納米碳對土壤理化性質(zhì)及其微生物的影響

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1.納米碳對土壤理化性質(zhì)的影響

(1)納米碳在土壤理化性質(zhì)上產(chǎn)生的影響

碳在納米尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等一些表面效應(yīng)和界面效應(yīng)的影響下會(huì)導(dǎo)致原本土壤結(jié)構(gòu)中的相關(guān)元素受到影響變化，并且土壤中包含的生物化學(xué)性反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生一些變化，其對于土壤在以往農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在的一些制約性條件給予限制。納米碳的表面臺(tái)階與納米碳的粗糙程度相比要高出一些，并且鍵態(tài)呈現(xiàn)出的失配狀態(tài)也是比較嚴(yán)重的，其出現(xiàn)了非?；钚缘闹行?，另外包膜擁有負(fù)性電荷以及本身的籠形芳香結(jié)構(gòu)也與其存在一定的聯(lián)系，使其可以有效的降低土壤中的pH值，讓陽離子中的交換量等多個(gè)不同層面涉及到的內(nèi)容能夠?qū)⑵浞e極的作用發(fā)揮出來。界面效應(yīng)其本身也是納米碳界面中的一種，其能夠讓界面自身的自由性得到有效的提升，其擁有的離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)動(dòng)傳遞以及結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的性能上也會(huì)產(chǎn)生一定的變化，而這些變化的效用主要體現(xiàn)在陽離子所具備的這種較為強(qiáng)大的吸附性上。

(2)需要對納米碳土壤滲透持水性給予完善

土壤中包含水，而水同樣也是土壤里物質(zhì)與能量彼此運(yùn)移和轉(zhuǎn)換過程中必不可少的介質(zhì)，土壤水分條件好壞也會(huì)對作物自身的長勢產(chǎn)生影響，所以農(nóng)業(yè)在實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)過程中一般使用吸附劑去按錯(cuò)對土壤的持水性能的優(yōu)化。可是以往吸附劑自身仍然存在一定的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)集中在表面活性位點(diǎn)，自身的密度相對較小并且吸附鍵自身的活力不足，在異構(gòu)體系中進(jìn)行吸附的能力相對要慢一些，因?yàn)槠洳荒軌驅(qū)ζ渌橘|(zhì)傳輸?shù)乃俣犬a(chǎn)生影響，所以，導(dǎo)致深層土壤其自身的保水性維修工作無法有效進(jìn)行。碳納米材料自身的表面積以及體積比都是非常大的。在將其與輔助材料進(jìn)行混合之后，碳納米材料自身的孔徑分布以及表面化學(xué)效應(yīng)則能夠被人為的改進(jìn)，這樣的一種變化使得納米碳材料在吸收上的局限性有所改變。所以，在最近幾年中，納米碳材料開始受到了人們的廣泛使用，其中使用范圍比較多的則是被使用在水土保持上，并且正是因?yàn)榧{米碳的出現(xiàn)導(dǎo)致傳統(tǒng)的吸附劑被替代。在納米碳自身含量不斷提升的同時(shí)，土壤里的粒徑超出2μm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量也會(huì)有不同程度的提升，這也將在農(nóng)田開發(fā)過程中增加土壤的承載力。使土壤更致密，減少土壤中大孔的數(shù)量，增加中小型孔的數(shù)量，并減少外部抽吸對水的負(fù)面影響，減少外界吸力針對水分帶去的負(fù)面影響，通過這樣的方式會(huì)讓其自身的保水與蓄水能力得到提升。

