纳米碳对土壤理化性质及其微生物的影响

2021-04-11

当代化工研究 2021年4期

（风禾尽起科技（北京）有限公司北京 100018）

1.纳米碳对土壤理化性质的影响

(1)纳米碳在土壤理化性质上产生的影响

碳在纳米尺寸效应和量子效应等一些表面效应和界面效应的影响下会导致原本土壤结构中的相关元素受到影响变化，并且土壤中包含的生物化学性反应也会产生一些变化，其对于土壤在以往农业生产过程中存在的一些制约性条件给予限制。纳米碳的表面台阶与纳米碳的粗糙程度相比要高出一些，并且键态呈现出的失配状态也是比较严重的，其出现了非常活性的中心，另外包膜拥有负性电荷以及本身的笼形芳香结构也与其存在一定的联系，使其可以有效的降低土壤中的pH值，让阳离子中的交换量等多个不同层面涉及到的内容能够将其积极的作用发挥出来。界面效应其本身也是纳米碳界面中的一种，其能够让界面自身的自由性得到有效的提升，其拥有的离子价态和电子运动传递以及结构关联的性能上也会产生一定的变化，而这些变化的效用主要体现在阳离子所具备的这种较为强大的吸附性上。

(2)需要对纳米碳土壤渗透持水性给予完善

土壤中包含水，而水同样也是土壤里物质与能量彼此运移和转换过程中必不可少的介质，土壤水分条件好坏也会对作物自身的长势产生影响，所以农业在实际进行生产过程中一般使用吸附剂去按错对土壤的持水性能的优化。可是以往吸附剂自身仍然存在一定的缺点，这些缺点集中在表面活性位点，自身的密度相对较小并且吸附键自身的活力不足，在异构体系中进行吸附的能力相对要慢一些，因为其不能够对其他介质传输的速度产生影响，所以，导致深层土壤其自身的保水性维修工作无法有效进行。碳纳米材料自身的表面积以及体积比都是非常大的。在将其与辅助材料进行混合之后，碳纳米材料自身的孔径分布以及表面化学效应则能够被人为的改进，这样的一种变化使得纳米碳材料在吸收上的局限性有所改变。所以，在最近几年中，纳米碳材料开始受到了人们的广泛使用，其中使用范围比较多的则是被使用在水土保持上，并且正是因为纳米碳的出现导致传统的吸附剂被替代。在纳米碳自身含量不断提升的同时，土壤里的粒径超出2μm的土壤水稳性团聚体的数量也会有不同程度的提升，这也将在农田开发过程中增加土壤的承载力。使土壤更致密，减少土壤中大孔的数量，增加中小型孔的数量，并减少外部抽吸对水的负面影响，减少外界吸力针对水分带去的负面影响，通过这样的方式会让其自身的保水与蓄水能力得到提升。

2.纳米碳针对土壤里微生物和酶活性产生的影响

伴随着科技的进步人们对于纳米碳的使用有了更为深入的了解，并且开始致力于使用纳米效应去完成相关的研究和开发。近些年因为受到土壤中微生物以及酶的活性产生的影响，他们已经成为了体现出土壤活力的非常重要的测量指标，因此很多研究人员开始对这一点去进行深入的研究。尽管当前国内与国外有很多在纳米碳和微生物还有酶之间关系上进行了很多的研究，但是在这一点上仍然有很多的问题需要解决。

通过学者的研究得出碳纳米材料自身具备一定的毒性会影响细菌与真菌等微生物，其毒性的强弱会伴随着自身浓度的变化而不断的产生改变。例如富勒烯相和碳纳米管给予对比其中就拥有非常强大的抗菌性能。碳纳米材料对于微生物产生的影响主要集中在对微生物的细胞造成伤害，而伤害的方式主要可以被分为两种，一种是会对微生物的细胞壁和细胞膜自身的结构造成破坏，在损坏的位置可以逐步的影响细胞；另外的一种方式则是运用细胞中的膜通道完成对细胞的吞噬。此外我们还需要注意的一点是，微生物细胞里包含的线粒体其本身也会被纳米材料所影响最终产生氧化的应激反应。

