第一作者：郑雪梅（湖南大学）
通讯作者：徐卫华（湖南大学）
论文
DOI
：
10.1016/j.jhazmat.2022.129557
近日，湖南大学徐卫华老师课题组在
Journal of Hazardous
Materials
上发表了题为
“
The effects of biochar and its applications in the microbial remediation
of contaminated soil: A review
”
的综述文章。生物炭对土壤生物修复的改良，通过改善土壤条件，影响土壤微生物群落，实现生物炭与微生物的共同作用，促进污染物的去除。本文综述了生物炭对微生物的积极作用，包括作为微生物的庇护所、提供营养物质和改善土壤条件
(
土壤聚集度、
pH
值、阳离子交换容量
(CEC)
和酶活性
)
。这些影响将促进微生物丰度、活性和群落结构的变化。生物炭在微生物降解、转化污染物过程中可以作为电子媒介促进电子传递。但生物炭携带的有毒物质对微生物群落的威胁也不容忽视。通过本文的综述，我们可以更好地了解生物炭在土壤生物修复中的作用，这将有助于我们在实际应用中有针对性地选择和改性生物炭，达到预期的目的。
调查显示，工业污染和过度使用农用化学品使铬
(Cr)
、砷
(As)
、铅
(Pb)
等多种重金属以及抗生素、有机卤化物、多环芳烃
(PAHs)
等有机污染物进入土壤，危害人类健康。由于土壤微生物具有体积小、繁殖快、代谢强、适应性强等优点，在重金属、有机污染物等土壤污染物的修复中显示出良好的应用前景。因此，能够安全、高效地去除土壤污染物的微生物修复技术引起了众多研究者的关注。然而，与其他传统修复方法相比，微生物修复相对缓慢。由于生物炭在土壤性质改善和增加微生物活性方面的突出表现，其有望在土壤中应用，以提高土壤微生物修复的速度。近几十年来，生物炭的研究重点集中在其结构特性、改善土壤性质的功能以及对土壤污染物的吸附等方面。本文从改善土壤性质和生物炭氧化还原特性等方面介绍了生物炭对土壤微生物修复的影响，并介绍了生物炭在土壤微生物修复中的相关应用。本文加深了对生物炭在土壤微生物修复中的具体作用的认识，有助于选择具有相应特性的生物炭有效促进土壤微生物修复。
生物炭作为一种新型的土壤改良剂，可以影响土壤微生物群落结构，促进相关微生物的生长，提高相关微生物的活性。生物炭对微生物的具体影响可以简单地分为以下几类：
(1)
生物炭具有多孔结构和高表面积，是土壤微生物的避难所；
(2)
生物炭为土壤微生物提供碳源、氮源等营养物质；
(3)
生物炭改变土壤团聚度、
pH
值、
CEC
和酶活性，改善土壤微生物的生存条件。
图
1. (a, b) Ultisol
土壤中
9
种作物秸秆生物炭孵育后
pH
值的变化。
(c-f)
盐碱地中酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶的活性。
由于生物炭功能特性接近土壤氧化还原活性有机质，其可以作为氧化还原介质，促进微生物电子穿梭。生物炭的氧化还原特性使其可以作为一个
“
地球电池
”
，接受和捐赠电子，并作为一个
“
地球导体
”
转移电子。生物炭的电子转移能力与其氧化还原官能团、石墨结构和氧化还原活性金属的存在有关。生物炭介导的微生物胞外电子传递在许多关键的生物地球化学过程中具有重要意义。
图
2. (a)
氧化还原介导反应中生物炭的氧化还原性质。
(b)
生物炭作为电子受体介导从细菌到生物炭的电子转移的机制。
(c)
生物炭作为地球电池和地球导体参与生物地球化学铁循环和甲烷生成。
生物炭修复和微生物修复在处理各种环境污染物方面都显示出巨大的潜力。低成本、易得、相对稳定的生物炭具有多孔结构、高比表面积、丰富的官能团等特点，在污染物去除方面表现出优良的吸附性能和氧化还原活性。与典型的物理或化学修复方法不同，生物修复既环保又经济。前人研究表明，一些微生物不仅对各种污染物表现出极大的耐受性，而且对污染物具有优良的生物吸附能力。然而，微生物细胞仍然容易受到环境干扰的影响，因而其对污染土壤的修复效果也在一定程度上有所降低。因此，研究生物炭与微生物的结合去除污染物，可以整合两种方法的优势，通过两者的相互作用提高处理效率。一些研究通过添加生物炭促进微生物降解，影响环境中原有微生物的活性。还有一些研究通过同时添加生物炭和特定微生物，提高处理效果。除了分别添加生物炭和微生物的应用外，一些研究人员还研究了生物炭等载体上的微生物固定化，以保护微生物细胞免受污染物的危害，维持微生物的活性和稳定性。综上所述，生物炭与微生物的联合应用在去除土壤中各种污染物方面显示出巨大的潜力。
图
3.