2.納米碳針對土壤里微生物和酶活性產(chǎn)生的影響

伴隨著科技的進(jìn)步人們對于納米碳的使用有了更為深入的了解，并且開始致力于使用納米效應(yīng)去完成相關(guān)的研究和開發(fā)。近些年因?yàn)槭艿酵寥乐形⑸镆约懊傅幕钚援a(chǎn)生的影響，他們已經(jīng)成為了體現(xiàn)出土壤活力的非常重要的測量指標(biāo)，因此很多研究人員開始對這一點(diǎn)去進(jìn)行深入的研究。盡管當(dāng)前國內(nèi)與國外有很多在納米碳和微生物還有酶之間關(guān)系上進(jìn)行了很多的研究，但是在這一點(diǎn)上仍然有很多的問題需要解決。

通過學(xué)者的研究得出碳納米材料自身具備一定的毒性會(huì)影響細(xì)菌與真菌等微生物，其毒性的強(qiáng)弱會(huì)伴隨著自身濃度的變化而不斷的產(chǎn)生改變。例如富勒烯相和碳納米管給予對比其中就擁有非常強(qiáng)大的抗菌性能。碳納米材料對于微生物產(chǎn)生的影響主要集中在對微生物的細(xì)胞造成傷害，而傷害的方式主要可以被分為兩種，一種是會(huì)對微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜自身的結(jié)構(gòu)造成破壞，在損壞的位置可以逐步的影響細(xì)胞；另外的一種方式則是運(yùn)用細(xì)胞中的膜通道完成對細(xì)胞的吞噬。此外我們還需要注意的一點(diǎn)是，微生物細(xì)胞里包含的線粒體其本身也會(huì)被納米材料所影響最終產(chǎn)生氧化的應(yīng)激反應(yīng)。

相反，目前有一些研究結(jié)果表明，納米碳本身可以對土壤微生物和土壤酶產(chǎn)生不同程度的活化作用。另外，一些研究人員提出，納米碳是一種無機(jī)物，可以非常高效的對土壤中的微環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，讓其能夠和土壤中的生物共同的生存，同時(shí)還能夠讓土壤中構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)朝著更為合理的方向去進(jìn)行發(fā)展。除此之外還有一些研究學(xué)者提出，在允許范圍內(nèi)其自身的豐度和土壤里單壁碳納米管自身的濃度呈現(xiàn)的是正相關(guān)的聯(lián)系。另外，部分研究人員在添加了納米碳粉之后土壤脫氫酶活性會(huì)有一定程度的減弱，土壤里微生物生物量的整體含量也會(huì)存在不同程度的提升，能夠使其有效的保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平上。從中能夠看出，納米碳不但能夠讓土壤脲酶自身的活性得到增強(qiáng)，并且還能夠?qū)⑵涫褂迷趶?qiáng)化土壤微生物自身的活性以及植物根系的活性，通過這樣的方式讓土壤酶自身的活性得到提升。

此外，還有一些學(xué)者通過研究得出碳納米材料雖然會(huì)對土壤中細(xì)菌群落產(chǎn)生影響，但是其產(chǎn)生的影響是比較短暫的。專家們在土壤中添加了納米碳，并且對其進(jìn)行了研究，最后得出在添加完納米碳之后土壤中的細(xì)菌群在14天之內(nèi)就恢復(fù)到了正常。因此通過這一研究我們能夠得出，納米碳對于土壤中微生物產(chǎn)生的影響是可以恢復(fù)的，而且恢復(fù)的時(shí)間也比較快。

簡而言之，納米碳針對土壤微生物活性產(chǎn)生的影響是多種多樣的。除了能夠?qū)ξ⑸锂a(chǎn)生影響之外，納米碳的添加還會(huì)對土壤的溫度和有效水分等產(chǎn)生一定的影響，也正是因?yàn)楫a(chǎn)生的這些影響才導(dǎo)致土壤中的微生物以及酶的活性受到影響。因此需要進(jìn)一步對其自身的機(jī)理進(jìn)行研究，不同研究總結(jié)出的結(jié)果都會(huì)存在不同的差異，這主要是因?yàn)槠湓谔砑恿思{米碳之后對于土壤中微生物帶來的敏感性不同。通過對研究的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可以看出，即便是讓同種酶分布在不同的土壤里，那么納米碳對于土壤產(chǎn)生的影響也是不同的。當(dāng)前可以確定的一點(diǎn)是，如果在土壤中被加入了較多的納米碳，那么納米碳會(huì)對土壤微中的生物以及酶活性產(chǎn)生影響，因?yàn)榧{米碳自身的表面積和土壤中的微生物之間的差異較大，而且達(dá)到一定的濃度會(huì)積聚靜電并且對酶構(gòu)成一定的吸附作用。

