**评估海洋来源生物聚合物与生物质对有无Lactuca sativa种植土壤质量的改良潜力**

《Journal of Environmental Management》：Assessing the potential of sea-derived biopolymers and biomasses for soil quality improvement in soils with and without Lactuca sativa

　　

尽管已测试许多可持续解决方案以改善土壤质量，但关于源自海洋的生物基土壤改良剂的数据非常有限。本研究在含与不含Lactuca sativa L.（生菜）的土壤盆栽中，以1% w/w的比例测定了四种海洋来源生物聚合物/生物质对土壤物理、化学和生物学性质的影响。具体而言，使用了由Geobacillus thermodenitrificans产生的胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）、来自嗜热Bacillus licheniformis s7s-1的生物表面活性剂（biosurfactant，BS）、蓝藻Leptolyngbya sp.的生物质（biomass of cyanobacterium，BC）以及海藻Ulva ohnoi的生物质（biomass of seaweed，BM）。通过ATR-FTIR光谱初步分析了生物聚合物/生物质的结构特征，并通过生物发光抑制评估其毒性效应。随后，基于十五个能够代表土壤功能的指标（WHC、BD、pH、CEC、SOC、Cext、Cmin、Ntot、NH₄⁺-N、NO₃^?-N、Min、Nit、Cmic、FM和R），计算了加和性土壤质量指数（soil quality index，SQI），以综合评估处理效应。ATR-FTIR分析确认了EPS、BC和BM中以碳水化合物为主导的结构，而BS则表现出脂肽特征。EPS在裸土中引起最大pH升高（从5.30升至6.13，在生菜存在下升至7.49），BM在裸土中提高了阳离子交换容量、氮矿化和硝化作用，而BS在生菜存在下表现出更高的持水能力和无机氮含量，并在两种条件下均提高了土壤呼吸。值得注意的是，在无L. sativa的土壤中，所有供试生物聚合物/生物质相比对照均表现出SQI改善，而在生菜存在条件下，所有处理（除BS，P?**海洋来源生物聚合物与生物质对土壤质量的改良效应：基于Lactuca sativa盆栽体系的综合评估**

**1. 研究背景与科学问题**

全球城市化与人口扩张对土壤资源构成巨大压力，导致土壤退化问题日益严峻。农业作为人为土壤质量退化的主要贡献者，其现代化生产高度依赖合成肥料、化学农药、集约耕作和过度灌溉。化肥过量施用不仅导致地下水硝酸盐污染、水体富营养化等环境问题，还引发土壤酸化、持久性有机污染物积累和微量元素富集。据统计，全球超过60%的农业土壤已退化，其中35%存在严重压实问题。长期化肥投入还破坏土壤微生物组，降低微生物多样性和功能冗余度。在此背景下，开发替代化学依赖的可持续土壤管理策略已成为实现联合国2030年可持续发展议程的核心需求。

近年来，微生物源和海藻源生物聚合物因其多维度的土壤改良优势而受到关注。与需要长期分解才能形成稳定腐殖质结构的传统有机肥不同，亲水性生物聚合物（如藻酸盐、卡拉胶、黄原胶等凝胶多糖）能更快与土壤基质相互作用，优化土壤水分、通气性、容重和孔隙度。生物聚合物具有富含功能表面电荷的三维结构，可包封无机养分、使养分释放与植物吸收同步并减少淋溶损失。然而，现有文献多仅关注生物产品的某一或少数几个方面，缺乏在相同实验条件下对不同生物聚合物/生物质改良效果的系统比较数据。因此，明确不同海洋来源改良剂对土壤质量的综合影响及其是否依赖于植物根系的存在，对于优化其在多样化农业生态系统中的应用至关重要。

