趙淑雯，張倩茹*，張楚晨，冀琳宇，OK Yongsik

（1.北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室，北京100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.高麗大學(xué)環(huán)境科學(xué)與生態(tài)工程學(xué)部韓國生物炭研究中心，韓國 首爾 02841）

長久以來，土壤重金屬和有機物污染一直是困擾全球可持續(xù)發(fā)展的主要環(huán)境問題。隨著經(jīng)濟和工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，此類環(huán)境問題亟需尋求基礎(chǔ)理論和技術(shù)層面的突破[1-2]。生物炭作為一種多孔材料，由于其碳含量高并具有豐富的官能團，而成為一種非常有前景的土壤改良劑。它可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分含量，已被證明可在土壤改良培肥中發(fā)揮作用[3]。生物炭是在有限的氧氣環(huán)境，且溫度相對較低（<700 ℃）時，燃燒生物質(zhì)而產(chǎn)生的[4]。生物炭的性質(zhì)在很大程度上取決于原料的類型，其碳含量普遍超過50%[來自糞便（44.3%）、污水污泥（39.6%）和造紙污泥（8.15%）的生物炭除外]，有的材料甚至可達70%~80%；同時呈現(xiàn)出一種芳香族碳結(jié)構(gòu)，包括結(jié)晶相和非晶相[5-6]。由于生物炭富有多孔結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團，可以有效降低重金屬生物有效性和促進有機污染物降解。合理應(yīng)用功能生物炭材料，既可以降低污染風(fēng)險，又能夠提高土壤質(zhì)量[7-9]，是解決各種環(huán)境問題“一舉兩得”的修復(fù)策略，并已開展了工程上的應(yīng)用。

土壤污染微生物修復(fù)技術(shù)是一種由微生物介導(dǎo)并利用其自身分解代謝作用來降低土壤中有害污染物活性或降解成無害物質(zhì)的修復(fù)技術(shù)。它代表了一種可持續(xù)、環(huán)境友好型的污染物處理方式。由于土壤微生物具有體積小、繁殖快、代謝強、適應(yīng)性廣等優(yōu)點，在重金屬和有機污染土壤修復(fù)中顯示出良好的應(yīng)用前景[10]。因此，如何安全且高效地利用微生物修復(fù)污染土壤一直是學(xué)術(shù)和工程界關(guān)注的焦點問題。然而，與其他傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，微生物修復(fù)效率相對較低，但向土壤中添加生物炭將極大提高微生物的修復(fù)效果。因此，我們分別以“biochar/ biochars/biochar and microorganism/microbe interactions/microbial remediation”為關(guān)鍵詞（數(shù)據(jù)源：Web of Science；檢索時間：2023 年2 月15 日）；“生物炭/生物質(zhì)炭/生物碳和微生物”為關(guān)鍵詞（數(shù)據(jù)源：中國知網(wǎng)；檢索時間：2023 年2 月15 日），進行了生物炭和微生物相關(guān)領(lǐng)域的文獻計量學(xué)分析，并將所有數(shù)據(jù)整合分析可知目前世界范圍內(nèi)關(guān)于生物炭與微生物的結(jié)合研究大多集中在對植物生長、微生物群落影響以及土壤污染物去除等方面，主要探討了生物炭改善土壤理化性質(zhì)以及其與微生物的相互作用等科學(xué)問題[11]；而我國對生物炭影響土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)等方面關(guān)注較多。據(jù)統(tǒng)計近15 年生物炭和微生物相關(guān)領(lǐng)域每年論文數(shù)量急劇增長，以2022 年論文數(shù)量為例，其論文數(shù)量是十年前的23 倍，其中中國、美國、澳大利亞和印度等國家對該領(lǐng)域貢獻最大。通過對不同年限關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率分析發(fā)現(xiàn)（數(shù)據(jù)源：Web of Science；檢索時間：2023 年2 月15 日），總體頻率最高的關(guān)鍵詞在2011 年之前幾乎沒有出現(xiàn)，但在2011 年之后出現(xiàn)了顯著增長，甚至出現(xiàn)了關(guān)鍵詞和文獻數(shù)量在量級上的激增；特別是近3 年出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞分別是“木炭”“土壤”和“土壤污染物”（圖1）。

圖1 生物炭與微生物領(lǐng)域不同年限關(guān)鍵詞趨勢圖Figure 1 Trend diagram of keywords in the fields of biochar and microorganism with different years

