《Biochar》：Biochar immobilized microbes for sustainable soil remediation and agriculture enhancement: from lab to farmland
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土壤退化与污染对全球农业可持续性构成严重威胁，亟需创新修复策略。生物炭固定化微生物（Biochar-immobilized microbes, BIMs）通过协同整合生物炭的理化优势与微生物代谢功能，为提升土壤健康与作物生产力提供了变革性路径。本综述基于92篇
土壤退化与污染对全球农业可持续性构成严重威胁，亟需创新修复策略。生物炭固定化微生物（Biochar-immobilized microbes, BIMs）通过协同整合生物炭的理化优势与微生物代谢功能，为提升土壤健康与作物生产力提供了变革性路径。本综述基于92篇已发表文献的数据驱动分析，汇总了85项盆栽试验与11项田间应用中BIM研发进展，阐明其内在机制。生物炭作为稳定的微生物生境，通过吸附、包埋、共价键结合及交联作用增强微生物定殖；生物炭孔隙度、微生物表面特性及环境条件等关键因素影响微生物固定效率与功能持久性。汇总数据显示，BIMs可改善土壤性质（如pH提升0.5–1.5个单位，阳离子交换量提高12.25–39.05%），并增强土壤酶活性（如脲酶、脱氢酶）。这些改良有效促进污染土壤修复，重金属修复效率可达95%，有机污染物修复效率可达90%。此外，田间应用表明，BIMs通过提升养分有效性与胁迫抗性，可使作物产量提高达45%。然而，规模化仍面临挑战，田间试验中微生物在气候胁迫下的存活率存在显著波动。当前研究以实验室尺度为主，田间验证案例较少，凸显了开展长期农场研究的必要性。BIMs通过系统衔接实验室创新与农田实践，契合联合国可持续发展目标，为土壤恢复与可持续农业提供了前景广阔的途径。未来研究需优先聚焦长期田间验证、全生命周期评估及以农户为中心的优化，以充分释放其潜力。
本文主体围绕生物炭固定化微生物（BIMs）在土壤修复与农业增效中的应用展开系统论述，各章节核心内容如下：
1 引言
生物炭作为可持续土壤改良材料，通过热解生物质制备，具有改善土壤结构、提升保水性、供应养分、修复污染物及为有益微生物提供生境等多重功能。其多孔结构可优化土壤通气性与持水能力，高比表面积可为微生物提供定殖位点，碱性特征可中和酸性土壤，并通过吸附作用降低重金属与有机污染物的生物有效性。同时，功能微生物（如植物根际促生菌PGPR）可通过养分循环、有机物分解、溶磷等作用提升土壤肥力，但其在田间环境中的存活率与功能稳定性受限。BIMs通过整合二者优势，为解决单一技术的局限性提供了新思路。
2 检索策略、数据收集与可视化
研究通过Scopus与Web of Science核心合集检索“生物炭”“细菌/微生物”“土壤”主题文献，经筛选最终纳入92篇相关研究（85项盆栽试验、11项田间试验）。数据提取自文献表格、附件或通过Getdata Graph Digitizer软件从图表中获取，采用Origin 2021绘制箱线图与小提琴图，以对照组（CK）、生物炭组（B）、微生物组（M）、BIMs组（BIM）进行组内比较，通过t检验计算p值评估组间差异显著性。示意图采用Generic Diagramming Platform（GDP）绘制，未使用AI生成图片。
3 BIMs的合成
3.1 生物炭合成
多数研究采用典型热解法：将秸秆、稻壳等原料清洗、干燥、研磨后，在400–700°C（通常通N2）下热解，控制升温速率与停留时间以优化孔隙度、比表面积与化学官能团。较高热解温度（>500°C）可提升生物炭芳香性与比表面积，直接影响其作为微生物载体的效能。
