“有土斯有人，萬物土中生”。土壤是“地球的皮膚”，是“生命之基、萬物之母”。健康乾淨的土壤才能種出安全的農產品，才能為人類提供安全的居住環境。但健康的土壤也會因為受到汙染而“生病”，據2014年全國土壤汙染狀況調查公報顯示，我國土壤汙染現狀總體不容樂觀，其中，鎘、銅等重金屬汙染土壤點位超標率分別為7.0%和2.1%，分別排在土壤無機汙染物點位超標率的第一和第四位。
土壤受了汙染，就像人類生病一樣，需要經過治療修復才能恢復健康。國務院《土壤汙染防治行動計劃》中明確指出，要開展土壤汙染治理與修復，改善區域土壤環境質量；推進土壤汙染診斷、風險管控、治理與修復等共性關鍵技術研究，研發先進適用裝備和高效低成本功能材料。
對於重金屬汙染的農田土壤，常見的修復技術包括鈍化/穩定化修復技術。鈍化修復技術具有經濟、高效、穩定、易操作等優點，特別適用於我國面廣量大的重金屬汙染農田土壤的修復治理。當前，用於農田土壤重金屬汙染鈍化修復的常見鈍化劑主要是一些環境友好型材料，包括：黏土礦物、磷基材料、鈣基材料、鐵基材料、有機物料，以及近年來備受關注的生物質炭材料和對重金屬具有耐受、吸附和轉化功能的微生物等。
生物質炭是由生物殘體在缺氧的情況下，經高溫慢熱解產生的一類難溶、穩定、高度芳香化、富含碳素的固態物質。生物質炭的製備原料來源廣泛，主要有農林業廢棄物、工業和城市生活中產生的有機廢棄物等。生物質炭因具有疏鬆多孔的結構，比表面積大，表面帶有大量負電荷，並且富含多種活性基團，是一種良好的重金屬吸附材料。同時，生物質炭還是微生物良好的載體。生物質炭可為微生物提供更多的孔隙結構空間，也可為微生物的增殖提供C、N、P、K等營養元素。將生物質炭與對土壤重金屬具有吸附、鈍化功能的微生物相結合，研製重金屬汙染土壤的生物質炭負載微生物修復菌劑（生物質炭菌劑），可發展一種新的重金屬汙染土壤綠色可持續修復功能材料。
中國科學院煙臺海岸帶研究所海岸帶土壤和沉積物環境風險與生態修復團隊通過長期試驗，以玉米秸稈型生物質炭和重金屬鎘、銅耐性細菌——假單胞菌屬Pseudomonassp. NT-2菌株為材料，採用重金屬形態的連續提取法和植物、微生物及人體等多受體生物有效性分析，並結合土壤酶活性分析和基於16S rRNA基因的高通量測序分析，系統闡明瞭不同劑量的生物質炭菌劑對鎘銅複合汙染土壤的穩定化修復效果與作用機制。
研究結果表明，生物質炭菌劑的添加顯著提高了土壤中殘渣態鎘和銅的比例，而降低了交換態鎘和碳酸鹽結合態銅的比例。DTPA絡合提取態和UBM胃腸提取液模擬試驗結果表明，生物質炭菌劑的添加顯著降低了土壤中鎘和銅的植物有效性和人體生物可給性，同時提高了重金屬汙染土壤中脲酶和脫氫酶的活性。與單一施加生物質炭相比，生物質炭菌劑的添加還可提高土壤中重金屬鎘和銅的耐性功能微生物假單胞菌屬（Pseudomonassp.）的丰度，並顯著改善土壤微生物群落結構。與單一施用生物質炭及施用低劑量（1%）生物質炭菌劑相比，施用5%的生物質炭菌劑可顯著降低土壤中重金屬鎘和銅的活性和生物可利用性，明顯改善土壤環境質量。這些研究成果可為發展重金屬汙染土壤的綠色可持續修復技術提供功能材料和理論依據。
相關研究成果發表在國際環境科學著名期刊Environment International上，上述研究工作受國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目資助。
圖：生物質炭負載微生物菌劑的掃描電子顯微鏡照片
（a）玉米秸稈生物炭；（b）鎘銅耐性細菌NT-2；（c）生物炭菌劑
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105576.
作者：塗晨、劉穎、駱永明
來源：中國科學院煙臺海岸帶研究所
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