相反，目前有一些研究结果表明，纳米碳本身可以对土壤微生物和土壤酶产生不同程度的活化作用。另外，一些研究人员提出，纳米碳是一种无机物，可以非常高效的对土壤中的微环境进行适当的调节，让其能够和土壤中的生物共同的生存，同时还能够让土壤中构成的生态系统结构朝着更为合理的方向去进行发展。除此之外还有一些研究学者提出，在允许范围内其自身的丰度和土壤里单壁碳纳米管自身的浓度呈现的是正相关的联系。另外，部分研究人员在添加了纳米碳粉之后土壤脱氢酶活性会有一定程度的减弱，土壤里微生物生物量的整体含量也会存在不同程度的提升，能够使其有效的保持在一个较为稳定的水平上。从中能够看出，纳米碳不但能够让土壤脲酶自身的活性得到增强，并且还能够将其使用在强化土壤微生物自身的活性以及植物根系的活性，通过这样的方式让土壤酶自身的活性得到提升。

此外，还有一些学者通过研究得出碳纳米材料虽然会对土壤中细菌群落产生影响，但是其产生的影响是比较短暂的。专家们在土壤中添加了纳米碳，并且对其进行了研究，最后得出在添加完纳米碳之后土壤中的细菌群在14天之内就恢复到了正常。因此通过这一研究我们能够得出，纳米碳对于土壤中微生物产生的影响是可以恢复的，而且恢复的时间也比较快。

简而言之，纳米碳针对土壤微生物活性产生的影响是多种多样的。除了能够对微生物产生影响之外，纳米碳的添加还会对土壤的温度和有效水分等产生一定的影响，也正是因为产生的这些影响才导致土壤中的微生物以及酶的活性受到影响。因此需要进一步对其自身的机理进行研究，不同研究总结出的结果都会存在不同的差异，这主要是因为其在添加了纳米碳之后对于土壤中微生物带来的敏感性不同。通过对研究的试验结果进行对比可以看出，即便是让同种酶分布在不同的土壤里，那么纳米碳对于土壤产生的影响也是不同的。当前可以确定的一点是，如果在土壤中被加入了较多的纳米碳，那么纳米碳会对土壤微中的生物以及酶活性产生影响，因为纳米碳自身的表面积和土壤中的微生物之间的差异较大，而且达到一定的浓度会积聚静电并且对酶构成一定的吸附作用。

3.纳米碳在土壤生态修复中的有效应用

(1)水土保持

因为纳米碳的问世让很多研究学者纷纷的投到了其在土壤侵蚀中的使用上，通过专家坚持不懈的努力获得了一些非常可喜的成果。可是，我国研究学者进行试验的区域主要是集中在黄土高原，这一地区的水土双重侵蚀非常的严重。而在其他地区进行研究的却并不是很多，并且在这一领域进行研究的学者也较少。

(2)污染土壤的修复

以往使用的纳米碳的表面积相对较大，因此其能够使用自身包含的含氧官能增加自身的吸附力，除此之外因为其表面的碱性官能团相对较多，而酸性官能团相比来说存在的较少，因此使得纳米碳具备了非常理想的疏水性，同时也具备了较为强大的吸附性，但是其在吸附上也存在一定的局限，对于极性物质的吸附能力相对较弱。目前主要是选择氧化的方式去对改变其自身的形式，在改性完成之后纳米碳自身存在的负电荷会快速的提升，比表面积和平均孔径则快速的增多，这一种情况导致其中含有的氧基团会不断的提高，其产生的这种变化会导致极性重金属离子自身的吸附钝化能力加强。因此在最近的几年中，选择尽管改性之后的纳米碳材料去对于土壤中的污染物进行吸附已经成为了土壤修复必备的一种方式，同时也是研究人员热议的一个话题。

4.纳米碳应用的生态风险

尽管如前文提到的碳纳米材料所具备的表面效应较强，但是界面效应与尺寸效应缺失让纳米碳能够在水土保持中获得广泛使用的一个必备条件，可是这里还需要关注的一点是纳米碳本身的溶解度并不高，同时因为纳米碳的脂肪性比较强大因此其在使用上主要是集中在其自身的特点上去进行的,除此之外其在使用上还需要注意的一点是无法完善生物降解。这种情况导致纳米碳在应用过程中会产生很多不能够得到确认的风险，除了这些之外也会出现危害人类与环境的风险等。

目前如果想要让纳米碳在土壤理化上的研究得到完善，那么则需要从农业生物生命现象以及农业过程本质上去对其给予深化，使得纳米碳技术能够在我国的农业领域里获得更高水平的应用。