**2. 研究目标与实验设计**

本研究旨在盆栽实验（含与不含Lactuca sativa L.两种条件）中，系统比较四种海洋来源生物聚合物/生物质——嗜热菌Geobacillus thermodenitrificans产生的胞外多糖（EPS）、嗜热Bacillus licheniformis s7s-1产生的生物表面活性剂（BS）、蓝藻Leptolyngbya sp.生物质（BC）和海藻Ulva ohnoi生物质（BM）——对土壤质量的影响。土壤采自意大利南部Castel Morrone地区一处弃耕50年的橄榄园旧址（41°0.7′44.93″N; 14°17′46.76″E），质地为壤质砂土（53.6%砂粒、32.7%粉粒、13.7%黏粒），初始pH为5.35。每种改良剂以1%干重比例单独添加，设四个重复，并以不添加改良剂的土壤为对照。土壤实验在25±2°C恒温条件下培养60天；土壤+植物实验在同等温度、光照100–130 μmol m^?2 s^?1、相对湿度51%的生长箱中进行，生菜幼苗经一周预培养后移栽。实验结束后收获植株并采集土壤样品进行理化与生物学分析。

**3. 关键技术与方法**

研究采用ATR-FTIR光谱对四种生物聚合物/生物质的官能团结构进行初步表征；利用Vibrio harveyi G5生物发光抑制实验评估改良剂及其与土壤混合后的生态毒性（以EC20和EC50为毒性判定指标）。土壤分析涵盖物理性质（持水能力WHC、容重BD、孔隙度Po）、化学性质（pH、电导率EC、阳离子交换容量CEC、土壤有机碳SOC、总氮Ntot、NH₄⁺-N和NO₃^?-N）及生物学性质（微生物碳Cmic、真菌菌丝FM、土壤呼吸R、氮矿化Min、硝化Nit、可矿化碳Cmin、可提取碳Cext）。基于十五个指标构建最小数据集（MDS），采用线性评分函数标准化后计算加和性土壤质量指数（SQI）。统计分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey事后检验（P≤0.05），变量间关系通过Pearson相关分析确定。

**4. 主要研究结果**

**4.1 ATR-FTIR光谱表征结果**

ATR-FTIR分析显示，EPS、BC和BM的谱图以碳水化合物主导结构为特征，在1047/988 cm^?1（C–O和–CHO基团）以及1063/995 cm^?1（U. ohnoi中鼠李糖和古洛糖醛酸的特征振动）处呈现强吸收峰。BS谱图则呈现脂肽特征，在2928 cm^?1（CH₂–CH₃）、1638 cm^?1（–NH₂）和1414 cm^?1（–COO）处显示典型吸收，其Amide A和Amide I区域的拉伸频率与surfactin家族脂肽表面活性剂的特征一致。

**4.2 生物发光抑制毒性评估**

所有供试生物聚合物/生物质及其与土壤混合后的样品均未显著抑制Vibrio harveyi G5的生物发光，发光抑制率始终低于20%毒性阈值。无论在不添加改良剂的退化土壤中，还是在添加0.1%和1%（w/w）改良剂的土壤中，均未观察到毒性效应，确认了这些材料的环境安全性。

**4.3 生物聚合物/生物质对土壤性质的响应**

土壤物理性质方面，WHC仅在土壤+植物实验中受BS处理显著影响，从36.6%提高至48.3%；BD和Po在所有处理中均无显著变化。土壤化学性质方面，pH在各处理间存在差异但均未显著偏离对照；EPS处理在两种条件下均表现出最高的pH值（裸土6.13、种植土7.49），分别显著高于BS（5.22）和BS/BC（6.55/6.47）。CEC在裸土实验中除BC外均显著高于对照（11.7 cmol(+) kg^?1），以BM（19.9）和EPS（19.3）增幅最大；在种植条件下，EPS（21.9）和BC（20.1）显著高于对照（16.6）。NH₄⁺-N和NO₃^?-N在裸土实验中多数处理显著增加，BS和BC处理的铵态氮从对照的15.0 μg g^?1分别增至74.5和72.5 μg g^?1，硝态氮从215 μg g^?1分别增至313和291 μg g^?1；在种植条件下仅BS同时提高两种无机氮形态，BC仅提高硝态氮。

碳氮组分方面，SOC在两种条件下均未受处理显著影响。Cmin在裸土实验中除BC外均较对照（0.89 g CO₂-C kg^?1）显著增加，以BS处理增幅最大（1.14）；而在种植条件下多数处理导致Cmin下降。Cext在裸土实验中EPS和BS处理的Cext显著低于对照（0.20和0.21 vs 0.40 mg g^?1），而在种植条件下BC和BM显著提高Cext。Ntot仅在裸土实验中受BS和BC处理显著增加，C/N比在BS和BC处理中显著降低。