3.納米碳在土壤生態(tài)修復(fù)中的有效應(yīng)用

(1)水土保持

因?yàn)榧{米碳的問世讓很多研究學(xué)者紛紛的投到了其在土壤侵蝕中的使用上，通過專家堅(jiān)持不懈的努力獲得了一些非常可喜的成果?？墒?，我國研究學(xué)者進(jìn)行試驗(yàn)的區(qū)域主要是集中在黃土高原，這一地區(qū)的水土雙重侵蝕非常的嚴(yán)重。而在其他地區(qū)進(jìn)行研究的卻并不是很多，并且在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究的學(xué)者也較少。

(2)污染土壤的修復(fù)

以往使用的納米碳的表面積相對較大，因此其能夠使用自身包含的含氧官能增加自身的吸附力，除此之外因?yàn)槠浔砻娴膲A性官能團(tuán)相對較多，而酸性官能團(tuán)相比來說存在的較少，因此使得納米碳具備了非常理想的疏水性，同時(shí)也具備了較為強(qiáng)大的吸附性，但是其在吸附上也存在一定的局限，對于極性物質(zhì)的吸附能力相對較弱。目前主要是選擇氧化的方式去對改變其自身的形式，在改性完成之后納米碳自身存在的負(fù)電荷會(huì)快速的提升，比表面積和平均孔徑則快速的增多，這一種情況導(dǎo)致其中含有的氧基團(tuán)會(huì)不斷的提高，其產(chǎn)生的這種變化會(huì)導(dǎo)致極性重金屬離子自身的吸附鈍化能力加強(qiáng)。因此在最近的幾年中，選擇盡管改性之后的納米碳材料去對于土壤中的污染物進(jìn)行吸附已經(jīng)成為了土壤修復(fù)必備的一種方式，同時(shí)也是研究人員熱議的一個(gè)話題。

4.納米碳應(yīng)用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

盡管如前文提到的碳納米材料所具備的表面效應(yīng)較強(qiáng)，但是界面效應(yīng)與尺寸效應(yīng)缺失讓納米碳能夠在水土保持中獲得廣泛使用的一個(gè)必備條件，可是這里還需要關(guān)注的一點(diǎn)是納米碳本身的溶解度并不高，同時(shí)因?yàn)榧{米碳的脂肪性比較強(qiáng)大因此其在使用上主要是集中在其自身的特點(diǎn)上去進(jìn)行的,除此之外其在使用上還需要注意的一點(diǎn)是無法完善生物降解。這種情況導(dǎo)致納米碳在應(yīng)用過程中會(huì)產(chǎn)生很多不能夠得到確認(rèn)的風(fēng)險(xiǎn)，除了這些之外也會(huì)出現(xiàn)危害人類與環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等。

目前如果想要讓納米碳在土壤理化上的研究得到完善，那么則需要從農(nóng)業(yè)生物生命現(xiàn)象以及農(nóng)業(yè)過程本質(zhì)上去對其給予深化，使得納米碳技術(shù)能夠在我國的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里獲得更高水平的應(yīng)用。

5.結(jié)束語

綜上所述，本文主要是針對當(dāng)前納米碳在土壤中的使用進(jìn)行相關(guān)的分析和總結(jié)，通過總結(jié)得出納米碳具備的一些優(yōu)勢和存在的一些不足，希望本文的研究能夠?qū)ξ磥砑{米碳在土壤改良提供助力。