侯夢惠 ，白嘉烜 ，李宇璇 ，鄭大勇

（華北理工大學(xué)藥學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 前言

農(nóng)業(yè)的成功在很大程度上取決于土壤的肥力水平，土壤健康是有機耕作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。農(nóng)作物需要肥沃土壤中的營養(yǎng)成分，而肥沃土壤也支持多樣化的生物種群，來幫助土壤抵御環(huán)境惡化問題。重金屬是指對生物有明顯毒性的金屬元素或類金屬元素，近年來，由于采礦、能源生產(chǎn)、燃料制造、電鍍、廢水污泥處理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動，重金屬在土壤環(huán)境中的濃度不斷上升。這些重金屬不會被細菌或其他生物降解，將無限期地滯留在環(huán)境中。重金屬的濃度經(jīng)常超過土壤、水道和沉積物中的允許水平。砷、汞、鉻、鎳、鉛、鎘、鋅和鐵等重金屬過量時會產(chǎn)生毒性。研究表明，氮缺乏可影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，包括生長遲緩、植株矮化、葉片發(fā)黃。此外，大量施用的氮素化肥會通過揮發(fā)、淋濾、反硝化等形式造成土壤侵蝕[1]。因此，迫切需要有效和正確的無污染農(nóng)業(yè)用生物基肥料，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

藻類是地球上最獨特的生物，具有農(nóng)業(yè)的潛在應(yīng)用，如生物肥料和土壤調(diào)理劑，可提高土壤肥力[2]。土壤藻類起源于土壤中，可在土壤表面以下幾厘米處存活。土壤是藻類進化的重要棲息地，具有固氮的作用。在不同地區(qū)、不同土壤類型中發(fā)現(xiàn)的藻類可能表明土壤環(huán)境的健康范圍。藻類的生長還通過管理水流來減少土壤侵蝕。同樣的，藻類在土壤復(fù)墾、土壤肥力、農(nóng)業(yè)害蟲生物防治和農(nóng)業(yè)廢水處理中發(fā)揮著巨大作用[3]。

1 生物肥料和藻類類型

生物肥料是一種活的微生物，可以改善土壤的化學(xué)和生物特征，恢復(fù)土壤肥力，促進農(nóng)作物生長。農(nóng)作物的生長需要營養(yǎng)元素——氮，而氮的缺乏可以通過使用肥料來糾正。然而，過度和長期地使用化學(xué)或合成肥料則導(dǎo)致環(huán)境污染，最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失衡。

本文使用五種藻類作為研究對象，測試了添加藻類對農(nóng)作物發(fā)育、營養(yǎng)以及土壤物理和化學(xué)特征的影響。這五種藻類包括藍藻節(jié)旋藻（螺旋藻）、單細胞綠藻小球藻、掌狀紅皮藻、棕色海藻和結(jié)節(jié)藻。結(jié)果顯示，小球藻和螺旋藻增加了土壤中的總氮和可利用的磷；螺旋藻提高了土壤硝酸鹽水平；掌狀紅皮藻顯著提高了土壤中的無機物（NH4+和NO3-）濃度。小球藻則增加了土壤中的磷、氮和碳。總之，添加藻類對土壤水穩(wěn)性幾乎沒有影響，而所有藻類均提高了土壤無機氮濃度[4]。

已發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落可提高土壤肥力。同時，藻類微生物群也被發(fā)現(xiàn)是一種真正的生物肥料，用于農(nóng)業(yè)技術(shù)，既環(huán)保又無污染。藻類能適應(yīng)極端的生存環(huán)境，可在極端光照條件下茁壯成長，且所需的營養(yǎng)成分有限，如碳、氮水平及需水量較低。工業(yè)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上取決于自然和土壤類型，使用改良的農(nóng)作物品種，利用豐富的自然生物資源來改善農(nóng)作物營養(yǎng)狀況，可以恢復(fù)土壤失去的肥力。由于生物肥料具有成本效益、環(huán)境友好性和可再生性，可以替代或補充目前使用的成本較高的能源密集型化肥。生物肥料含有有益微生物的活細胞或死細胞，應(yīng)用于土壤系統(tǒng)后，可迅速侵入農(nóng)作物根際，通過固氮、礦化和改善磷酸鹽溶解度等機制，將難以獲得的礦物形式轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，從而促進農(nóng)作物生長和發(fā)育[5]。

