藻类作为生物肥料的现状与展望*

侯梦惠 ，白嘉烜 ，李宇璇 ，郑大勇

（华北理工大学药学院，河北 唐山 063210）

0 前言

农业的成功在很大程度上取决于土壤的肥力水平，土壤健康是有机耕作系统的基础。农作物需要肥沃土壤中的营养成分，而肥沃土壤也支持多样化的生物种群，来帮助土壤抵御环境恶化问题。重金属是指对生物有明显毒性的金属元素或类金属元素，近年来，由于采矿、能源生产、燃料制造、电镀、废水污泥处理和农业生产等人类活动，重金属在土壤环境中的浓度不断上升。这些重金属不会被细菌或其他生物降解，将无限期地滞留在环境中。重金属的浓度经常超过土壤、水道和沉积物中的允许水平。砷、汞、铬、镍、铅、镉、锌和铁等重金属过量时会产生毒性。研究表明，氮缺乏可影响农作物的产量，包括生长迟缓、植株矮化、叶片发黄。此外，大量施用的氮素化肥会通过挥发、淋滤、反硝化等形式造成土壤侵蚀[1]。因此，迫切需要有效和正确的无污染农业用生物基肥料，以提高农作物产量。

藻类是地球上最独特的生物，具有农业的潜在应用，如生物肥料和土壤调理剂，可提高土壤肥力[2]。土壤藻类起源于土壤中，可在土壤表面以下几厘米处存活。土壤是藻类进化的重要栖息地，具有固氮的作用。在不同地区、不同土壤类型中发现的藻类可能表明土壤环境的健康范围。藻类的生长还通过管理水流来减少土壤侵蚀。同样的，藻类在土壤复垦、土壤肥力、农业害虫生物防治和农业废水处理中发挥着巨大作用[3]。

1 生物肥料和藻类类型

生物肥料是一种活的微生物，可以改善土壤的化学和生物特征，恢复土壤肥力，促进农作物生长。农作物的生长需要营养元素——氮，而氮的缺乏可以通过使用肥料来纠正。然而，过度和长期地使用化学或合成肥料则导致环境污染，最终导致生态系统失衡。

本文使用五种藻类作为研究对象，测试了添加藻类对农作物发育、营养以及土壤物理和化学特征的影响。这五种藻类包括蓝藻节旋藻（螺旋藻）、单细胞绿藻小球藻、掌状红皮藻、棕色海藻和结节藻。结果显示，小球藻和螺旋藻增加了土壤中的总氮和可利用的磷；螺旋藻提高了土壤硝酸盐水平；掌状红皮藻显著提高了土壤中的无机物（NH4+和NO3-）浓度。小球藻则增加了土壤中的磷、氮和碳。总之，添加藻类对土壤水稳性几乎没有影响，而所有藻类均提高了土壤无机氮浓度[4]。

已发现土壤微生物群落可提高土壤肥力。同时，藻类微生物群也被发现是一种真正的生物肥料，用于农业技术，既环保又无污染。藻类能适应极端的生存环境，可在极端光照条件下茁壮成长，且所需的营养成分有限，如碳、氮水平及需水量较低。工业化的农业生产在很大程度上取决于自然和土壤类型，使用改良的农作物品种，利用丰富的自然生物资源来改善农作物营养状况，可以恢复土壤失去的肥力。由于生物肥料具有成本效益、环境友好性和可再生性，可以替代或补充目前使用的成本较高的能源密集型化肥。生物肥料含有有益微生物的活细胞或死细胞，应用于土壤系统后，可迅速侵入农作物根际，通过固氮、矿化和改善磷酸盐溶解度等机制，将难以获得的矿物形式转化为农作物所需的营养物质，从而促进农作物生长和发育[5]。

2 微藻作为生物肥料

真核绿藻和原核蓝藻是被称为微藻的光合生物。它们作为生物资源在医药、医疗、饲料和燃料等领域有很大的应用前景。微藻可能是单细胞、多细胞、丝状或皂质的。微藻也是世界上最大的初级生产者，有20多万种。工业上微藻生产需要大规模养殖，通过标准的提取、分离和回收，以确保食品、化学品、饲料、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，微藻还可以提供农作物生长所需的激素、多糖等化学物质。微藻通过光合作用可将大气中的CO2同化为碳水化合物，作为土壤中的主要有机物质来源，并显著提高土壤中氮的浓度[7]。

3 大型藻类作为生物肥料

海藻是一种大型藻类，具有多种用途，可用于生物肥料、土壤调理剂、动物饲料和生物燃料。这类海洋植物也被认为是富含生物活性化合物的自然资源。类胡萝卜素、萜类、叶黄素、叶绿素、藻胆素、多不饱和脂肪酸、多糖、维生素、甾醇、生育酚和藻蓝蛋白是大型藻类产生的生理活性植物化学物质[8]。在全球范围内，海藻仍然被认为是一种被低估的资源。马尾藻是一种快速生长的大型藻类，含有高水平的抗氧化剂、胡萝卜素和酚类，包括著名的抗癌成分岩藻黄素；马尾藻是一种棕色大型藻类，可以在世界各地的温带和热带水域中被发现，通常出现在浅水区和珊瑚礁上，尽管也有一些自由漂浮的物种。在某些地方，马尾藻被收获用作食物来源和肥料，也被用作药物来源。海藻肥料产品的目的是提高处理作物的发芽率和作物产量，促进根系对养分的吸收。长期以来，漂流的海藻一直被世界各地的沿海地区用作土壤调理剂。研究人员进行如下实验，使用了四种处理方式：1）90%沙土加10%马尾藻粉；2）90%沙土加10%江蓠藻粉；3）90%黏土加10%马尾藻粉；4）90%黏土加10%江蓠藻粉。并以100%沙土和100%黏土作为对照组，研究者考察了两种土壤调理剂（马尾藻和江蓠藻）对土壤有机质含量、pH值、C/N比的影响[9]。