通過對現(xiàn)有文獻的總結(jié)我們發(fā)現(xiàn)，生物炭-微生物間的交互作用在土壤污染修復(fù)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其中涉及的因素與機制復(fù)雜多樣，且還存在一些未知和未盡的領(lǐng)域。例如，目前研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以通過影響土壤聚集、pH、養(yǎng)分保持等方面來改變微生物群落結(jié)構(gòu)；也可以利用其多孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供一個良好的生存環(huán)境，使其相對遠離外界污染；還可以利用自身的一些元素為微生物生長提供有機或無機營養(yǎng)[12]。雖然這些研究結(jié)果表明生物炭-微生物復(fù)合材料在污染土壤修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但針對不同污染物，特別是一些復(fù)合污染場景，如何制備和選擇適合的生物炭材料、利用特定微生物或調(diào)控微生物群落等都缺乏系統(tǒng)的梳理和總結(jié)。因此，本文針對生物炭-微生物交互作用中的關(guān)鍵要素和應(yīng)用，從生物炭對土壤微生物生長和土壤性質(zhì)的影響、生物炭對微生物的潛在毒性以及生物炭介導(dǎo)的微生物污染土壤修復(fù)應(yīng)用等方面進行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)。力求歸納出目前污染土壤修復(fù)中生物炭-微生物的交互作用機制，發(fā)掘現(xiàn)有研究技術(shù)的不足，指出目前研究難點和未來研究方向。

1 生物炭對微生物的作用

生物炭作為一種新型土壤改良劑，其應(yīng)用能夠影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，促進相關(guān)微生物的生長和活性（圖2）[13]。

圖2 生物炭對土壤微生物的作用Figure 2 Effects of biochar on soil microorganisms

1.1 提供額外生存環(huán)境

研究表明，大多數(shù)土壤微生物的直徑小于生物炭的平均孔徑（>50 nm）[14]。因此，生物炭在熱解過程中由于揮發(fā)物的流失所造成的粗糙表面和多孔結(jié)構(gòu)，成為了微生物在土壤中附著和繁殖的額外場所。生物炭的大孔隙會影響土壤的通氣性和保水性，而生物炭的小孔隙則有利于營養(yǎng)分子的運輸，從而有助于微生物的生存與生長。研究顯示：細菌也可以直接附著在生物炭內(nèi)部，以避免土壤污染物對其的毒害，同時增加了細菌豐度，但生物炭對土壤真菌的豐度沒有顯著影響，這可能是由于真菌菌絲的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其流動性減弱[15]。未經(jīng)生物炭保護而直接接觸污染物的微生物細胞會出現(xiàn)收縮或破裂。因此，生物炭可以作為一種優(yōu)良的載體或屏障來維持微生物的活力，進而提高土壤污染物的去除效率。在重金屬污染土壤中添加生物炭能夠通過吸附作用降低重金屬的毒性，促進重金屬沉淀，形成金屬-有機配合物[16]。在多環(huán)芳烴污染土壤中，微生物在生物炭表面和孔隙內(nèi)部的定殖具有空間異質(zhì)性。一方面，由于生物炭對土壤礦物質(zhì)和有機化合物的吸附，導(dǎo)致生物炭-土壤界面的孔隙被堵塞；另一方面，微生物定殖的稀缺性是由于生物炭中高濃度的礦物鹽和多環(huán)芳烴對微生物的威脅所導(dǎo)致[15]。此外，真菌菌絲可以穿過生物炭的孔隙，這證實了生物炭可以作為真菌的生存環(huán)境[15]。在老化過程中，菌絲和單細胞微生物能夠成功地完成對生物炭表面和孔隙的定殖，說明微生物定殖的時間異質(zhì)性。由于老化生物炭所釋放的污染物更少，其創(chuàng)造的環(huán)境更有助于細菌和真菌的生長和繁殖，因此，微生物在生物炭中的定殖也受生物炭老化程度的影響。

1.2 提供營養(yǎng)物質(zhì)

生物炭能促進微生物群落的生長，其原因是生物炭可以為微生物提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)。生物炭提供的可溶性有機物和無機物在其生長過程中被微生物分解和吸收，從而引起微生物群落結(jié)構(gòu)的明顯變化，促進微生物群落的增殖。生物炭原料包括含有大量礦物質(zhì)的木材、秸稈、堆肥和農(nóng)業(yè)廢棄物等，這些礦物質(zhì)在熱解后仍存在于生物炭中。C、N、S、P 和K 分別在100、200、375、700~800 ℃時開始轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這些營養(yǎng)物質(zhì)會緩慢擴散到土壤中并被微生物利用。因此具有一定灰分的生物炭可以作為生物促進劑，通過增加微生物豐度來達到修復(fù)污染土壤的目的[17]。施用生物炭可以顯著提高土壤營養(yǎng)元素的比例并改善土壤性質(zhì)，如土壤鉀含量增長了671.43%。生物炭中存在著可被微生物利用的碳，如可為土壤微生物提供養(yǎng)分的溶解性有機碳（DOC）。生物炭作為肥料，其營養(yǎng)物質(zhì)釋放緩慢，但能夠給微生物帶來持久的好處。生物炭的原料會影響DOC 的組成，原料選擇的不同導(dǎo)致了生物炭中DOC 的多樣性。研究發(fā)現(xiàn)，大豆秸稈生物炭中的DOC 含量（53.8 mg·L-1）高于其他原料生物炭[如污水污泥（17.6 mg·L-1）、花生（21.2 mg·L-1）和稻草（49.7 mg·L-1）]，更有利于微生物生長[18]。此外，生物炭中DOC 的含量也受熱解溫度的影響。一般來說，高溫?zé)峤馍a(chǎn)過程中產(chǎn)生的生物炭芳構(gòu)化和冷凝反應(yīng)會降低其DOC 含量。熱解溫度較低的生物炭用于土壤改良時，其炭化程度較低，DOC 含量較高，有利于微生物生長。例如，與450 ℃和550 ℃熱解的生物炭相比，350 ℃熱解的生物炭在結(jié)構(gòu)中含有更多的DOC，可以為土壤微生物提供更充足的養(yǎng)分，促進其生長；同時白菖醇、十六烷酸和十六烷等存在于生物炭表面的可溶性有機成分具有抗菌活性，能夠直接影響微生物豐度[19]。

