微生物应用 | 农业废弃物资源化利用
农业废弃物资源化利用
我们一直认为工业排放是土地、水体污染的主要来源，但随着人类生活需求的增加，未经处理的农作物和牲畜，家禽和水产养殖废水导致的污染源比例已经大于工业污染，传统的面源污染防控措施包括节水灌溉、水肥一体化、保护性耕作等减源技术，生态沟渠、生态干渠等过程拦截技术，以及人工湿地再处理等末端治理技术，然而这些技术均建立在土-水两相界面上，忽略了土水间的生物相。在稻田等浅水生态系统中，微藻、细菌等聚集在土壤表层，在土水界面上形成生物微界面环境，并可通过同化吸收、吸附、硝化、反硝化、水解、降解等过程影响氮、磷、有机物等的转化过程，进而影响面源污染的产排过程，多年来却鲜有人关注。
此外，生态系统自身具有调控功能，农业生态系统也不例外。在农业生态系统内部，可通过优化土地利用格局来实现面源污水的回用、提高氮磷营养盐利用率、阻断污染物迁移过程，充分利用农业生态系统自身的调控功能来减少面源污染物的输出与排放。然而，现有面源污染防控技术仅关注源头减量或过程阻断，却很少从生态系统的层面上进行调控，忽略了生态系统自身的调控功能与机制，制约着面源污染防控措施的有效实施。基于此，南京土壤研究所与中国科学院生态环境中心的研究者结合多年从事面源污染防控及生态系统服务功能研究的经历与积累，从“土-生-水”三相界面及农业生态服务区域集成的角度提出了面源污染防控的新观点及策略，并以综述形式发表在《Science of the Total Environment》上。
从传统的“土-水”两相界面（A）到“土-生-水”三相界面（B）
基于农业生态系统服务区域集成的面源污染防控新策略
01
背景
高强度农业污染往往从广泛的土地面积运输到陆上，地下，甚至通过大气接收水体，使其难以测量和控制，一般来说，农业来源包括农田，畜牧业家禽，水产养殖，农村径流和生活污水扩散是非点源（NPS）污染的主要贡献者，尤其是在发展中国家。2007年，家禽和水产养殖业分别为13.24％，2.70％，每年28万吨，COD排放量超过了工业（每年564万吨）。特别是家畜，是COD的主要贡献者（每年1268万吨），TN和TP主要来自农田和家畜。在山区，土地使用不当以及随之而来的水土流失会导致NPS污染。总之，NPS污染的主要贡献者之一水富营养，威胁到地表的安全水生态系统。
02
观点
从NPS释放的营养素是很好的资源可以进行正确回收：
界面处的微生物群落在土壤与养分转化中起重要作用，应该在制定新策略时考虑，如营养利用优化和营养回收。此外，与其他生态系统类似，农业生态系统具有多种生态服务功能，包括保留土壤中的营养物和水分，并可以优化以协调生态系统服务功能，从而保留过剩的营养物质。
2.1 基于固体，液相和生物相的技术开发：
如上所述，营养运输和转化是土壤和水相之间NPS污染形成的本质。传统上，所有的策略和措施对于NPS污染控制基于两个阶段：固体和液体（图3A）。第三阶段，固相和液相之间的许多其他微生物特别是浅层水生生态系统，生物相由细菌，微藻，真菌组成。通常生物相在NPS污染形成和控制研究中被忽视，然而，它们之间在营养转化中起着不可忽视的作用水和土壤（图3B）。典型的例如水稻田，其中丝状藻类生长良好，真菌和其他微生物及内生生物（例如原生动物和metazoa）附着在土壤表面并与细菌形成微生物聚集体，称为周生生物膜。在稻田里，田间生物膜是营养物质的唯一途径，土壤和上覆之间可能发生转化和交换，生物相在固相和液相营养运输中起重要作用，生化和或化学反应参与营养转化多发生在生物阶段。微生物吸收氮和磷进行生长，保留营养成分作为生物量的一部分，如蛋白质，微生物死亡后生物质衰退，氮素将作为有机物释放回土壤肥料，生物相可以被视为临时的营养水槽和缓释肥料。研究也表明很多蓝细菌种能够固氮以改善氮农业领域。反过来，农业利用效率提高，养分排放量增加（例如稻田）减少。基于这个概念，基于藻类的微生物肥料已经开发了使用周生生物膜的肥料。
生物相也可以通过代谢活动，包括光合作用微藻和微生物呼吸，改变土壤的pH和氧化还原条件，它通过pH升高驱动氨挥发，阳离子或反硝化和磷沉淀到一定程度，从而减少农业径流中的养分浓度。此外，还有许多微生物生物相中的生物体，如磷酸盐增溶细菌（PSB），可以溶解Ca-P以活化封闭的磷土壤，从而减少磷的投入。许多微生物物种也可以分泌细胞外酶以水解磷酸盐到溶解的有机分子以增加磷生物利用度。一般来说，“三相”（液相，固相和生物相）的概念在自然条件下更客观，更贴近现实“。因此，除了缓释生物肥料，可以开发出许多其他基于固体，液相和生物相新技术，这对于来源和过程的NPS污染控制具有很高的潜力。微生物群落可以选择具有高营养转化能力然后在人造底物上培养，栽培后，可以放在农田（如稻田）提高营养利用效率，从而减少肥料输入，也可以安装含底物的微生物群落生态沟渠，以保持营养物质从径流到达表面。
2.2 从简单污染过程控制到综合利用农业生态系统自身的调控功能与机制：
由作物，树木，动物，地表水和土地组成的农业生态系统保留和消耗营养物质的能力很强，因此NPS污染控制的策略应该是区域性的考虑到：整个地区是不可分割的生态系统并利用生态系统的水分和营养保持功能，但目前使用的节水灌溉技术，保护性耕作和生态沟渠，只专注于小型农业生态系统的一部分，因此，未来的工作应该在生态系统水平，目的是维护和改善监管生态系统的服务，特别是改善水和养分保留能力，以减少核动力源的污染生产。因为营养物质的生物地球化学转化过程与土壤性质和利用，土地利用/覆盖密切相关农业生态系统的类型对NPS污染的生产形成有很大贡献。过量的营养输入可能会导致富营养化和下降，然而地表水质量，从NPS排放的营养物质（例如农田）可以被看作是植物重要的资源营养素（例如树木，草和水草）。
03
结论
作为农业水土之间不可忽视的阶段生态系统（如稻田），微生物组成的生物相在水与土之间的营养运输中起重要作用，然而，生物相通常在NPS污染控制中被忽略或低估。NPS产生的污染物在农业生态系统中以适当方式进行回收，基于三个阶段（液体，固体和生物相）的新技术可以通过优化土地利用/覆盖类型来开发农业生态系统。
Reference
Wu, Y., J. Liu, R. Shen, and B. Fu. "Mitigation of nonpoint source pollution in rural areas: From control to synergies of multi ecosystem services." The Science of the total environment 607 (2017): 1376.