通过微生物分解木质纤维素制备的秸秆生物炭，在提高作物产量和改善镉污染土壤健康方面具有双重作用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Straw biochar engineered by microbial lignocellulose decomposition for dual benefits in crop yield enhancement and cadmium-contaminated soil health

微生物发酵预处理秸秆制备的生物炭（BaWS）显著提升镉污染水稻土pH（6.45→7.85），降低有效镉含量达63.5%，促进中国白菜生长（生物量增255%）。机制研究表明T-1菌株通过分泌高活性纤维素酶（提高3倍）、半纤维素酶及β-葡萄糖苷酶，降解木质纤维素结构，增大比表面积（从28.6→56.3 m2/g），增强生物炭吸附性能（1% BaWS吸附率75.57% vs 3% BWS 24.38%）。

　　本研究聚焦于通过微生物预处理将农业秸秆转化为高价值生物炭的技术路径，以应对重金属污染土壤的修复难题。农业秸秆作为常见的农业废弃物，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，这些成分构成了一个复杂的结构，使得秸秆在转化为生物炭时面临诸多挑战。其中，木质素由于其高度的化学稳定性，成为阻碍秸秆分解和转化的关键因素。传统方法在处理这类秸秆时，往往需要额外的预处理手段，如高温、高压或化学处理，以破坏其结构，提高转化效率。然而，这些方法不仅耗费大量能源，还可能引入新的污染源，影响最终产品的生态安全性。因此，探索一种更为可持续、高效的转化方式显得尤为重要。

在本研究中，研究人员采用了一种特殊的真菌——*Trichoderma asperellum* T-1，对其进行实验。这种真菌具有独特的分解能力，能够在不进行额外预处理的情况下，有效降解秸秆中的木质素成分，从而改变秸秆的整体结构。这种自然的降解过程，不仅降低了秸秆的物理和化学复杂性，还提升了其在后续热解过程中形成多孔结构的潜力。通过微生物发酵，研究人员成功制备了具有更优性能的生物炭，这一成果为农业废弃物的高效利用提供了新的思路。

研究结果表明，采用发酵后的秸秆（BaWS）制备的生物炭，在提升土壤pH值和降低可溶性镉（Cd(II)）含量方面，效果显著优于未发酵秸秆（BWS）制备的生物炭。特别是在应用量为1%时，BaWS的表现甚至超过了3%的BWS。这一发现表明，微生物预处理不仅能够有效降低原料的使用量，还能够显著提高生物炭的性能，使其在土壤修复中发挥更大的作用。此外，研究还发现，发酵后的生物炭在促进植物生长方面具有明显优势。以白菜为例，其植株高度、根长和生物量分别增加了92%、49%和255%，这些数据表明，发酵后的生物炭不仅能够改善土壤环境，还能为作物提供更好的生长条件。

土壤微生物群落的变化也是本研究关注的重点之一。结果显示，发酵后的生物炭显著提高了土壤微生物的多样性，并富集了具有生物控制功能的微生物，如*Arthrobotrys*和*Trichoderma*。这些微生物在土壤中发挥着重要的生态作用，如抑制病原菌的生长、促进养分循环等。通过微生物发酵，秸秆的结构被显著优化，其表面活性和功能基团的含量也随之增加，这使得生物炭在吸附重金属离子和保留营养物质方面具有更强的能力。此外，发酵过程中产生的有机酸和醇类物质，能够与秸秆中的成分发生水解和酯化反应，改变其溶解性和反应性，进一步提升生物炭的性能。

本研究还对生物炭的制备条件进行了系统分析，特别是热解温度对生物炭性能的影响。结果显示，不同热解温度下的生物炭在吸附能力、结构特征和功能基团的分布上存在显著差异。例如，在100、150和200 mg/L的镉（Cd(II)）浓度下，BaWS-600的吸附能力分别比BWS-600提高了75.57%、65.18%和39.58%。这些数据表明，微生物预处理能够显著优化生物炭的吸附性能，使其在重金属污染土壤的修复中表现出更强的潜力。此外，研究人员还发现，发酵后的生物炭在提高土壤肥力和促进植物生长方面具有显著优势，这与其改善土壤结构和增强微生物活性密切相关。

在实验设计方面，研究人员采用了多种方法，包括土壤pH值的测定、土壤微生物群落的分析、植物生长指标的评估以及生物炭的物理和化学特性分析。这些方法不仅能够全面评估生物炭的性能，还能揭示其在土壤修复中的作用机制。通过对比不同类型的生物炭，研究人员发现，发酵后的生物炭在多个方面均优于未发酵生物炭。例如，发酵后的生物炭在提高土壤pH值和降低可溶性镉（Cd(II)）含量方面表现出更强的效果，同时还能显著促进植物的生长，提高其生物量。这些结果为农业废弃物的资源化利用提供了有力的科学依据。

本研究的意义在于，它为农业废弃物的高效利用提供了一种新的技术路径。通过微生物预处理，农业秸秆不仅能够被有效转化为生物炭，还能在土壤修复中发挥更大的作用。这一方法不仅减少了对传统预处理手段的依赖，还降低了能源消耗和污染风险，符合可持续发展的理念。此外，该方法在提高生物炭的吸附能力和改善土壤健康方面也表现出显著优势，这为重金属污染土壤的修复提供了新的思路和解决方案。

从实际应用的角度来看，该研究的成果具有重要的推广价值。首先，微生物预处理技术能够有效降低农业秸秆的处理成本，使其在实际应用中更具经济性。其次，该技术能够提高生物炭的性能，使其在土壤修复中表现出更强的效果，从而减少对其他修复手段的依赖。最后，该技术还能够促进农业废弃物的资源化利用，为农业可持续发展提供新的支持。因此，微生物预处理技术不仅在理论上具有重要意义，在实际应用中也展现出广阔的发展前景。

在实验过程中，研究人员还对不同参数的影响进行了系统分析，包括热解温度、应用剂量和原料类型。这些参数对生物炭的性能具有重要影响，因此，优化这些参数是提高生物炭性能的关键。例如，研究发现，热解温度对生物炭的吸附能力具有显著影响，较低的热解温度能够提高生物炭的吸附效率，同时减少能源消耗。此外，应用剂量的优化也对生物炭的性能产生重要影响，适当增加应用剂量能够提高生物炭的吸附能力和土壤修复效果，但过高的应用剂量可能导致资源浪费和成本增加。因此，研究人员在实验中对这些参数进行了系统的测试和分析，以确定其最佳组合。

本研究还对微生物发酵过程中的具体机制进行了深入探讨。研究人员发现，微生物发酵能够显著改变秸秆的结构，使其在热解过程中形成更优的多孔结构。这一过程不仅提高了生物炭的吸附能力，还增强了其对重金属离子的固定效果。此外，微生物发酵过程中产生的有机酸和醇类物质，能够与秸秆中的成分发生反应，改变其溶解性和反应性，从而提高生物炭的性能。这些发现为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路，也为重金属污染土壤的修复提供了理论支持。

综上所述，本研究通过微生物预处理技术，成功将农业秸秆转化为具有更优性能的生物炭，这一成果不仅在理论上具有重要意义，也在实际应用中展现出广阔的发展前景。微生物预处理技术能够有效降低农业秸秆的处理成本，提高生物炭的吸附能力和土壤修复效果，同时还能促进农业废弃物的资源化利用，为农业可持续发展提供新的支持。因此，该技术有望成为未来农业废弃物处理和土壤修复的重要手段之一。