生物炭具有豐富的官能團，通過吸附養(yǎng)分陽離子和無機陰離子為微生物提供養(yǎng)分儲備。熱解溫度、原料選擇等條件也會對生物炭表面官能團產(chǎn)生影響，從而影響生物炭的CEC，進而影響其養(yǎng)分供給能力。有研究顯示：生物炭CEC 在低溫和中溫時達到最大值，然后隨溫度升高而降低。Huff 等[20]研究了以松木為原料，在300、400 ℃和500 ℃不同熱解溫度下制備的生物炭，其CEC 分別為13.47、8.99 mmol·kg-1和5.79 mmol·kg-1。分析CEC 下降原因可能是因為芳香碳氧化和生物炭官能團還原的結(jié)果。也有一些研究呈現(xiàn)相反的結(jié)果，即生物炭CEC 隨著熱解溫度的升高而升高，例如以狗牙根（Cynodon dactylon L.）為原料，在400、600 ℃和800 ℃不同熱解溫度下制備的生物炭，其CEC 分 別 為51.2、71.4 cmol·kg-1和94.8 cmol·kg-1[21]。同時，不同原料制備的生物炭的CEC 也有所不同，雖然它們的表面官能團分布相似，但脂肪族COOH、C—O 和C—H 基團數(shù)量差異較大，從而導(dǎo)致CEC 不同，影響?zhàn)B分供給能力。此外，生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，可以吸附土壤養(yǎng)分供給微生物，并富含更多的氧氣和空氣含量，從而刺激土壤有機質(zhì)分解[22]。

1.3 改善原有棲息地

土壤是絕大多數(shù)微生物的主要棲息地，能夠為微生物提供碳源和氮源等生存要素。生物炭與土壤物質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用使其成為一種可用于改善土壤結(jié)構(gòu)并促進微生物活性的“土壤-微生物黏合劑”。多孔生物炭通過改變生物炭與土壤顆粒之間的間隙，增加土壤孔隙度，從而使微生物有更多的活動空間[22]。生物炭還可以通過促進土壤聚集來提高土壤碳的儲存和穩(wěn)定性，為微生物提供更充分的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，生物炭的添加可以增加土壤pH值，從而有助于增加微生物群落多樣性。根據(jù)不同原料和熱解條件制備的生物炭具有不同的CEC，因此不同CEC的生物炭對土壤CEC 的改善程度也會有所不同[23]。生物炭改性可以增強土壤酶活性，從而提高土壤質(zhì)量和養(yǎng)分有效性[24]。因此，在土壤中添加生物炭可以調(diào)節(jié)土壤性質(zhì)，以獲得更有利于微生物生存的環(huán)境，從而影響微生物活性和群落結(jié)構(gòu)。生物炭對原有棲息地土壤性質(zhì)的改善將從土壤團聚性、pH、CEC 和土壤酶活性四個方面進行討論。

1.3.1 改善土壤團聚性

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成部分，在提高土壤有機碳（SOC）方面發(fā)揮著重要作用。生物炭可以促進植物根系的生長，從而有助于形成利于土壤穩(wěn)定的土壤團聚體，而土壤團聚體的形成，提高了土壤團聚度和有機質(zhì)含量，進而促進了微生物的生長。微生物群落對土壤聚集至關(guān)重要，生物炭改良劑加強了土壤團聚體與微生物之間的聯(lián)系[25]。研究表明，添加生物炭會促進土壤團聚體數(shù)量隨有機碳含量和微生物活性的增加而增加。雖然土壤中作為改良劑的生物炭可以在不同程度上提高土壤團聚性，然而土壤團聚性的具體變化仍然高度依賴于原料、熱解溫度和生物炭用量等具體條件[26]。