2 微藻作為生物肥料

真核綠藻和原核藍藻是被稱為微藻的光合生物。它們作為生物資源在醫(yī)藥、醫(yī)療、飼料和燃料等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。微藻可能是單細胞、多細胞、絲狀或皂質(zhì)的。微藻也是世界上最大的初級生產(chǎn)者，有20多萬種。工業(yè)上微藻生產(chǎn)需要大規(guī)模養(yǎng)殖，通過標準的提取、分離和回收，以確保食品、化學(xué)品、飼料、生物燃料和生物肥料所使用的微藻量一致[6]。除了提高土壤肥力，微藻還可以提供農(nóng)作物生長所需的激素、多糖等化學(xué)物質(zhì)。微藻通過光合作用可將大氣中的CO2同化為碳水化合物，作為土壤中的主要有機物質(zhì)來源，并顯著提高土壤中氮的濃度[7]。

3 大型藻類作為生物肥料

海藻是一種大型藻類，具有多種用途，可用于生物肥料、土壤調(diào)理劑、動物飼料和生物燃料。這類海洋植物也被認為是富含生物活性化合物的自然資源。類胡蘿卜素、萜類、葉黃素、葉綠素、藻膽素、多不飽和脂肪酸、多糖、維生素、甾醇、生育酚和藻藍蛋白是大型藻類產(chǎn)生的生理活性植物化學(xué)物質(zhì)[8]。在全球范圍內(nèi)，海藻仍然被認為是一種被低估的資源。馬尾藻是一種快速生長的大型藻類，含有高水平的抗氧化劑、胡蘿卜素和酚類，包括著名的抗癌成分巖藻黃素；馬尾藻是一種棕色大型藻類，可以在世界各地的溫帶和熱帶水域中被發(fā)現(xiàn)，通常出現(xiàn)在淺水區(qū)和珊瑚礁上，盡管也有一些自由漂浮的物種。在某些地方，馬尾藻被收獲用作食物來源和肥料，也被用作藥物來源。海藻肥料產(chǎn)品的目的是提高處理作物的發(fā)芽率和作物產(chǎn)量，促進根系對養(yǎng)分的吸收。長期以來，漂流的海藻一直被世界各地的沿海地區(qū)用作土壤調(diào)理劑。研究人員進行如下實驗，使用了四種處理方式：1）90%沙土加10%馬尾藻粉；2）90%沙土加10%江蘺藻粉；3）90%黏土加10%馬尾藻粉；4）90%黏土加10%江蘺藻粉。并以100%沙土和100%黏土作為對照組，研究者考察了兩種土壤調(diào)理劑（馬尾藻和江蘺藻）對土壤有機質(zhì)含量、pH值、C/N比的影響[9]。

土壤肥力最重要的決定因素之一是有機質(zhì)含量，它有助于農(nóng)作物生產(chǎn)。添加海藻的土壤調(diào)理劑影響土壤中有機物含量的能力有所不同，土壤肥力將隨著有機質(zhì)含量的增加而提高，土壤肥力最重要的決定因素是土壤中的有機質(zhì)。添加土壤調(diào)理劑將對土壤中的總有機質(zhì)產(chǎn)生重大影響，無論是沙土還是黏土。無論其重要性如何，添加馬尾藻粉比添加江蘺藻粉更能增加土壤有機質(zhì)含量[9]。