生物炭对土壤微生物修复中有机污染物和重金属的潜在去除机理。
但由于生物炭生产过程中原料和热解条件的选择，其内部存在的有害物质（如重金属、
PAHs
、挥发性有机化合物、多氯二苯并对二恶英、呋喃、环境持久性自由基）对土壤微生物的潜在风险不容忽视。因此，有必要关注生物炭在土壤修复中对微生物的负面影响。生物炭的选择需要从原料到热解条件的综合考虑，以最大限度地避免对微生物的毒性影响。
本文综述了生物炭在土壤微生物修复中的潜在机理和广泛应用。生物炭改良土壤不仅可以通过提供避难所和营养物质来影响微生物群落的丰度和活性，还可以改善土壤理化性质从而有利于微生物的生长。此外，生物炭优异的氧化还原特性通过加速电子转移促进了微生物的修复。生物炭可以作为负载菌种的优良载体，更好地促进污染的微生物修复过程。然而，关于生物炭对微生物的影响，还有一些其他的问题需要考虑。因此，建议今后的研究方向如下
:
(1)
在对土壤进行生物炭改良之前，应尽可能减少生物炭中存在的各类有害物质。因此，有必要对降低生物炭对微生物潜在风险的方法进行系统的研究和总结。
(2)
适当的球磨、微波热解、氧化还原活性金属预负载等改性方法可以有效提高生物炭的相应性能。因此，研究人员需要选择合适的改性方法，充分利用生物炭作为微生物载体的特性，促进微生物降解污染物。
(3)
在土壤微生物修复过程中，是将负载在生物炭上的关键微生物物种添加到土壤中，还是通过添加生物炭影响土壤关键微生物物种，以达到最佳的处理效果和经济效益，有待研究人员进一步探索。
(4)
现实环境中的土壤污染不是单一污染，而是多种污染物的共存。因此，研究人员可以选择或培养对共存污染物具有抗性的微生物，并将其与生物炭有效结合，以提高复合污染的处理效率。
(5)
土壤中的一些菌株，如硫酸盐还原菌和产甲烷菌也对生物炭的添加响应积极，会竞争用于微生物还原污染物的电子，抑制污染物的降解转化。因此，研究人员需要探索土壤生物炭改良过程中存在的抑制污染物降解的确切机制和能够最大限度利用生物炭作为电子媒介促进污染物降解转化的方法。
徐卫华：湖南大学环境科学与工程学院副教授，硕士生导师，美国莱斯大学（
Rice University
）访问学者（
2015.8-2016.7
），湖南省生态学会理事，先后担任
Chemical
Engineering Journal
、
Journal of Hazardous Materials
、
Science
of the Total Environment
等环境领域国际期刊审稿人。课题组主要研究方向为新型环境友好功能材料的研发与应用及其环境效应、水体与土壤重金属和有机污染修复理论与技术、环境污染生物修复技术。近年来，课题组主持、参与国家自然科学基金项目、教育部博士学科点专项科研基金项目、湖南省科技计划重点研发计划项目、湖南省自然科学基金青年人才培养联合基金项目、中央高校基本科研业务专项等国家级、省部级项目
10
余项。在
JCR
一区、二区国际高水平期刊上发表功能材料用于重金属和有机污染物降解转化、微生物修复重金属和有机物污染等方面的研究论文
40
余篇，研究成果受到国际国内关注和认可。
原文连接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129557