具有不同化學(xué)成分的生物炭原料是影響土壤聚集的重要屬性。研究表明，使用牛糞生物炭改良砂壤土可以促進大團聚體的形成，這是因為高碳氮比生物炭有利于真菌的生長，且較高的微生物活性能促進形成大團聚體的黏合劑，從而提高團聚體聚合的穩(wěn)定性[27]。生物炭在不同熱解溫度下釋放的某些單價離子對土壤團聚的影響不同（如與350 ℃相比，650 ℃熱解溫度下生產(chǎn)的禽糞生物炭顯著提高了土壤Na+吸附比，從而減少了砂壤土中團聚體的形成）。與高溫（>600 ℃）制備的生物炭相比，低溫（<300 ℃）制備的生物炭更有利于土壤團聚體的產(chǎn)生和穩(wěn)定，這是由于生物炭與土壤礦物質(zhì)或微生物之間的強烈相互作用所導(dǎo)致的，表現(xiàn)為H/C、O/C比和土壤微生物量碳的增加[27]。土壤團聚體的穩(wěn)定性和有機碳含量也會受到生物炭施用量的影響。隨著生物炭量的增加，土壤小團聚體含量先增加后減少，而大團聚體含量無明顯變化。研究表明，使用生物炭改良土壤后，土壤大團聚體組分?jǐn)?shù)量增加，土壤團聚體穩(wěn)定性顯著提高。與微團聚體相比，大團聚體和小團聚體的有機碳含量在生物炭的影響下明顯增加。因此，可以通過提高土壤團聚體的穩(wěn)定性和SOC含量改善土壤結(jié)構(gòu)，為微生物的生長創(chuàng)造良好的生存條件[28]。

1.3.2 增加土壤pH值

大量研究表明，土壤pH值對微生物群落的數(shù)量、種類和活性有明顯影響。在大多數(shù)情況下，生物炭存在堿性灰分、碳酸鹽以及熱解過程中產(chǎn)生的可交換堿性陽離子，因此呈堿性，將其添加至土壤中可以有效提高土壤pH 值[29]。研究表明，生物炭的加入可使酸性土壤pH值升高，改善土壤的酸堿度，為微生物生長提供適宜的pH 條件[30]。生物炭引起的土壤pH 值升高程度一般隨熱解溫度升高而升高，這是由于酸性官能團和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）數(shù)量減少，碳酸鹽和堿性灰分含量增加。此外，由于生物炭的結(jié)構(gòu)包括帶負(fù)電荷的苯酚和羥基，可以與土壤溶液中的H+離子結(jié)合，引起土壤pH 值升高，修正酸性土壤，避免土壤再酸化[30]。因此，土壤pH 值可以快速指示生物炭改良后土壤的化學(xué)狀態(tài)。在酸性土壤中施用堿性生物炭，適度提高土壤pH值，可導(dǎo)致重金屬變得不易溶解和遷移，進而降低其對土壤微生物的影響和生物有效性。El-Naggar 等[31]研究表明，生物炭改良后土壤pH 值升高，可加速Cd 與生物炭表面的氫氧化物基團絡(luò)合或沉淀，使其生物有效性降低。土壤pH 值的升高也有利于重金屬從可交換態(tài)（EX）和碳酸鹽結(jié)合態(tài)（CB）轉(zhuǎn)化為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（OX）、有機物質(zhì)結(jié)合態(tài)（OM）和殘余態(tài)（RS），這意味著重金屬從不穩(wěn)定組分向難降解組分的轉(zhuǎn)變。例如，Qu 等[32]表明，中性土壤中添加硫鐵功能生物炭（BC-Fe-S）可使土壤環(huán)境呈堿性，有助于金屬陽離子與帶負(fù)電荷的BC-Fe-S結(jié)合，形成RS 組分等穩(wěn)定絡(luò)合物，有效去除重金屬Pb和Cd。細菌和真菌對土壤pH 值的變化反應(yīng)不同，細菌對pH 值的耐受范圍通常比真菌更窄。因此，微小的pH 值變化可能會對細菌產(chǎn)生更大的影響，從而影響整個微生物群落。在柑橘生產(chǎn)中使用生物炭改良劑會改變土壤中的優(yōu)勢菌群，即從變形菌門（Pro?teobacteria）轉(zhuǎn)變?yōu)樗釛U菌門（Acidobacteria）和綠弧菌門（Chloroflexi）[33]。此外，在非中性土壤pH 條件下能夠產(chǎn)生N2O 的細菌豐度顯著低于近中性pH 條件下的細菌豐度，而在酸性條件下真菌的豐度增加[34]。