土壤肥力最重要的决定因素之一是有机质含量，它有助于农作物生产。添加海藻的土壤调理剂影响土壤中有机物含量的能力有所不同，土壤肥力将随着有机质含量的增加而提高，土壤肥力最重要的决定因素是土壤中的有机质。添加土壤调理剂将对土壤中的总有机质产生重大影响，无论是沙土还是黏土。无论其重要性如何，添加马尾藻粉比添加江蓠藻粉更能增加土壤有机质含量[9]。

土壤pH值是衡量土壤酸度的一种指标，并影响农作物养分的有效性。大多数农作物的最佳pH范围在5.5～7.5之间；然而，添加海藻土壤调理剂对土壤pH值有显著影响[10]；在添加土壤调理剂之前，黏土和沙土的培养基pH值均约为8。在使用海藻作为土壤调理剂后，有一个明显的迹象，pH值接近7，即农作物生长的最佳pH值[10]。C/N比是特定物质中碳与氮的比率，是评估土壤肥力的重要组成部分，直接影响土壤中的农残分解和氮循环。对于农残分解，C/N比为24是最佳的。C/N比越大，介质中的碳越多，氮含量越低。C/N比小于24也意味着由于氮浓度增加，土壤生产力更高。由于氮对蛋白质合成和代谢中的酶功能至关重要，因此氮是农作物发育最重要的营养因素。由于土壤调理剂主要由植物凋落物组成，当添加到特定的培养基中时，它将提高或降低C/N比。研究显示，沙土和黏土之间的C/N比存在显著差异，黏土的C/N比高得多。在沙土中，海藻产生的土壤调节剂提高了C/N比，其中，马尾藻的C/N比大于江蓠藻。由于沙土中有机碳的含量明显较少，添加土壤调理剂可提高其有机碳含量。此外，黏土由于有机碳含量高，C/N比也较高。土壤调理剂的使用可显著降低C/N比。海藻含具有高蛋白质，这也解释了为什么海藻作为土壤调理剂会提供额外的氮，C/N比将显著降低[10]。海藻中的蛋白质含量因物种而异，棕色海藻的蛋白质含量低于绿色和红色海藻。由于添加像江蓠藻这样的红色海藻可以在土壤中维持更高的蛋白质和氮可用性，C/N比将显著低于添加马尾藻这样的棕色海藻，所以在降低C/N比方面，江蓠藻优于马尾藻[10]。

4 利用藻类去除土壤中的重金属

近年来，由于采矿、能源生产、燃料生产、电镀、废水处理等人类活动，重金属在环境中的含量逐年增加。这类污染物不会被细菌或其他生物破坏，会在环境中无限期地存在。因此，重金属在土壤、溪流和沉积物中的浓度往往超过允许限值，当砷、汞、铬、镍、铅、镉、锌和铁等重金属过量存在时，威胁着农作物的产量和人类健康。

使用反渗透、电渗析、超滤、离子交换、化学沉淀等方法可以去除重金属。但是，这些方法均有一些缺点，比如大量试剂使用会产生其他废物。微藻的新陈代谢可以转化和净化这些外来化学物质和重金属；另外，微藻是非致病性的，不存在向环境排放污染物的可能性。生物吸附也被认为是一种从水中去除重金属的方法。微藻吸收重金属废物作为营养来源，并依靠自身酶系统破坏污染物。生物吸附是生物材料将重金属聚集在其表面的能力，近年来其由于使用了源自自然丰富的微藻或发酵企业副产品的生物吸附剂而受到青睐[11]。苔藓、水生植物和叶基吸附剂都被发现是重要的生物吸附剂。微藻已被证明具有显著的金属结合能力，这与细胞壁表面多糖、蛋白质或脂质的存在有关，其中包括氨基、羟基、羧基和硫酸盐等官能团，这些官能团可以充当重金属结合位点。因此，微藻细胞壁是捕获重金属的关键细胞器。

5 结论与展望

微藻和大型藻类是无污染农业应用中最理想的环保生物肥料。微藻比大型藻类对土壤的生物肥力更有效，但大型藻类在水生介质中的效果更好。微藻可以在实验室中快速繁殖，产生大量的微藻。微藻在黏土中的土壤肥力水平高于沙质土壤。此外，微型和大型藻类通过生物吸附和体内转化的方式可去除土壤中的重金属。

生物肥料的使用是全球农业的未来，有望取代化学肥料。由于它在土壤上更安全，也有利于微生物进行生物降解，从而以安全的方式提高土壤肥力，而不会留下化学残留物。另外，随着纳米科技的发展，纳米产品将为农作物的病虫害管理提供绿色、高效的替代品。在生物肥料中添加纳米材料，提高农作物对环境胁迫的抵抗力，改善农作物生长条件，并提高农作物的质量和产量。