施加接种了丛枝菌根真菌的玉米秸秆生物炭,辣椒根部氮、磷、钾的含量相较于单施用丛枝菌根真菌的对照含量提高了74.04%、106.42%和78.82%。生物炭与微生物的共同作用可显著提升氮、磷、钾等营养元素的有效利用率,对土壤肥力的改良具有积极作用。生物炭与微生物联用技术可有效改良土壤肥力,提高生物炭和微生物肥在土壤肥力改良方面的发展潜力。

3 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,其施用能够减少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。

3.1 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,不但可以直接作用于土壤,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,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(sp.)的丰度提高18.9%,显著提升土壤中PAHs 的生物降解率。Song 等也发现300 ℃、500 ℃和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。Tu 等也表示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,增加微生物的丰度,促使降解菌对PAHs 具有更高的降解率。任宏洋等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。

3.2 重金属

与有机污染物相比,重金属具有难降解、易通过作物吸收、食物链累积等特点,使得现代作物产量、质量严重下降。因此,如何降低土壤中重金属的生物有效性是目前土壤修复的重点。传统修复策略主要有客土、土壤清洗和植物修复等,而这些方法存在着处理效率低、运行成本高、时间周期长、破坏土壤原生态系统等缺点。有研究者指出,通过向受污染土壤中添加适当的改良剂可将土壤中的重金属固定与稳定化,从而降低土壤重金属的流动性和生物有效性。如棘孢曲霉()、黄孢原毛平革菌()等微生物可通过生物积累、吸附、转化、胞外沉淀等作用,吸附、吸收并固化重金属,从而降低土壤中重金属的生物有效性。枯草芽孢杆菌等土壤微生物分泌的草酸、柠檬酸等有机酸能与重金属发生鳌合或形成草酸盐沉淀,从而降低重金属对生物的伤害。同时,生物炭表面存在的大量含氧官能团,如羧基、羟基和酚等,对重金属有很强的亲和力,能高效吸附重金属。因此,综合生物炭多孔隙结构与强吸附能力的优势,生物炭与功能性微生物菌株的结合被认为是可持续修复重金属污染土壤的有效策略,该体系结合了生物炭吸附和微生物降解污染物的优势,通过提高微生物丰度增强土壤污染物的降解效果,具有可重复利用的特点,是一类有前景的污染物处理模式。如玉米秸秆生物炭接种耐重金属菌株假单胞菌后降低了Cd 和Cu 的不稳定性和生物可利用度。段靖禹等应用松木生物炭与青霉菌(spp.)复合修复土壤砷污染时,发现生物炭的孔隙为青霉菌提供了附着点,使青霉菌定殖而丰度增加,从而使得砷的钝化率高达27.6%。生物炭与微生物的共同作用对控制土壤污染具有极大的潜力,生物炭固定微生物的技术为绿色可持续的污染修复提供了新视角。