1.3.3 提高土壤CEC

土壤CEC 是土壤的基本理化性質(zhì)之一，表明土壤能夠保留可交換性陽離子（K+、Ca2+、Mg2+）的能力[35]。CEC 對土壤中養(yǎng)分和污染物的有效性、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤肥力和土壤緩沖能力具有重要影響。通過使用特殊CEC 的生物炭改良劑，可以顯著提高土壤CEC，有助于養(yǎng)分保留和減少淋濾作用。研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭會增加土壤CEC，其效果取決于生物炭本身的CEC（表1）。例如，在350、450 ℃和750 ℃下熱解的甘蔗渣生物炭的CEC 分別為4.6、1.8 mmol·kg-1和1.3 mmol·kg-1。上述生物炭的添加導(dǎo)致土壤CEC 從16.0 mmol·kg-1分別變?yōu)?8.5、14.7 mmol·kg-1和13.1 mmol·kg-1，表明土壤CEC 受到生物炭CEC 的影響[36]。此外，pH 在3~7 之間時生物炭具有負(fù)的Zeta電位，并隨著pH 的增大而增大。生物炭通過酸性芳香碳氧化形成的官能團可以吸附土壤溶液中的H+，從而保持土壤中的堿性陽離子[35]。由此可見，生物炭改良酸性土壤能夠提高土壤pH 值，增強K+、Ca2+和Mg2+的保存能力，通過減少與H+競爭的堿性陽離子淋濾來提高土壤CEC。

表1 生物炭對土壤CEC的影響Table 1 Influence of biochar on soil CEC

1.3.4 增強土壤酶活性

土壤中的酶活性在土壤生化反應(yīng)、養(yǎng)分釋放和儲存、土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等方面起著關(guān)鍵作用。與其他土壤變量相比，土壤酶活性對外來土壤干擾和微生物量碳（MBC）反應(yīng)敏感，因此，常被作為土壤質(zhì)量和表征微生物變化的指標(biāo)。生物炭的應(yīng)用提高了MBC 和土壤酶活性，如脲酶、堿性磷酸酶和脫氫酶，而不會對水解酶和氧化酶等酶的活性產(chǎn)生負(fù)面影響，表明其具有改善土壤條件以增強土壤微生物活性的能力[24]。Zhang 等[24]研究表明，施用生物炭可以通過其豐富的N、P 含量，降低了鹽漬土的pH 值，堿性磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶等酶活性，從而改善土壤質(zhì)量。

生物炭改良土壤中酶活性的變化取決于底物和酶與生物炭的相互作用：（1）生物炭對底物或酶的吸附影響底物與酶的接觸；（2）生物炭對土壤性質(zhì)的改變化會影響酶活性[41]；（3）生物炭釋放的小分子可以作為特定酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑。不同孔隙度和比表面積的生物炭也對酶活性具有影響。生物炭的孔隙率和比表面積越高，其附著的官能團越容易吸附底物或酶，從而阻止底物和酶的直接接觸。此外，生物炭的類型也會影響土壤酶活性[42]。例如，將三種由不同原料（黑松、禽肉屑和肉牛糞便）制成的生物炭添加到土壤中時，糞便生物炭改良的土壤中酯酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖胺酶的酶活性最高[43-44]。

2 生物炭對微生物的潛在毒性

從制備生物炭的有機溶劑或水溶液中可以提取到某些被稱為微生物抑制劑的化合物，主要包括苯（木炭熱解的主要產(chǎn)物）、甲氧基酚和酚（半纖維素和木質(zhì)素的熱解產(chǎn)物）、羧酸、酮、呋喃[通常為生物炭上吸附的揮發(fā)性有機物（VOCs）]和多環(huán)芳烴（PAHs）[45]。具體來講，生物炭的有機溶劑提取物中含有正構(gòu)烷烴酸、羥基和乙酰氧基酸、苯甲酸、二醇、三醇和酚；而生物炭的水溶液提取物中含有二羧酸、芳香族有機酸和多元醇以及羥基酸、正構(gòu)烷烴和苯甲酸[46]。生物炭中的VOCs 隨原料類型、元素組成、熱解溫度以及加熱條件而變化[47]。研究表明較低溫度（300 ℃和400 ℃）下生產(chǎn)的生物炭中多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯（PCDD）和呋喃（DF）的濃度和對微生物的毒性高于高溫下生產(chǎn)的（>400 ℃），這是由于高分子量的多環(huán)芳烴更可能在生物質(zhì)高溫?zé)峤膺^程中形成，且比低分子化合物毒性更大[47]。土壤微生物活性對生物炭的不同響應(yīng)造成了生物炭上吸附的VOCs 種類組成的多樣性。盡管生物炭中的VOCs 可以作為某種微生物，如膠質(zhì)芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）的碳源[48]，但當(dāng)一些低分子量含氧VOCs（如酸、醇和羰基化合物）濃度過高時，它們可能會對微生物產(chǎn)生潛在毒性（圖3）[47]。VOCs作為一種微生物抑制劑還可能對某些土壤病原微生物產(chǎn)生直接毒性，從而有利于植物生長[46]。然而，這種抑制作用可能并不是針對某種特定的病原菌，而是對整個土壤微生物群落產(chǎn)生影響，其中涉及的劑量-效應(yīng)關(guān)系以及特定菌群的變化均需要進行系統(tǒng)且深入的研究，以便全面評估生物炭應(yīng)用的環(huán)境效益和生態(tài)風(fēng)險。

