藻類作為生物肥料的現狀與展望*

侯夢惠 ，白嘉烜 ，李宇璇 ，鄭大勇

（華北理工大學藥學院，河北 唐山 063210）

0 前言

農業(yè)的成功在很大程度上取決于土壤的肥力水平，土壤健康是有機耕作系統(tǒng)的基礎。農作物需要肥沃土壤中的營養(yǎng)成分，而肥沃土壤也支持多樣化的生物種群，來幫助土壤抵御環(huán)境惡化問題。重金屬是指對生物有明顯毒性的金屬元素或類金屬元素，近年來，由于采礦、能源生產、燃料制造、電鍍、廢水污泥處理和農業(yè)生產等人類活動，重金屬在土壤環(huán)境中的濃度不斷上升。這些重金屬不會被細菌或其他生物降解，將無限期地滯留在環(huán)境中。重金屬的濃度經常超過土壤、水道和沉積物中的允許水平。砷、汞、鉻、鎳、鉛、鎘、鋅和鐵等重金屬過量時會產生毒性。研究表明，氮缺乏可影響農作物的產量，包括生長遲緩、植株矮化、葉片發(fā)黃。此外，大量施用的氮素化肥會通過揮發(fā)、淋濾、反硝化等形式造成土壤侵蝕[1]。因此，迫切需要有效和正確的無污染農業(yè)用生物基肥料，以提高農作物產量。

藻類是地球上最獨特的生物，具有農業(yè)的潛在應用，如生物肥料和土壤調理劑，可提高土壤肥力[2]。土壤藻類起源于土壤中，可在土壤表面以下幾厘米處存活。土壤是藻類進化的重要棲息地，具有固氮的作用。在不同地區(qū)、不同土壤類型中發(fā)現的藻類可能表明土壤環(huán)境的健康范圍。藻類的生長還通過管理水流來減少土壤侵蝕。同樣的，藻類在土壤復墾、土壤肥力、農業(yè)害蟲生物防治和農業(yè)廢水處理中發(fā)揮著巨大作用[3]。

1 生物肥料和藻類類型

生物肥料是一種活的微生物，可以改善土壤的化學和生物特征，恢復土壤肥力，促進農作物生長。農作物的生長需要營養(yǎng)元素——氮，而氮的缺乏可以通過使用肥料來糾正。然而，過度和長期地使用化學或合成肥料則導致環(huán)境污染，最終導致生態(tài)系統(tǒng)失衡。

本文使用五種藻類作為研究對象，測試了添加藻類對農作物發(fā)育、營養(yǎng)以及土壤物理和化學特征的影響。這五種藻類包括藍藻節(jié)旋藻（螺旋藻）、單細胞綠藻小球藻、掌狀紅皮藻、棕色海藻和結節(jié)藻。結果顯示，小球藻和螺旋藻增加了土壤中的總氮和可利用的磷；螺旋藻提高了土壤硝酸鹽水平；掌狀紅皮藻顯著提高了土壤中的無機物（NH4+和NO3-）濃度。小球藻則增加了土壤中的磷、氮和碳。總之，添加藻類對土壤水穩(wěn)性幾乎沒有影響，而所有藻類均提高了土壤無機氮濃度[4]。

已發(fā)現土壤微生物群落可提高土壤肥力。同時，藻類微生物群也被發(fā)現是一種真正的生物肥料，用于農業(yè)技術，既環(huán)保又無污染。藻類能適應極端的生存環(huán)境，可在極端光照條件下茁壯成長，且所需的營養(yǎng)成分有限，如碳、氮水平及需水量較低。工業(yè)化的農業(yè)生產在很大程度上取決于自然和土壤類型，使用改良的農作物品種，利用豐富的自然生物資源來改善農作物營養(yǎng)狀況，可以恢復土壤失去的肥力。由于生物肥料具有成本效益、環(huán)境友好性和可再生性，可以替代或補充目前使用的成本較高的能源密集型化肥。生物肥料含有有益微生物的活細胞或死細胞，應用于土壤系統(tǒng)后，可迅速侵入農作物根際，通過固氮、礦化和改善磷酸鹽溶解度等機制，將難以獲得的礦物形式轉化為農作物所需的營養(yǎng)物質，從而促進農作物生長和發(fā)育[5]。

