生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质,具有改善土壤理化性质、调控营养元素循环、防治重金属、多环芳烃等污染物迁移转化等功能,因此,在土壤改良与修复领域具有较好的应用前景。但是,生物炭的施用将对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程。本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤微生物分布影响的研究进展,探讨了生物炭对土壤微生物生长代谢的作用机制,阐述了生物炭对于微生物主导的土壤生物地球化学过程产生的影响作用。相关研究发现,土壤总微生物生物量在生物炭施用后或增加,或不变,或呈现下降趋势;不同种类微生物对于生物炭的响应非常复杂,从而呈现出各异的土壤微生物群落结构组成。生物炭对微生物生长代谢的影响源于改变p H环境、影响水分分布、调节养分循环等多种机制的协同作用,而生物炭在对环境物质的吸附以及对微生物的直接吸附方面扮演着重要角色。同时,生物炭对于土壤微生物群落结构组成的影响还会随着时间的推移而发生变化。生物炭对土壤中微生物分布的改变还会进一步影响微生物的生物地球化学功能,对温室气体排放、碳氮循环和有机污染物降解等生物地球化学过程产生重要影响。因此,有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的深入研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量的影响作用,为生物炭的实际应用提供依据。     

生物炭对土壤微生物的影响研究进展

生物炭是有机材料在厌氧条件下热解而成的产物。近年来,生物炭因在碳固定、土壤改良和作物产量提高等方面具有较大的应用潜力而引起国内外学者的广泛关注。作为一类新型的土壤改良剂,它能提高土壤有机碳含量及阳离子交换量(CEC),改善土壤保肥持水性能,有益于土壤微生物活动,同时还可吸附抑制对土壤微生物生长有毒的化感物质,为土壤微生物提供有利的栖息场所。但生物炭的效应与生物炭的特性、用量、土壤类型及肥力有关。笔者从生物炭对土壤微生物的影响及其作用机制出发,概述了不同生物质材料及热解温度对生物炭理化性质的影响及生物炭对土壤微生物丰度、群落结构和活性影响的研究进展。未来应重点从生物炭的特性、生物炭与微生物交互作用及生物炭的环境修复等方面深入研究,客观评价生物炭对土壤微生物的作用。     

施用生物炭对土壤微生物的影响

作为生物质材料的热解产物,生物炭被认为是很有前景的环境污染治理与生态修复材料.多方面的研究说明,生物炭的多孔、大比表面积、丰富的官能团等性能,使其具有"锁定"碳,固定土壤污染物,改善土质等功能,从而从土壤物理化学的角度证实了生物炭在土壤污染治理与改良方面的作用,但至于生物炭对土壤微生物的影响及其长期效应尚处于起步阶段.本文总结分析了近年来国内外生物炭与土壤微生物相关的研究成果,得出生物炭能通过改变土壤资源储备(如可利用C、营养物质、水分等)、非生命成分(如p H、CEC等)等理化性质,加快土壤细菌和真菌的生长与繁殖,影响土壤微生物群落结构和功能.可见,生物炭土地利用的优点不容置疑,为了实现其规模化应用,生物炭的施用剂量、生物炭-微生物-污染物的作用机理等问题亟待深入地研究,生物炭对土壤微生物及养分循环的长期影响还有待于系统地展开.     

生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展

生物炭是指由含碳量丰富的生物质在无氧或限氧的条件下低温热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料。近年来,生物炭作为一类新型环境功能材料引起广泛关注,其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面都展现出应用潜力,已成为当前的研究热点。综述了生物炭对土壤生境以及植物生长方面的影响机制,并指出未来研究的主要方向。国内外最新的研究表明:生物炭的高孔隙度和表面面积,可以增加砂性土壤的田间持水量,但这种增加效应是有限度的;生物炭的碱性属性使其能够提高酸性土壤的pH值,这对喜碱作物的生长具有积极意义;生物炭能够抑制土壤氮磷养分淋失,提高肥料利用率;生物炭的添加会增加土壤微生物量,改变土壤微生物群落结构组成和土壤酶活性;生物炭的添加改善了土壤性质、养分状况以及土壤微生物性质,进而促进了植物生长。但生物炭对土壤生境和植物生长的影响效应要取决于土壤肥力和性质、植物种类、以及生物炭的特性和施用量等因素。因此,必须根据不同土壤的主要障碍因子,选择合适的生物炭,以期得到较好的土壤改良效果。今后应加强生物炭在林地土壤改良以及林木生长方面的研究与应用,进一步探索生物炭在土壤中发生的生物和化学反应机理,并且要对生物炭的施用效果进行野外长期定位研究。     