圖3 生物炭對微生物的潛在毒性Figure 3 Potential toxicity of biochars to microorganisms

生物炭在高溫?zé)峤膺^程中會產(chǎn)生持久性自由基（PFRs），包括半醌（—C6H6O2）、苯氧基（—C6H5O）、環(huán)戊二烯基（—C5H6）和酚類等，這些物質(zhì)對微生物也能產(chǎn)生毒性[49-50]。PFRs 可在微生物細胞中誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低細胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）的水平，并隨著活性氧自由基（ROS）[如羥基自由基（·OH）、超氧陰離子自由基和過氧化氫（H2O2）等]的產(chǎn)生而降低細胞膜完整性[51]。PFRs 也會干擾細胞色素P450（如CYP1A2，一種普遍存在的催化內(nèi)源性和外源化合物的混合功能氧化酶），并競爭性地抑制外源有機底物的代謝[52]。半醌自由基（·QH）是在燃燒產(chǎn)生的超細顆粒中發(fā)現(xiàn)的一種自由基，它可以還原成超氧化物，形成H2O2，其可以在Fe2+和Cu2+等過渡金屬離子的存在下發(fā)生芬頓（Fenton）反應(yīng)。Fenton 反應(yīng)中產(chǎn)生的·OH 能夠引起DNA 鏈斷裂，從而導(dǎo)致DNA 損傷。另一方面，生物炭中的PFRs 對有機污染物的降解具有一定的積極影響。生物炭中的PFRs與O2反應(yīng)以產(chǎn)生·OH；也可以活化H2O2或過硫酸鹽分別產(chǎn)生·OH或硫酸根自由基[53-55]。這些自由基可以有效降解2-氯聯(lián)苯（2-CB）、多氯聯(lián)苯（PCBs）和鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）等有機污染物。因此，生物炭自由基對土壤微生物的潛在毒性與其對有機污染物的有效降解是生物炭環(huán)境影響評估中需要重點考慮的兩個方面。

3 生物炭介導(dǎo)的微生物土壤污染修復(fù)應(yīng)用

生物炭介導(dǎo)的微生物修復(fù)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于無機（如重金屬）和有機（如抗生素、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴）污染土壤修復(fù)中[56-57]。大量研究顯示：負(fù)載于生物炭上的微生物固定化方法可以顯著提高重金屬、類金屬、苯、多環(huán)芳烴、石油烴和抗生素等污染物的去除效率[58-61]。生物炭通過為微生物提供保護性棲息地，并將污染物吸附到表面，而特定的微生物可以針對性降解污染物，從而實現(xiàn)有效的污染修復(fù)目標(biāo)[62]。表2 總結(jié)了不同生物炭材料介導(dǎo)的特定微生物去除/生物降解不同污染物的條件、效率及其相關(guān)機制，從中不難發(fā)現(xiàn)這種修復(fù)方法的應(yīng)用前景越來越受到關(guān)注。

表2 通過生物炭-微生物交互作用去除和降解污染物Table 2 Removal and biodegradation of contaminants through biochar-microbe interactions

3.1 影響生物炭介導(dǎo)的微生物污染修復(fù)因素

生物炭具有粗糙的表面、良好的自由能、表面電荷和疏水性，因此環(huán)境介質(zhì)中的微生物能夠附著在生物炭上[71]。微生物能夠與生物炭表面的疏水非極性表面相互作用，并通過形成生物膜滲透至生物炭內(nèi)部，產(chǎn)生胞外聚合物，形成微生物群落結(jié)構(gòu)[72]（圖4）。生物炭中含有的有效碳底物大量轉(zhuǎn)移與流動液體相結(jié)合能夠調(diào)節(jié)生物膜的生長和微生物增殖，這有助于打開生物炭堵塞的孔隙，并通過降低碳材料的表面能促進微生物定殖[74]。隨著時間的推移，生物炭的風(fēng)化作用和部分微生物的分解可以為微生物的定殖提供營養(yǎng)來源和棲息地。納米生物炭顆粒由于其高比表面積和表面功能性，有助于增強微生物的定殖效果[75]。干旱條件下生物炭的保濕特性能夠提高某些降解污染物的微生物存活率[76]。因此，生物炭可以通過提供營養(yǎng)物質(zhì)和作為生物膜支撐物直接改善微生物群落結(jié)構(gòu)，也可以通過緩解周圍的惡劣環(huán)境間接影響微生物種類。生物炭生產(chǎn)過程中形成的新有機物質(zhì)也可能影響特定微生物的定殖[77]。例如，發(fā)現(xiàn)生物炭中VOCs 的存在會通過影響氨氧化細菌來改變土壤硝化過程[78]。此外，老化生物炭由于其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的顯著改變，也會加強微生物的定殖[79]。

