关于生物炭对解磷细菌解磷性能影响的研究

《Journal of Water Process Engineering》：Study on the effect of biochar on the phosphorus solubilization performance of phosphorus-solubilizing bacteria

玉米秸秆生物炭显著提升磷溶解菌的固着与活性，通过高比表面积（49.79 m2/g）和丰富官能团增强微生物吸附及磷酸酶分泌，促进磷释放。

　　

杨志宇|刘永冠|曹新源|奚月斌

山东省科学院齐鲁工业大学轻工系，绿色造纸与资源回收国家重点实验室，济南，250353，中国

摘要

盐碱土壤中磷的有效性较低，限制了作物生长，而单独使用解磷细菌也存在局限性。传统的多孔碳载体存在缺陷，而生物炭（BC）对解磷细菌具有“载体增强”作用。本研究设计了一系列分解磷的细菌制剂，以探讨生物炭对解磷细菌性能的影响。结果表明，所有生物炭样品都具有中空管状结构，有利于解磷细菌（PSB）的附着。当在无机磷培养基中培养时，接种了蛋白酶芽孢杆菌（Bacillus proteolyticus，简称BP）的玉米秸秆生物炭（YM）在第6天的可溶性磷释放量达到了1507.16 mg·L^?1。这种磷释放与碱性磷酸酶（ALP，第5天时活性为181.93 μmol·L^?1·h^?1）和酸性磷酸酶（ACP，第5天时活性为111.64 μmol·L^?1·h^?1）的峰值活性密切相关。同样，接种了BM的YM（BM-YM）在第4天的可溶性磷释放量为1018.51 mg·L^?1，ALP和ACP的活性分别在第4天和第6天达到峰值，这也与磷的释放量密切相关。这些发现表明YM能够显著增强BM和BP中的磷酸酶分泌。此外，YM对BM和BP的吸附能力也更强，分别为3.6 × 10¹² CFU·g^?1和3.79 × 10¹¹ CFU·g^?1。研究结果证实，YM是一种有效的PSB菌株载体材料，为提高磷的有效性提供了巨大的应用潜力。

引言

磷（P）是植物必需的大量营养元素；然而，在天然土壤中，磷主要以难溶性磷酸盐的形式存在，限制了其生物有效性和植物的吸收[1]。解磷细菌（PSB）是一种具有重大农业价值的微生物，它们通过分泌有机酸和磷酸酶等代谢物将难溶性磷酸盐转化为可利用的形式，从而促进作物生长[2]。然而，PSB在土壤中的定殖面临挑战，包括存活率低和代谢稳定性差，这严重限制了它们在田间的应用效果[3]。因此，开发能够保护PSB并促进其持续释放的高效载体材料是农业微生物学中的一个重要研究领域。

最近，生物炭（BC）作为一种环保材料，由于其在农业和环境应用中的多功能性而受到了广泛关注[4]、[5]。生物炭是一种富含碳的固体，由生物质在相对较低的温度（≤700°C）和缺氧条件下热解而成[6]、[7]。其独特的物理和化学性质，如高碳含量、多孔结构、丰富的表面官能团以及优异的稳定性，使其适用于碳封存、土壤改良和环境修复等领域。在农业中，生物炭可以改善土壤性质，提高水分和养分的保持能力，并通过调节土壤pH值和微生物群落来促进作物生产力[8]、[9]、[10]。具体来说，生物炭的多孔结构为PSB的定殖提供了理想的条件，而其表面官能团则有助于细菌代谢物的吸附和转化，从而提高磷的溶解效率[11]。

尽管具有这些优势，生物炭在实际应用中仍面临挑战。其性能可能不稳定，受原料类型、热解条件和施用率的影响[12]；此外，生物炭可能含有重金属和多环芳烃（PAHs）等微量污染物，如果使用不当，可能会造成二次污染风险[13]、[14]。因此，评估原料选择和热解温度对生物炭特性的影响对于优化PSB的固定至关重要。

由于生物炭具有较大的比表面积、丰富的孔结构和有利的表面化学性质，它在环境修复、能源储存和农业应用中展现出巨大的潜力[15]、[16]。然而，传统的生物炭合成方法通常需要模板剂和化学活化剂，这增加了工艺复杂性、生产成本和环境风险[17]。常用的活化剂如KOH和H?PO?具有很强的腐蚀性，而且模板剂的去除通常涉及剧烈的化学处理，会产生有害副产物[18]。因此，迫切需要开发一种无需有害化学物质的环保且经济高效的生物炭制备方法。

为了解决这些问题，本研究提出了一种可持续的直接生物质碳化方法，避免了复杂化学试剂的使用。这种简化方法不仅生产效率高，成本低，而且环境污染小。具体来说，本研究的目标是：(1) 使用直接热解法从不同的生物质原料中制备生物炭，无需化学活化剂；(2) 系统研究生物炭的性质（表面积、孔结构、表面化学）对PSB固定效率的影响；(3) 评估PSB-生物炭复合材料的解磷性能和细菌吸附能力；(4) 为可扩展的绿色生物炭合成方法提供理论和技术指导，以增强其在农业和环境修复中的应用效果。

材料与试剂

化学试剂，包括牛肉提取物、蛋白胨、NaCl、(NH?)?SO?、MgSO?、Ca?(PO?)?、琼脂、葡萄糖、KCl和FeSO?·7H?O，均由J&K Scientific Ltd.（中国广州）提供。所有试剂均按原样使用，未经进一步纯化。生物质原料——玉米秸秆、高粱秸秆和小麦秸秆——采集自中国山东省济南市长清区附近的村庄。蒸馏谷物来自China Resources Snow Breweries Ltd.（中国）。

测试的细菌

结果与讨论

如图1所示，使用玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆和蒸馏谷物作为原料，在500°C下通过热解合成了四种生物炭。其中，玉米秸秆生物炭（YM）的产率最高（34.49%），pH值为9.08，石墨化程度也相对较高。YM表面含有丰富的含氧和含氮官能团（羟基、羧基、氨基），这些官能团显著增强了其对解磷细菌的吸附能力。

结论

本研究证明，YM生物炭独特的物理化学性质协同增强了解磷细菌（PSB）的固定和活性。其关键性质包括：适中的比表面积（49.79 m²·g^?1）和介孔结构（平均孔径2.433 nm），有利于细菌定殖；较高的石墨化程度（ID/IG = 0.71），有助于电子传递；以及丰富的含氧和含氮官能团（-OH、-NH?、-COOH），

作者贡献声明

杨志宇： 数据分析、数据整理。刘永冠： 原稿撰写、数据分析。曹新源： 数据分析、数据分析。奚月斌： 原稿撰写、概念构思。

利益冲突声明

本手稿已独家提交给《Bioresource Technology》期刊，其任何部分均未在其他期刊上发表或正在考虑发表。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：22108135）、山东省青年创新团队科技支持计划（编号：2023KJ137）、山东省自然科学基金青年项目（编号：ZR2024MB126和ZR2020QB197）、新兴战略领域科学研究培育项目（编号：202401）以及国家重点实验室建设重大科研项目（编号：2025ZDGZ02）的支持。