生物炭添加对土壤中抗生素和抗性基因的环境行为影响研究进展

近年来,土壤抗生素和抗性基因污染已成为我国新兴的环境问题,生物炭作为土壤改良剂施用到土壤后会影响抗生素和抗性基因的环境行为.本文从我国土壤中抗生素和抗性基因污染现状和潜在风险出发,概述了生物炭添加土壤对抗生素的吸附、解吸及老化的影响,分析了生物炭特性、土壤类型、抗生素种类,和温度、pH值、共存物质等吸附条件对生物炭添加土壤吸附抗生素的影响,阐述了生物炭添加对土壤中抗生素和抗性基因迁移、消散、生物有效性,以及酶和微生物的影响,并对生物炭控制土壤中抗生素和抗性基因的研究前景进行了展望,拟为土壤中生物炭调控技术的发展提供参考.     

生物炭和熟石灰对土壤镉铅生物有效性和微生物活性的影响

以南京近郊某蔬菜基地土壤为研究对象,采用盆栽试验方法,研究熟石灰和生物炭两种钝化剂对镉铅复合污染土壤修复效果以及对土壤微生物活性的影响.结果表明,施加熟石灰和生物炭能够增加土壤pH和有机碳等养分含量,促进Cd、Pb由酸溶态向还原态和残渣态转化,降低Cd、Pb有效态含量.与对照处理相比,熟石灰和生物炭5.0%用量下,Cd有效态含量(DTPA、TCLP和CaCl_2等3种提取态)分别下降37.74%—41.46%和22.22%—31.71%,Pb有效态含量分别下降45.59%—52.82%和35.47%—41.94%.生物炭的施用提高了土壤微生物量碳氮和微生物群落功能多样性,促进微生物对碳源的利用能力,其中生物炭5.0%用量下土壤微生物活性最高.熟石灰和生物炭的添加显著降低小白菜可食部位和根部对Cd、Pb的富集,与对照处理相比,可食部位Cd、Pb含量分别下降7.14%—47.62%和45.93%—74.82%,但所有添加钝化剂处理小白菜可食部位含量均超出国家安全食用标准.     

生物炭与炭基肥对大豆根际土壤细菌和真菌群落的影响

土壤微生物在农田土壤生态系统中发挥重要作用,然而秸秆生物炭与炭基肥处理对微生物群落的影响以及对农田生态环境的意义尚不清楚.以黄淮海平原豆-麦轮作为研究对象,采用荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术比较不同施肥方式对土壤细菌和真菌群落的丰度、组成和多样性差异,探究秸秆还田、生物炭以及炭基肥添加对根际土壤微生物群...     