圖4 生物炭-微生物復(fù)合物形成和有機污染物去除的各種機制的示意圖[73]Figure 4 Schematic diagram showing various mechanisms of biochar-microorganism complex formation and organic contaminant removal[73]

生物炭和酶之間的弱范德華力可能導(dǎo)致酶的解吸/浸出，從而限制了催化電子轉(zhuǎn)移過程對有機污染物的生物修復(fù)[80]。相反，通過交聯(lián)或反應(yīng)基團（如檸檬酸/戊二醛/甲醇）的參與將酶固定在生物炭上有助于對硝基苯酚、棕櫚酸酯和雙氯芬酸的水解和降解[81]。五氯酚的脫氯和脫氫酶活性的增強與微生物細胞外電子轉(zhuǎn)移過程有關(guān)[82]。微生物群落的建立和酶反應(yīng)也可能受生物炭的自由基控制。由C—C 和C—O鍵斷裂的自由基可能對某些微生物誘導(dǎo)的外聚糖酶、幾丁質(zhì)酶、磷酸酶和氨基肽酶的活性產(chǎn)生毒性[77]。隨著熱解溫度的升高（>400 ℃）和時間增加（120~150 min），生物炭中自由基的生成速率將增加，啟動電子轉(zhuǎn)移過程，從而促進卡馬西平和氯聯(lián)苯等有機污染物的還原性去除[83]。Luo等[84]的研究表明生物炭自由基對污染物降解的重要性，生物炭相關(guān)的氧化還原反應(yīng)包括生物炭自由基的直接電子供給和其引起的電子源到污染物的間接電子介導(dǎo)。作為電子媒介，生物炭自由基可以接受來自電子源的電子，并將其轉(zhuǎn)移到污染物中，通過改善污染物和微生物之間的電子傳遞，增強污染物的生物降解。Guo 等[85]研究表明生物炭固定化微生物群落對菲、氯氰菊酯等石油烴類具有較高的降解率（>70%）。無色桿菌（Achromo?bacter sp.）、曲霉菌（Aspergillus sp.）、微細菌（Microbac?terium sp.）、青霉菌（Penicillium sp.）、節(jié)桿菌（Arthro?bacter sp.），芽孢桿菌（Bacillus sp.）和潘多拉菌（Pan?doraea sp.）在難降解工業(yè)污染物和雙酚F的礦化和消解中具有重要作用，其中涉及脲酶、過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和酸/堿性磷酸酶等[77]。Wang 等[86]研究表明細菌群落在催化芳基有機磷酸酯、鄰苯二甲酸二辛酯、有機磷阻燃劑和過氯乙烯的酶生物修復(fù)中比真菌菌群具有更高的代謝潛力。同樣，通過共價鍵將漆酶固定在納米生物炭上，可使紡織染料的生物修復(fù)效率達到50%~70%。用環(huán)氧功能化二氧化硅激活生物炭固定化漆酶可促進酚類化合物的吸附和生物轉(zhuǎn)化[87]。將漆酶固定在納米生物炭上可使酶具有構(gòu)象穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，提高了酶的催化活性，從而增強了對污染物的去除能力[87]。生物炭固定化酶可以通過促進酶結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化來提高酶的催化活性和選擇性[88]。上述生物修復(fù)機制是生物炭表面固定化酶與生物炭的電子轉(zhuǎn)移屬性共同作用的結(jié)果，這一過程具備進一步研究和優(yōu)化的可能。

3.2 生物炭介導(dǎo)的微生物復(fù)合污染修復(fù)應(yīng)用

環(huán)境中通常會出現(xiàn)兩種或兩種以上污染物共存的情況，這可能會對微生物的污染物轉(zhuǎn)化能力產(chǎn)生多種影響。研究表明，生物炭固定化菌群通過強化生物轉(zhuǎn)化能力可以顯著提高環(huán)境中共存污染物的降解效率[89]。例如，在芘-Cr（Ⅵ）復(fù)合污染土壤中添加由藻酸鹽包裹的生物炭-細菌混合菌，可以降解芘的同時降低Cr（Ⅵ）的生物有效性，并增加土著微生物群落的多樣性和活性[90]。同樣，將PAHs 降解菌（Citrobac?ter sp.）固定在生物炭中，能夠通過生物炭的固定和生物轉(zhuǎn)化作用將有效Ni穩(wěn)定化，進而降低Ni的毒性，以提高PAHs 的降解率（圖5）。生物炭-細菌復(fù)合物的應(yīng)用增加了土壤微生物和土壤酶活性，并同時對土壤中Ni 和PAHs 這兩種污染物進行了聯(lián)合修復(fù)[91]。生物炭-微生物復(fù)合材料對復(fù)合污染物的降解效率在很大程度上受生物炭的礦物/養(yǎng)分含量、生物質(zhì)類型、污染物類型和濃度、微生物細胞固定化技術(shù)以及曝氣和含水量等條件的影響[92]。Liang 等[93]研究表明將菲降解菌固定在富鐵生物炭上增加了菲的生物轉(zhuǎn)化率，其中Fe2+和Fe3+共存就像電子穿梭劑一樣來回傳遞電子，促進了菲的降解。載體生物炭的礦物質(zhì)含量（Ca2+和Mg2+）通過保護細菌免受苯酚降解過程中產(chǎn)生的酸性中間體的影響，協(xié)同提高了香茅醇假單胞菌（Pseudomonas citronellosis）對苯酚的降解效率[91]。

