“有土斯有人，万物土中生”。土壤是“地球的皮肤”，是“生命之基、万物之母”。健康乾净的土壤才能种出安全的农产品，才能为人类提供安全的居住环境。但健康的土壤也会因为受到污染而“生病”，据2014年全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤污染现状总体不容乐观，其中，镉、铜等重金属污染土壤点位超标率分别为7.0%和2.1%，分别排在土壤无机污染物点位超标率的第一和第四位。
土壤受了污染，就像人类生病一样，需要经过治疗修复才能恢复健康。国务院《土壤污染防治行动计划》中明确指出，要开展土壤污染治理与修复，改善区域土壤环境质量；推进土壤污染诊断、风险管控、治理与修复等共性关键技术研究，研发先进适用装备和高效低成本功能材料。
对于重金属污染的农田土壤，常见的修复技术包括钝化/稳定化修复技术。钝化修复技术具有经济、高效、稳定、易操作等优点，特别适用于我国面广量大的重金属污染农田土壤的修复治理。当前，用于农田土壤重金属污染钝化修复的常见钝化剂主要是一些环境友好型材料，包括：黏土矿物、磷基材料、钙基材料、铁基材料、有机物料，以及近年来备受关注的生物质炭材料和对重金属具有耐受、吸附和转化功能的微生物等。
生物质炭是由生物残体在缺氧的情况下，经高温慢热解产生的一类难溶、稳定、高度芳香化、富含碳素的固态物质。生物质炭的制备原料来源广泛，主要有农林业废弃物、工业和城市生活中产生的有机废弃物等。生物质炭因具有疏松多孔的结构，比表面积大，表面带有大量负电荷，并且富含多种活性基团，是一种良好的重金属吸附材料。同时，生物质炭还是微生物良好的载体。生物质炭可为微生物提供更多的孔隙结构空间，也可为微生物的增殖提供C、N、P、K等营养元素。将生物质炭与对土壤重金属具有吸附、钝化功能的微生物相结合，研制重金属污染土壤的生物质炭负载微生物修复菌剂（生物质炭菌剂），可发展一种新的重金属污染土壤绿色可持续修复功能材料。
中国科学院烟台海岸带研究所海岸带土壤和沉积物环境风险与生态修复团队通过长期试验，以玉米秸秆型生物质炭和重金属镉、铜耐性细菌——假单胞菌属Pseudomonassp. NT-2菌株为材料，采用重金属形态的连续提取法和植物、微生物及人体等多受体生物有效性分析，并结合土壤酶活性分析和基于16S rRNA基因的高通量测序分析，系统阐明了不同剂量的生物质炭菌剂对镉铜复合污染土壤的稳定化修复效果与作用机制。
研究结果表明，生物质炭菌剂的添加显著提高了土壤中残渣态镉和铜的比例，而降低了交换态镉和碳酸盐结合态铜的比例。DTPA络合提取态和UBM胃肠提取液模拟试验结果表明，生物质炭菌剂的添加显著降低了土壤中镉和铜的植物有效性和人体生物可给性，同时提高了重金属污染土壤中脲酶和脱氢酶的活性。与单一施加生物质炭相比，生物质炭菌剂的添加还可提高土壤中重金属镉和铜的耐性功能微生物假单胞菌属（Pseudomonassp.）的丰度，并显著改善土壤微生物群落结构。与单一施用生物质炭及施用低剂量（1%）生物质炭菌剂相比，施用5%的生物质炭菌剂可显著降低土壤中重金属镉和铜的活性和生物可利用性，明显改善土壤环境质量。这些研究成果可为发展重金属污染土壤的绿色可持续修复技术提供功能材料和理论依据。
相关研究成果发表在国际环境科学著名期刊Environment International上，上述研究工作受国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。
图：生物质炭负载微生物菌剂的扫描电子显微镜照片
（a）玉米秸秆生物炭；（b）镉铜耐性细菌NT-2；（c）生物炭菌剂
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105576.
作者：涂晨、刘颖、骆永明
来源：中国科学院烟台海岸带研究所
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