热带亚热带土壤氮素反硝化研究进展

热带亚热带独特的土壤性质可能使得反硝化机理有别于温带土壤.文章综述了热带亚热带地区土壤氮素生物反硝化的研究进展,试图更好地了解该地区土壤反硝化在全球氮（N）循环以及在全球环境变化和生态系统响应互作中的角色.热带亚热带土壤反硝化强度普遍较温带地区弱,且随着土地利用方式和耕作管理措施的不同而呈现较大的时空变异性.影响土壤水分状况和土壤碳（C）、N 转化特性和速率的因素即为区域和农田尺度上的反硝化影响因素.湿润型热带亚热带土壤由于含有丰富的氧化物而致使土壤氧化还原势较高,这也是导致该地区土壤反硝化势较温带地区较低的关键土壤因素之-.然而土壤pH 值不是该地区土壤反硝化势较低的主要限制因素.有机C 矿化过程较土壤全氮含量和土壤C/N 比在决定湿润型亚热带土壤反硝化势方面更为重要.愈来愈多的证据表明热带亚热带土壤反硝化的生态环境效应不同于温带地区,热带亚热带地区土壤反硝化对全球变暖的贡献应综合考虑其对其它温室气体（如CH4,CO2）排放和氮沉降的影响.热带亚热带土壤生态系统具有-些防止土壤氮素反硝化损失的机制和保氮策略.然而,热带亚热带生态系统对全球变化的响应机制及其生物地球化学调控机制仍然不清楚,这些研究对于反硝化和其它同时发生的氮转化过程模型的精确构建至关重要.     

微塑料对农田土壤理化性质、土壤微生物群落结构与功能的影响

微塑料作为一种新污染物普遍存在于各类环境介质中,土壤环境中的微塑料污染已受到全球的广泛关注。该研究围绕农田土壤中微塑料污染这一主题,在总结分析国内外最新研究进展的基础上,综述了微塑料对农田土壤理化性质、土壤微生物生物量以及微生物群落结构与功能的影响。通过农业活动等途径进入农田土壤的微塑料会在非生物和生物作用下发生风化和降解,并对土壤理化性质、养分循环和污染物相互作用产生影响,进而影响微生物生物量、微生物群落结构与多样性、土壤酶活性,以及碳、氮循环和污染物降解等土壤生物地球化学过程,且微塑料对上述指标的影响与微塑料自身性质、土壤类型和暴露条件等多种因素有关。最后,对未来土壤微塑料的研究方向做了展望,以期为后续研究提供参考和思路。     

不同水分条件下生物质炭添加对湿地土壤微生物群落结构的影响

为了研究水分条件如何左右生物质炭添加对湿地土壤微生物群落结构的影响,通过对室内培养240和720 d的添加生物质炭的土壤进行采样,分析了75%田间持水量、干湿交替和淹水3种水分条件下添加芦苇秸秆生物质炭(裂解温度分别为350和600℃)的湿地土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)量。结果表明,除75%田间持水量条件下培养240 d,生物质炭添加提高土壤微生物PLFAs总量和各类群微生物PLFAs量以外,75%田间持水量条件下培养720 d以及干湿交替和淹水条件下培养240和720 d,生物质炭添加均降低土壤微生物PLFAs总量和各类群PLFAs量,其中,干湿交替条件下土壤微生物PLFAs量下降幅度最大;培养240 d后添加裂解温度为350℃生物质炭的土壤微生物PLFAs总量及各类群微生物PLFAs量总体上高于添加裂解温度为600℃生物质炭的土壤。不同于未添加生物质炭的土壤,除75%田间持水量条件下的土壤放线菌以外,培养240 d后添加生物质炭的土壤微生物PLFAs总量和土壤其他类群微生物PLFAs量均高于培养720 d;除革兰阴性菌(G~-)外,总体上添加生物质炭的土壤微生物PLFAs量在干湿交替条件下最低,而在淹水条件下最高。75%田间持水量条件下,生物质炭添加提高土壤微生物丰富度指数(H)和均匀度指数(J),降低了优势度指数(D),而淹水条件下,培养240 d后生物质炭添加降低H和J指数,提高D指数,但干湿交替条件下生物质炭添加对土壤微生物多样性指数的影响没有明显规律性。冗余分析(RDA)和相关性分析结果表明,速效磷含量、硝态氮含量和pH与土壤微生物群落结构存在显著相关性,且相同水分条件下土壤微生物群落结构更为相似。研究认为添加生物质炭可通过自身性质和改变土壤理化性质来影响土壤微生物群落结构,而土壤水分条件和培养时间是左右生物质炭添加对微生物群落结构影响的重要因子。生物质炭添加仅促进75%田间持水量条件下培养240 d的土壤微生物生长,其他处理下生物质炭添加抑制大多数类群微生物生长或无影响。     