土壤pH值是衡量土壤酸度的一種指標，并影響農(nóng)作物養(yǎng)分的有效性。大多數(shù)農(nóng)作物的最佳pH范圍在5.5～7.5之間；然而，添加海藻土壤調(diào)理劑對土壤pH值有顯著影響[10]；在添加土壤調(diào)理劑之前，黏土和沙土的培養(yǎng)基pH值均約為8。在使用海藻作為土壤調(diào)理劑后，有一個明顯的跡象，pH值接近7，即農(nóng)作物生長的最佳pH值[10]。C/N比是特定物質(zhì)中碳與氮的比率，是評估土壤肥力的重要組成部分，直接影響土壤中的農(nóng)殘分解和氮循環(huán)。對于農(nóng)殘分解，C/N比為24是最佳的。C/N比越大，介質(zhì)中的碳越多，氮含量越低。C/N比小于24也意味著由于氮濃度增加，土壤生產(chǎn)力更高。由于氮對蛋白質(zhì)合成和代謝中的酶功能至關(guān)重要，因此氮是農(nóng)作物發(fā)育最重要的營養(yǎng)因素。由于土壤調(diào)理劑主要由植物凋落物組成，當(dāng)添加到特定的培養(yǎng)基中時，它將提高或降低C/N比。研究顯示，沙土和黏土之間的C/N比存在顯著差異，黏土的C/N比高得多。在沙土中，海藻產(chǎn)生的土壤調(diào)節(jié)劑提高了C/N比，其中，馬尾藻的C/N比大于江蘺藻。由于沙土中有機碳的含量明顯較少，添加土壤調(diào)理劑可提高其有機碳含量。此外，黏土由于有機碳含量高，C/N比也較高。土壤調(diào)理劑的使用可顯著降低C/N比。海藻含具有高蛋白質(zhì)，這也解釋了為什么海藻作為土壤調(diào)理劑會提供額外的氮，C/N比將顯著降低[10]。海藻中的蛋白質(zhì)含量因物種而異，棕色海藻的蛋白質(zhì)含量低于綠色和紅色海藻。由于添加像江蘺藻這樣的紅色海藻可以在土壤中維持更高的蛋白質(zhì)和氮可用性，C/N比將顯著低于添加馬尾藻這樣的棕色海藻，所以在降低C/N比方面，江蘺藻優(yōu)于馬尾藻[10]。

4 利用藻類去除土壤中的重金屬

近年來，由于采礦、能源生產(chǎn)、燃料生產(chǎn)、電鍍、廢水處理等人類活動，重金屬在環(huán)境中的含量逐年增加。這類污染物不會被細菌或其他生物破壞，會在環(huán)境中無限期地存在。因此，重金屬在土壤、溪流和沉積物中的濃度往往超過允許限值，當(dāng)砷、汞、鉻、鎳、鉛、鎘、鋅和鐵等重金屬過量存在時，威脅著農(nóng)作物的產(chǎn)量和人類健康。

使用反滲透、電滲析、超濾、離子交換、化學(xué)沉淀等方法可以去除重金屬。但是，這些方法均有一些缺點，比如大量試劑使用會產(chǎn)生其他廢物。微藻的新陳代謝可以轉(zhuǎn)化和凈化這些外來化學(xué)物質(zhì)和重金屬；另外，微藻是非致病性的，不存在向環(huán)境排放污染物的可能性。生物吸附也被認為是一種從水中去除重金屬的方法。微藻吸收重金屬廢物作為營養(yǎng)來源，并依靠自身酶系統(tǒng)破壞污染物。生物吸附是生物材料將重金屬聚集在其表面的能力，近年來其由于使用了源自自然豐富的微藻或發(fā)酵企業(yè)副產(chǎn)品的生物吸附劑而受到青睞[11]。苔蘚、水生植物和葉基吸附劑都被發(fā)現(xiàn)是重要的生物吸附劑。微藻已被證明具有顯著的金屬結(jié)合能力，這與細胞壁表面多糖、蛋白質(zhì)或脂質(zhì)的存在有關(guān)，其中包括氨基、羥基、羧基和硫酸鹽等官能團，這些官能團可以充當(dāng)重金屬結(jié)合位點。因此，微藻細胞壁是捕獲重金屬的關(guān)鍵細胞器。

5 結(jié)論與展望

微藻和大型藻類是無污染農(nóng)業(yè)應(yīng)用中最理想的環(huán)保生物肥料。微藻比大型藻類對土壤的生物肥力更有效，但大型藻類在水生介質(zhì)中的效果更好。微藻可以在實驗室中快速繁殖，產(chǎn)生大量的微藻。微藻在黏土中的土壤肥力水平高于沙質(zhì)土壤。此外，微型和大型藻類通過生物吸附和體內(nèi)轉(zhuǎn)化的方式可去除土壤中的重金屬。

生物肥料的使用是全球農(nóng)業(yè)的未來，有望取代化學(xué)肥料。由于它在土壤上更安全，也有利于微生物進行生物降解，從而以安全的方式提高土壤肥力，而不會留下化學(xué)殘留物。另外，隨著納米科技的發(fā)展，納米產(chǎn)品將為農(nóng)作物的病蟲害管理提供綠色、高效的替代品。在生物肥料中添加納米材料，提高農(nóng)作物對環(huán)境脅迫的抵抗力，改善農(nóng)作物生長條件，并提高農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。