2 微藻作為生物肥料

真核綠藻和原核藍藻是被稱為微藻的光合生物。它們作為生物資源在醫(yī)藥、醫(yī)療、飼料和燃料等領域有很大的應用前景。微藻可能是單細胞、多細胞、絲狀或皂質的。微藻也是世界上最大的初級生產者，有20多萬種。工業(yè)上微藻生產需要大規(guī)模養(yǎng)殖，通過標準的提取、分離和回收，以確保食品、化學品、飼料、生物燃料和生物肥料所使用的微藻量一致[6]。除了提高土壤肥力，微藻還可以提供農作物生長所需的激素、多糖等化學物質。微藻通過光合作用可將大氣中的CO2同化為碳水化合物，作為土壤中的主要有機物質來源，并顯著提高土壤中氮的濃度[7]。

3 大型藻類作為生物肥料

海藻是一種大型藻類，具有多種用途，可用于生物肥料、土壤調理劑、動物飼料和生物燃料。這類海洋植物也被認為是富含生物活性化合物的自然資源。類胡蘿卜素、萜類、葉黃素、葉綠素、藻膽素、多不飽和脂肪酸、多糖、維生素、甾醇、生育酚和藻藍蛋白是大型藻類產生的生理活性植物化學物質[8]。在全球范圍內，海藻仍然被認為是一種被低估的資源。馬尾藻是一種快速生長的大型藻類，含有高水平的抗氧化劑、胡蘿卜素和酚類，包括著名的抗癌成分巖藻黃素；馬尾藻是一種棕色大型藻類，可以在世界各地的溫帶和熱帶水域中被發(fā)現，通常出現在淺水區(qū)和珊瑚礁上，盡管也有一些自由漂浮的物種。在某些地方，馬尾藻被收獲用作食物來源和肥料，也被用作藥物來源。海藻肥料產品的目的是提高處理作物的發(fā)芽率和作物產量，促進根系對養(yǎng)分的吸收。長期以來，漂流的海藻一直被世界各地的沿海地區(qū)用作土壤調理劑。研究人員進行如下實驗，使用了四種處理方式：1）90%沙土加10%馬尾藻粉；2）90%沙土加10%江蘺藻粉；3）90%黏土加10%馬尾藻粉；4）90%黏土加10%江蘺藻粉。并以100%沙土和100%黏土作為對照組，研究者考察了兩種土壤調理劑（馬尾藻和江蘺藻）對土壤有機質含量、pH值、C/N比的影響[9]。

土壤肥力最重要的決定因素之一是有機質含量，它有助于農作物生產。添加海藻的土壤調理劑影響土壤中有機物含量的能力有所不同，土壤肥力將隨著有機質含量的增加而提高，土壤肥力最重要的決定因素是土壤中的有機質。添加土壤調理劑將對土壤中的總有機質產生重大影響，無論是沙土還是黏土。無論其重要性如何，添加馬尾藻粉比添加江蘺藻粉更能增加土壤有機質含量[9]。