重金属污染降低水稻土微生物商并改变PLFA群落结构——苏南某地污染稻田的案例研究

重金属污染可能影响土壤中微生物生物量与活性及群落结构.但这种影响随土地利用和土壤类型、污染物类型而异.采集了江苏南部某市金属冶炼产业区周边重金属污染的稻田和未明显污染稻田的表土样品,分析了重金属复合污染下土壤微生物生物量以及PLFA群落结构的变化.结果表明,重金属污染下稻田土壤的微生物生物量碳、氮及微生物商比未明显污染的土壤显著降低(约20%);PLFA分析显示,重金属污染下土壤微生物群落结构发生了明显的变化,细菌和真菌PLFA的变化幅度达到30%以上,革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的脂肪酸比值升高,而真菌/细菌的比例降低了约70%.这种改变可能进一步影响到土壤中C、N等养分的生物地球化学循环,这有待深入的研究.     

土壤微生物污染诱导群落耐性研究进展

污染诱导群落耐性(PICT)是指生物群落为了在污染环境中继续生存,通过生理生化与遗传特征的改变或以耐性类群生物代替敏感类群,从而使整个群落产生耐性.目前人们已将PICT作为一项指标,从群落耐性方面来评价污染生态学的效应.目前PICT研究已涵盖了水生生物、陆地植物、微生物等,其中土壤微生物是PICT研究的重要群落对象.对土壤微生物群落PICT的研究始于上世纪90年代,并已在多方面取得进展,包括在研究方法上的一些突破和改进.在PICT产生和变化机理等方面也有新发现,如发现了土壤微生物群落PICT与污染物浓度存在较好的正相关关系,并且污染物能够引起土壤微生物群落对其他污染物的共耐性等.在PICT影响因素研究方面发现不仅环境因素会影响PICT的形成,而且检测方法也会影响对PICT的判断.论文较为全面地综述了国际上针对土壤微生物群落PICT的研究进展,包括PICT的概念、研究方法、污染物影响PICT的内在机制及影响PICT的关键因素等,最后提出了研究展望.     

生物炭修复土壤重金属污染的研究进展

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。近年来,生物炭在污染环境修复方面得到广泛关注,已成为当前环境科学的研究热点。文章综述了近年来国内外有关生物炭修复重金属污染土壤的研究进展,探讨了生物炭对土壤修复的潜力,阐述了生物炭对于土壤重金属生物有效性的影响。相关研究发现,不同来源及裂解温度制备的生物炭对土壤重金属修复的效果不同,不同类型土壤重金属对于生物炭的响应亦非常复杂,从而呈现出各异的土壤重金属修复效果。生物炭对重金属生物有效性的影响源于改变土壤p H、影响土壤有机质含量,改变土壤氧化还原电位及土壤微生物群落组成等多种机制的协同作用,同时生物炭在对重金属的吸附方面扮演着重要角色。生物炭对土壤重金属修复的影响效应取决于生物炭的特性和施用量、土壤肥力和性质、以及重金属种类等因素。因此,必须根据不同土壤的主要重金属污染类型,选择合适的生物炭,以期得到较好的土壤改良效果。今后应加强生物炭在农田土壤改良以及农作物生长方面的研究与应用,进一步探索生物炭在重金属污染土壤中发生的生物和化学反应机理,并且要对生物炭的施用效果进行野外长期定位研究。     