微生物学性质方面，Cmic在两种条件下均被所有改良剂处理显著提高，裸土中以BC增幅最大（从78增至400 mg kg^?1），种植条件下以EPS增幅最大（从179增至671 mg kg^?1）。FM在裸土中受EPS和BS显著提高，种植条件下仅BS显著增加。BS处理在两种条件下均表现出最高的土壤呼吸速率，裸土中从81.9增至117 mg CO₂ kg^?1 d^?1，种植条件下从44.1增至164 mg CO₂ kg^?1 d^?1。qM仅在裸土实验中BS显著高于BC。Min和Nit速率在裸土中以BM处理最高（10.8和12.6 μg N g^?1 d.w. d^?1），均显著高于对照（8.18和8.57），而BC处理最低；种植条件下对照的Min和Nit速率最高（15.3和14.9），BM处理显著降低（9.10和8.75）。

**4.4 土壤质量指数（SQI）综合评价**

基于十五项指标的加和性SQI计算显示，两种实验条件下处理效应呈现截然不同的趋势。在无植物种植的裸土条件下，所有四种生物聚合物/生物质处理均显著改善了土壤质量，其中BS和BM处理的SQI改善最为显著且稳定。而在种植生菜的条件下，除BS处理仍显著高于对照（P<0.01）外，其余处理（EPS、BC、BM）的SQI与对照无显著差异。

**5. 讨论与结论**

研究讨论指出，生物聚合物/生物质对土壤性质的差异化影响源于其结构组成的差异。EPS、BC和BM中碳水化合物主导的聚合网络可作为无机矿物颗粒间的结合剂，促进大孔隙形成和稳定团聚体结构，改善土壤持水能力；含–CHO和–CO等带负电荷官能团的存在则通过吸附阳离子提高土壤CEC。BS的脂肽两亲性结构能降低土壤溶液表面张力，解吸土壤基质中有机化合物，增加碳底物对微生物的可及性，从而解释其显著提高Cmic、FM和R的效应。BS处理在两种条件下均显示最高SQI，表明其在改善土壤水分保持和刺激微生物活性方面具有突出价值；BM在裸土中通过促进氮矿化和硝化过程提高氮素可利用性，说明海藻生物质可作为贫瘠土壤的有机氮输入来源。研究同时发现，生菜根际的激发效应（priming effect）——根系分泌物提供易同化碳源过度刺激微生物群落——可能导致易矿化碳库的消耗，解释了种植条件下多数处理Cmin的降低。总体而言，所有处理在裸土条件下均改善土壤质量，BS和BM效果最显著；种植条件下仅BS仍保持改良优势。这一结果验证了初始假设，即植物存在与否从根本上塑造了海洋来源改良剂对土壤质量的影响路径。研究人员强调，未来应在更广泛的浓度梯度、田间条件和长期情景下评估这些改良剂的效果，并建议开展含阳性对照的靶向毒性测试和加速生物聚合物生产策略研究。

**结论**

初步表征及后续应用表明，海洋来源生物聚合物与生物质——胞外多糖（EPS）、蓝藻生物质（Leptolyngbya sp., BC）、海藻生物质（Ulva ohnoi, BM）和脂肽生物表面活性剂（BS）——具有安全性、有效性和作为可持续土壤改良剂的巨大潜力。每种生物聚合物/生物质均影响土壤性质，但在“土壤”和“土壤+植物”两种实验条件下的响应模式并不一致。总体而言，所有处理在裸土条件下改善了土壤性质，而这一趋势在植物（生菜）存在时被削弱。因此，与初始假设一致，生菜的存在影响了土壤质量指数（SQI）的结果。所有土壤改良剂在裸土条件下均提高了土壤质量，其中BS和BM带来的改善最为显著。相反，植物存在使所有处理的效果与对照相当（BS除外）。本研究从根本上推进了可持续土壤管理，进一步凸显了情境依赖性的重要性。将生物聚合物、海藻产品和蓝藻作为孤立解决方案的碎片化文献忽视了其互补作用。然而，未来研究应在更广泛的浓度范围、田间条件和长期情景中评估这些改良剂，涵盖多样化的土壤、水分制度、气候和种植系统；同时，开展含阳性对照的靶向毒性测试并制定加速生物聚合物生产的策略也亟待推进。

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