土壤pH值是衡量土壤酸度的一種指標，并影響農作物養(yǎng)分的有效性。大多數農作物的最佳pH范圍在5.5～7.5之間；然而，添加海藻土壤調理劑對土壤pH值有顯著影響[10]；在添加土壤調理劑之前，黏土和沙土的培養(yǎng)基pH值均約為8。在使用海藻作為土壤調理劑后，有一個明顯的跡象，pH值接近7，即農作物生長的最佳pH值[10]。C/N比是特定物質中碳與氮的比率，是評估土壤肥力的重要組成部分，直接影響土壤中的農殘分解和氮循環(huán)。對于農殘分解，C/N比為24是最佳的。C/N比越大，介質中的碳越多，氮含量越低。C/N比小于24也意味著由于氮濃度增加，土壤生產力更高。由于氮對蛋白質合成和代謝中的酶功能至關重要，因此氮是農作物發(fā)育最重要的營養(yǎng)因素。由于土壤調理劑主要由植物凋落物組成，當添加到特定的培養(yǎng)基中時，它將提高或降低C/N比。研究顯示，沙土和黏土之間的C/N比存在顯著差異，黏土的C/N比高得多。在沙土中，海藻產生的土壤調節(jié)劑提高了C/N比，其中，馬尾藻的C/N比大于江蘺藻。由于沙土中有機碳的含量明顯較少，添加土壤調理劑可提高其有機碳含量。此外，黏土由于有機碳含量高，C/N比也較高。土壤調理劑的使用可顯著降低C/N比。海藻含具有高蛋白質，這也解釋了為什么海藻作為土壤調理劑會提供額外的氮，C/N比將顯著降低[10]。海藻中的蛋白質含量因物種而異，棕色海藻的蛋白質含量低于綠色和紅色海藻。由于添加像江蘺藻這樣的紅色海藻可以在土壤中維持更高的蛋白質和氮可用性，C/N比將顯著低于添加馬尾藻這樣的棕色海藻，所以在降低C/N比方面，江蘺藻優(yōu)于馬尾藻[10]。

4 利用藻類去除土壤中的重金屬

近年來，由于采礦、能源生產、燃料生產、電鍍、廢水處理等人類活動，重金屬在環(huán)境中的含量逐年增加。這類污染物不會被細菌或其他生物破壞，會在環(huán)境中無限期地存在。因此，重金屬在土壤、溪流和沉積物中的濃度往往超過允許限值，當砷、汞、鉻、鎳、鉛、鎘、鋅和鐵等重金屬過量存在時，威脅著農作物的產量和人類健康。

使用反滲透、電滲析、超濾、離子交換、化學沉淀等方法可以去除重金屬。但是，這些方法均有一些缺點，比如大量試劑使用會產生其他廢物。微藻的新陳代謝可以轉化和凈化這些外來化學物質和重金屬；另外，微藻是非致病性的，不存在向環(huán)境排放污染物的可能性。生物吸附也被認為是一種從水中去除重金屬的方法。微藻吸收重金屬廢物作為營養(yǎng)來源，并依靠自身酶系統(tǒng)破壞污染物。生物吸附是生物材料將重金屬聚集在其表面的能力，近年來其由于使用了源自自然豐富的微藻或發(fā)酵企業(yè)副產品的生物吸附劑而受到青睞[11]。苔蘚、水生植物和葉基吸附劑都被發(fā)現是重要的生物吸附劑。微藻已被證明具有顯著的金屬結合能力，這與細胞壁表面多糖、蛋白質或脂質的存在有關，其中包括氨基、羥基、羧基和硫酸鹽等官能團，這些官能團可以充當重金屬結合位點。因此，微藻細胞壁是捕獲重金屬的關鍵細胞器。

5 結論與展望

微藻和大型藻類是無污染農業(yè)應用中最理想的環(huán)保生物肥料。微藻比大型藻類對土壤的生物肥力更有效，但大型藻類在水生介質中的效果更好。微藻可以在實驗室中快速繁殖，產生大量的微藻。微藻在黏土中的土壤肥力水平高于沙質土壤。此外，微型和大型藻類通過生物吸附和體內轉化的方式可去除土壤中的重金屬。

生物肥料的使用是全球農業(yè)的未來，有望取代化學肥料。由于它在土壤上更安全，也有利于微生物進行生物降解，從而以安全的方式提高土壤肥力，而不會留下化學殘留物。另外，隨著納米科技的發(fā)展，納米產品將為農作物的病蟲害管理提供綠色、高效的替代品。在生物肥料中添加納米材料，提高農作物對環(huán)境脅迫的抵抗力，改善農作物生長條件，并提高農作物的質量和產量。