共存污染物、生物炭和微生物之間的相互作用會影響生物炭-微生物復(fù)合材料的污染物降解效率[94]。在Cd 和As 復(fù)合污染土壤中應(yīng)用納米磁性生物炭固定化芽孢桿菌（Bacillus sp.），由于細菌和Fe2O3納米顆粒為Cd和As提供了新的吸附位點，其對Cd的去除效率比原始磁性生物炭提高了230%。吸附在生物炭上的As 為Cd 提供了額外的吸附位點，從而協(xié)同加速了Cd 的去除效率[61]。同樣，復(fù)合污染Fe、Al 和As 的存在也顯著提高了生物膜-生物炭復(fù)合物對環(huán)烷酸的降解效率[95]。當(dāng)Cr2O2-7濃度為1 mg·L-1和10 mg·L-1時，Cr2O2-7和PAHs的共存顯著降低了微生物群落對芘的降解；而加入生物炭后則顯著提高了芘的降解效率，分別提高了55%和30%[94]。相反，當(dāng)土壤中添加1 mg·kg-1Cd 時，生物炭固定化大腸桿菌（Escherichia sp.）對芘的生物降解效率下降[96]。生物炭對Cd 的高吸附親和力可能增加了Cd 對固定化細菌的毒性，從而減緩了芘的生物轉(zhuǎn)化[97]。因此，雖然生物炭固定化細菌的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成功，但開發(fā)符合復(fù)合污染去除需求的生物炭-微生物復(fù)合材料并探索其作用機制還需要深入研究。

4 結(jié)論與展望

近年來，生物炭介導(dǎo)的微生物污染土壤修復(fù)技術(shù)的崛起是生物炭應(yīng)用與微生物基礎(chǔ)理論有機結(jié)合的典范，在復(fù)合污染修復(fù)實踐中具有巨大的開發(fā)潛力。然而，關(guān)于生物炭對微生物的影響，還有一些其他問題需要考慮。因此，提出未來的研究方向建議：

（1）對生物炭進行適當(dāng)?shù)母男?。如球磨、微波熱解和金屬?fù)載等，可有效改善生物炭的相關(guān)性能。因此需要選擇合適的改性方法，充分利用生物炭作為微生物載體和電子介質(zhì)的特性，促進污染物的微生物降解。

（2）在土壤生物修復(fù)過程中，是將負(fù)載在生物炭上的特定微生物添加到土壤中，還是通過生物炭的添加來影響土著關(guān)鍵微生物物種的選擇和增殖，從而達到最佳的處理效果和經(jīng)濟效益，這方面還需要深入探討和系統(tǒng)總結(jié)。

（3）利用生物炭介導(dǎo)的微生物對復(fù)合污染進行修復(fù)是未來研究的一個重要領(lǐng)域。生物炭利用自身結(jié)構(gòu)對污染物吸附并將其固定，再通過引入的特定微生物對其進行去除和生物降解是該技術(shù)的核心策略，但目前大多數(shù)相關(guān)研究還局限于實驗室規(guī)模，中試和場地應(yīng)用亟需開展和評估。

（4）土壤是微生物的“重要大本營”，特別是復(fù)合污染土壤天然存在一些抗性微生物，通過一些微生物學(xué)技術(shù)將其與生物炭有效結(jié)合，可以極大提高復(fù)合污染的修復(fù)效率。

（5）納米和膠體生物炭相對原始生物炭具有更高的比表面積、孔體積，更大數(shù)量的芳香族表面官能團，以及對污染物更強的吸附能力，但其在實際環(huán)境中的應(yīng)用，特別是與微生物聯(lián)合修復(fù)污染土壤的研究還有待加強。

（6）土壤微生物宏基因組學(xué)的發(fā)展無疑將是揭示隱藏維度的生物炭-微生物相互作用機制的關(guān)鍵技術(shù)，這些相互作用機制是通過生物炭特性與微生物功能協(xié)同呈現(xiàn)出來的，探明其在土壤修復(fù)中的非均質(zhì)效應(yīng)機理需要多學(xué)科、多角度、多手段的綜合運用。