综述：基于微藻的生命水凝胶在土壤修复中的应用：综述与展望

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Microalgae-based living hydrogels as engineered soil biogeochemical reactors: bridging synthetic microbiomes, climate resilience, and sustainable remediation

　　

摘要

背景

基于微藻的生命水凝胶代表了一类新兴的工程化生命材料（ELMs）。它们将生物活性与水化聚合物网络的物理化学性质相结合，形成一种具有多功能性的平台，在土壤修复中具有潜在应用价值。本综述系统评估了当前证据对该潜力的支撑程度，尤其侧重于区分土壤特异性发现与从水生及其他受控系统中外推的机制。文中考察了将微藻-水凝胶复合材料用作局部生物地球化学反应器的概念基础，重点关注污染物吸附、营养元素同化、生物转化、水分调控以及微环境控制。

结果

现有研究表明，水凝胶基质可以改善微藻的固定化、保水能力以及局部质量传递控制。微藻本身也能促进营养元素同化及与污染物的相互作用。然而，活体成分与水凝胶基质各自的相对贡献，尤其是在土壤条件下的贡献，仍未得到充分阐明。本综述还讨论了植物-土壤-水凝胶相互作用、空间有序化的微生物系统，以及新兴的材料策略，如刺激响应型和杂化水凝胶。这些方法为根据具体环境调节生物和物理化学过程提供了机遇。然而，其中许多仍处于概念验证或理论阶段，需要在真实土壤条件下进行验证。同样，关于气候韧性、碳动力学和生态系统服务的预期效益在田间尺度上仍未得到充分量化。

结论

基于微藻的生命水凝胶是土壤修复领域一个前景广阔但仍在发展的平台。其从受控实验向实际应用转化受到多重因素制约，包括长期和多季节田间证据有限、污染物归趋不确定、对植物-土壤-微生物组相互作用的理解尚不完整，以及缺乏标准化的性能评价指标。未来研究应优先开展涉及自由微藻、单独水凝胶及微藻-水凝胶复合处理的对比实验。还需要在不同土壤类型和气候条件下的长期田间验证。此外，还应进行污染物去除的机制评估、生态风险评价，以及整合性的技术经济与生命周期评估。这些工作对于确定基于微藻的水凝胶是否以及在何种条件下能够提供相较于现有修复方法的、可测量的环境和功能优势至关重要。

图文摘要