4 生物炭对病原微生物的防治

土壤中的植物病原性真菌、细菌和病毒侵染植物根部和茎部而发生的病害被称为土传病害,近年来由于长期施用化肥导致土壤有机质减少,土壤微生物生态遭受破坏,土传病害连年加重,严重影响农业生产,造成巨大经济损失。目前对土传病害的防控虽然已开展了大量研究,但至今仍然缺乏经济、有效、广适性强、能大面积推广的实用技术。随着生物炭在农业中的应用,生物炭对农作物土壤病原微生物的控制引起了学者的关注。研究表明,生物炭的施用可有效防治由青枯菌()、尖孢镰刀菌()、茄核菌()等病原菌引起的土传病害。如稻秆生物炭的添加使酸性红壤pH 由4.9 提高至6.2,土壤CEC 提高21%,土壤的改良提高了假单胞菌、芽孢杆菌和拟杆菌(spp.)等有益微生物的丰度,而使病原青枯菌的丰度下降94.51%,烟草青枯病的发病率也降低76.64%。玉米秸秆生物炭能有效吸附病原镰刀菌的孢子,从而抑制致病性尖孢镰刀菌、螺旋体镰刀菌和糖化镰刀菌的繁殖传播。桉树生物炭还可吸附番茄尖孢镰刀菌产生的细胞壁降解酶以及霉菌毒素、抗生素和色素等有毒代谢产物并令其失活,从而保护番茄()免受土传病原菌的侵害。同时,300～400 ℃的低温柑橘()木生物炭上的酸、醇和羰基化合物等VOCs,可有效抑制病原体灰葡萄孢菌()和鞑靼内丝白粉菌()的生长,使得番茄灰霉病菌和白粉病得到有效控制。此外,在施用了500 ℃的玉米秸秆生物炭后,发现毛霉、拟青霉、青霉菌和木霉等对病原微生物有抑制作用的生防菌得到富集,产生的抗生素可抑制土传病害和诱导植物防御,减轻病原微生物对植物的毒性。根据已报道的文献,本文总结了以下4种生物炭对病原微生物防治的主要机制:1)改善土壤性质进而优化土壤微生物群落,减少病原菌的生长繁殖;2)吸附病原菌及其分泌物,降低其生物有效性;3)生物炭的VOCs 等微生物抑制剂可抑制病原菌的生长;4)增加生防菌等有益微生物的丰度以抑制病原菌。综上,以往的研究结果不但说明生物炭对防控植物土传病害有积极作用,还为生物炭防控土传病害提供了理论支撑。

5 结语与展望

本文对生物炭对土壤微生物生长代谢活动的影响机制进行了总结,原料类型和热解温度共同决定着生物炭的表面特性、孔结构、元素组成、pH 以及CEC 等特性,从而导致不同种类的生物炭对土壤微生物代谢活动的影响存在较大差异。同时还发现生物炭与微生物的共同作用可有效修复与改良土壤。因此针对不同土壤问题,应选择施用不同种类的生物炭以达到最佳的改良效果。如提高酸性土壤的pH,可以选用高温生物炭;提高土壤肥力,则可选择作物残渣生物炭和动物粪便生物炭,其高灰分含量可提高土壤的CEC;对于控制土壤病原微生物,低温生物炭携带的VOCs 可抑制病原菌的活性,吸附性强的生物炭可吸附病原菌孢子以抑制其在土壤中的传播繁殖。对于生物炭本身含有的PAHs、VOCs、EPFRs、重金属等带来的负面作用,使用前应对其进行老化、水洗或酸洗等前处理,以减轻生物炭对微生物代谢活动的抑制作用及对土壤环境的不良影响。

综上,微生物的代谢活动机制十分复杂,现有关于生物炭对土壤微生物的影响机制的研究还不完善,未来的研究需重视以下问题:

1)目前生物炭对微生物作用的研究主要在土壤介质中开展,影响因素较为复杂,难以判定生物炭对微生物起关键作用的因素,未来应多开展生物炭-微生物简单体系下的基础研究,进一步探究生物炭中的重金属、DOM、PAHs、表面官能团、EPFRs 等各类组分对微生物的作用机制。

2)由于结构与理化性质的差异,生物炭与土壤颗粒界面间可能存在空间异质性,异质空间内资源分布复杂,通常可为更多的微生物物种提供生存所需的空间和养料。但目前对生物炭的研究还未涉及,因此探讨生物炭与土壤的空间异质性对土壤微生物生长繁殖的影响也是未来研究有意思的发展方向之一。

3)目前对生物炭的相关研究时长较短,但生物炭在土壤中的停留时间较长,且微生物群落结构和功能的变化会随着人为和自然活动的变化而变化,今后的研究中应多考虑生物炭施用后对土壤微生物的动态作用及长期效果评估。

感谢昆明理工大学云南省土壤固碳与污染控制重点实验室提供的学习平台,感谢刘洋老师对本文的提议与修改。