曝气复氧对底泥氮素生物地球化学循环影响的作用机制研究

通过分析底泥氮污染物释放规律和转化过程,以及底泥生境、氮形态变化和氮循环功能微生物群落结构变化的规律,探讨了不同曝气复氧条件影响底泥氮生物地球化学循环的生物代谢、物理化学联合作用的机制。结果表明：曝气复氧对底泥中氮的生物地球化学循环影响是一个包括微生物代谢作用和物理化学作用的复杂联合作用过程。水体好氧环境的改变主要引起参与底泥氮循环的硝化、亚硝化和反硝化功能菌群群落结构的演变,对异养菌和氨化菌的影响不大,证明环境好氧条件的改变对底泥有机质生物分解产生氨氮的微生物代谢过程影响不大,主要对底泥释放的氨氮硝化、反硝化等生物转化过程产生大的影响。不同溶解氧条件下,底泥释放的氮素在微生物作用下主要以NH4＋-N和NO3--N的形式进入试验体系,并在特定的氧化还原电位（临界值-200 mV）和pH（临界值6.70）条件下通过物理化学作用在底泥中以离子交换态氮（IEF-N）、碳酸盐结合态氮（CF-N）、铁锰氧化态氮（IMOF-N）及有机态和硫化物结合态氮（OSF-N）等不同形态氮相互转化,同时,在氮的转化和循环过程中部分输入上覆水体。在低溶解氧组实验条件下[ρ（DO）〈0.5 mg.L-1],底泥向水体输出氮总量为底泥可转化态氮的19.7%,主要为氨氮,最大释放速率达到289.13 mg.m-2.d-1,释放的质量浓度可达到18.8 mg.L-1;好氧条件下（DO饱和）,底泥向水体输出氮总量为底泥可转化态氮的1.8%;好氧-缺氧条件下为11.7%,主要以N2的形式释出系统。     

氮肥和多环芳烃对农田土壤细菌群落的影响

氮肥是农业生产的重要保障,多环芳烃是广泛存在的环境污染物,它们可能共存于农田土壤中,对微生物群落产生影响。为探究施氮肥和多环芳烃污染叠加情况下的土壤微生物生态效应,采集农田土壤,设置添加尿素和苯并[a]蒽的组合处理,建立微宇宙进行培养。在测定硝态氮积累、土壤pH以及污染物矿化的基础上,结合定量PCR、高通量测序等方法,研究尿素和苯并[a]蒽对土壤细菌群落特征的影响。结果显示,尿素导致土壤中硝态氮的积累,显著增加了细菌氨单加氧酶基因(amo A)拷贝数,但对古菌amoA基因丰度的影响不明显;施用尿素导致土壤p H值降低,显著影响14个主要土壤细菌门中的10个,使得土壤细菌群落多样性显著下降,整体结构发生极大变化;相对于尿素而言,苯并[a]蒽84 d的矿化率为10%左右,长期作用下具有改变土壤微生物群落组成和结构的潜力;尿素对苯并[a]蒽的矿化未产生显著影响,但苯并[a]蒽对土壤中氨氧化古菌有抑制作用,抑制比例最高达63%。这些结果表明,尿素导致土壤中硝化微生物的富集,并通过降低p H而对微生物群落产生深远的影响,而苯并[a]蒽对土壤重要功能群和细菌总体群落有潜在的风险。该研究有助于阐明农田土壤中铵态氮肥和多环芳烃的复合生态效应,为揭示有机污染物和氮转化间的交互作用机制提供了科学依据。     

生物炭固定化微生物技术在去除水中污染物的应用研究进展

许多研究致力于固定化微生物技术在去除水环境中污染物方面的应用。生物炭具有高的比表面积、大的孔隙率、低成本和来源广等优势,生物炭与固定化微生物技术结合在处理水中污染物方面具有很大的应用潜力。因此,了解生物炭固定化微生物对水中污染物去除的作用机制对于其在环境修复和废水利用中的应用至关重要。文章综述了微生物固定化方法、载体的选择、生物炭作为载体材料在固定化微生物技术中的优势及应用以及生物炭固定化微生物在去除水中不同种污染物的应用及其作用机制。同时,还探讨了初始污染物浓度、pH、温度、接触时间和颗粒投加量等对生物炭固定化微生物对去除水中污染物的影响,并分析这些环境因素对微生物生长、生物炭特性以及污染物去除效果的影响。当前研究表明:生物炭相比于其他固定化载体而言更加适宜微生物的生长,生物炭固定化微生物去除污染物的主要作用机制是吸附和生物降解的协同作用,以及生物炭对微生物具有保护及快速定殖作用。另外,过高的初始浓度、过高或过低的pH和温度都会影响微生物的活性而不利于污染物的去除。生物炭固定化微生物颗粒对污染物的去除能力随着时间和颗粒投加量的增加而提高。此外,文章分析了生物炭固定化微生物技术在水环境应用中存在的问题,可为未来相关领域的研究提供参考。     