3.2 功能微生物培养
功能微生物主要从污染土壤中富集驯化获得：通过逐步提高污染物浓度筛选耐受且具降解能力的菌群，经划线纯化获得优势菌株（如芽孢杆菌属Bacillus、假单胞菌属Pseudomonas）。
3.3 微生物固定机制与流程
固定机制分为四类：①吸附（物理作用，依赖范德华力、氢键或静电引力，操作简便但易泄漏）；②包埋（将微生物嵌入生物炭基质，常用海藻酸钠SA为载体制备微球，可减少细胞流失）；③共价键结合（通过戊二醛GA等交联剂形成化学键，稳定性高但可能影响微生物活性）；④交联（利用交联剂构建网络结构，低可逆性、高稳定性）。四类机制在结合力、活性保留、稳定性、成本与操作难度上各有优劣，需根据应用场景选择。固定效率通过OD值法、平板菌落计数法或实时荧光定量PCR检测目标基因拷贝数进行量化。
3.4 固定效率与影响因素
关键因素包括：①生物炭性质（孔隙结构、比表面积、pH、表面官能团，如含氧官能团可作为微生物定殖位点）；②微生物特性（表面疏水性、电荷、胞外聚合物EPS分泌能力，EPS可增强附着稳定性）；③环境条件（土壤pH、水分、温度、污染物类型，中性pH与适宜水分可维持微生物活性）。
4 BIMs在土壤修复与农业增效中的性能
BIMs以固体改良剂形式施入土壤（用量1–10% w/w），盆栽试验常用较高剂量验证潜力，田间试验则兼顾经济可行性（推荐用量2–5% w/w用于污染修复，1–3% w/w用于土壤培肥），通常翻耕至0–20 cm耕层。
4.1 BIMs的老化
生物炭在土壤中会发生破碎、溶解与氧化，表面被矿物颗粒覆盖，孔隙度与亲水性变化可能降低微生物固定能力；微生物群落也会随生物炭老化发生演替，面临土著微生物竞争与环境胁迫（干湿交替、冻融循环）的挑战。
4.2 BIMs对土壤性质的影响
BIMs显著提升土壤pH（平均升高1–2个单位）、阳离子交换量（CEC提升23.4–118%）、酶活性（脲酶、脱氢酶、磷酸酶）与微生物多样性。其保水能力源于生物炭孔隙持水与微生物胞外多糖促进土壤团聚体形成的协同作用，同时可减少氮、磷、钾养分淋失并促进难溶性养分矿化。
4.3 BIMs对土壤微生物群落结构的影响
BIMs处理组的α多样性指数（Chao1、Shannon、Simpson）显著高于单一生物炭或微生物处理组，盆栽试验中Shannon指数平均提升30.85%，但田间试验中提升效应较弱，可能与环境波动有关。BIMs可促进有益菌（如芽孢杆菌属）增殖并建立群落优势。
4.4 BIMs在土壤修复中的性能
BIMs对污染物修复效率显著高于单一处理：无机污染物（重金属）修复效率达94.7%（最高95%），有机污染物降解效率达94.7%（最高97.64%），遵循“BIMs > B > M > CK”的规律。其协同机制为“吸附-降解-再生”循环：生物炭富集污染物并提供稳定微环境，微生物持续降解污染物，避免单一吸附的二次释放风险。
4.5 BIMs在植物增产中的性能
BIMs可显著提升根系发育（根长增加32.10%、根干重增加40.05%）与作物产量（平均增产29.76%，最高达66.86%），并改善果实品质（如辣椒维生素C含量提升）。其作用包括：促进磷素活化（溶磷菌与生物炭协同）、分泌植物生长调节物质（如吲哚乙酸IAA）、诱导系统抗性与抑制土传病原菌（如枯萎病发病率降低59.88%）。
5 结论与展望
BIMs通过生物炭与微生物的协同作用，在污染修复（效率较单一技术提升32–51%）、土壤改良与作物增产中表现出显著优势，但田间规模化仍受限于微生物存活率波动与剂量优化缺失。未来需聚焦长期田间验证、全生命周期评估、生物炭表面改性、工程菌株构建及农户导向的技术优化，以推动该技术在可持续农业中的落地应用。