生物炭尺寸效应对土壤污染修复的差异调控

生物炭是一种富含碳的材料,可以由各种有机废物原料制备,例如木材废料、农业废物和城市污水污泥.生物炭因其碳含量高、阳离子交换容量高、比表面积大、结构稳定等特性而受到越来越多的关注.本文系统地分析和总结了生物炭的原料来源与性质及在污染土壤修复方面的应用.基于生物炭的理化性质差异,重点阐明了生物炭尺寸效应对土壤污染物的作用机理,并对其修复土壤污染物和改善土壤质量进行了深入讨论.此外,在将生物炭实际应用于环境修复时,应更加关注生物炭老化后性能的改变.综上所述,生物炭在环境修复中具有广阔的应用前景,尺寸效应差异调控土壤污染物的作用机理需要更深一步的研究.     

秸秆生物炭修复电镀厂污染土壤的效果和作用机理初探

以某电镀厂污染场地重污染区域土壤为研究对象,利用秸秆生物炭对污染土壤进行稳定化试验,研究不同生物炭添加量(0、10、30、50、70和100 g.kg-1)条件下土壤中重金属全量和形态变化。结果表明,秸秆生物炭能够改变污染土壤中重金属的形态分布,对该污染土壤有明显的稳定化作用。其中对铬的作用效果最明显,随生物炭添加量的增加,残渣态铬含量明显上升,100 g.kg-1生物炭添加量处理残渣态铬含量较对照(1 098.75 mg.kg-1)增幅最大,增加59.51 mg.kg-1;对铜和镍的稳定化效果受添加量的影响,当生物炭添加量分别在70和30g.kg-1以上时,对铜和镍有一定稳定化作用;对该污染土壤中锌则无明显稳定化作用。当生物炭添加量为50 g.kg-1时,4种重金属残渣态总量较对照(1 745 mg.kg-1)明显增加,为1 805.95 mg.kg-1,添加量也较为合理。     

稻秆生物炭对稻田土壤Cd形态转化和微生物群落的影响

为阐明稻秆生物炭介导土壤Cd形态转化过程中化学性质与微生物群落多样性变化特征,通过室内培养实际污染土壤实验,研究施加稻秆生物炭对土壤Cd形态、pH值、阳离子交换量(CEC)、有机质(SOM)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)含量,以及土壤蔗糖酶(CA)、脲酶(UA)、过氧化氢酶(IA)活性等的影响特征,并...     

生物炭的土壤环境效应及其机制研究

近年来,随着土壤污染的逐渐加重以及食品安全问题的频出,生物炭作为重要的土壤改良剂以及对污染土壤修复表现出的巨大潜力引起人们的广泛关注.本文首先对国内外生物炭的土壤环境效应方面的研究以及成果进行分析总结.生物炭具有疏松多孔的性质以及巨大的表面积和阳离子交换量(CEC),可以改善土壤理化性质,能强烈吸附土壤中的污染物,降低其生物有效性和迁移转化能力;生物炭的碱性对于改良酸性土壤降低土壤中污染物的生物毒性具有很大的潜力;生物炭还可以为微生物提供生长繁殖的场所,有利于微生物对污染物的降解,但同时又可以保护被吸附的有机物免受微生物的降解,对不同的微生物影响不同;生物炭可以对蚯蚓等土壤动物的生存产生影响.在此基础上,依据生物炭的基本理化性质,对其土壤环境效应机制进行了分析.最后,从当前工作中存在的不足对今后的研究重点和方向进行了展望.