富磷小球藻（chlorella vulgaris）水热生物炭的稻田减磷增效应用及机制研究

Recovering phosphorus from the wastewater and applying these phosphorus resources to the farmland can solve the issues of phosphorus pollution in water and limitation of phosphate rock, the resources of phosphorus fertilizer. The chlorella vulgaris has been demonstrated to own the capacity to enrich the phosphorus from the wastewater, and store phosphorus within cells in the form of polyphosphate. Moreover, the hydrothermal carbonization is able to promote the degradation of polyphosphate by adjusting the pH in the reaction solution. Therefore, the hydrothermal carbonization is used in this research and different varieties of hydrochar will be fabricated under different reaction conditions. The hydrochar that most increases the phosphorus utilization efficiency by rice will be screened by characterizing the hydrochar and evaluating the nutrients uptake and growth after pot experiment. Afterwards, combined application of rhizobox system and nuclear magnetic resonance spectrum will reveal the mechanism of how phosphorus is released from the hydrochar to the rhizosphere of rice and taken up by the rice. This study contains three experiments: 1) fabricating phosphorus-rich chlorella vulgaris hydrochar; 2) screening the hydrochar that most increase the phosphorus uptake rate by rice; 3) conducting rhizobox experiment to analyze the mechanism with respect to phosphorus of chlorella vulgaris hydrochar transformation and mobilization in the rhizopshere of rice. We aim to research on the mechanism of applying the phosphorus-rich chlorella vulgaris hydrochar to the paddy soil to increase the phosphorus utilization rate, and hope to achieve the recycling of phosphorus from wastewater to crop-soil system.

将污水中的磷回收并在农田中供作物再利用是一个同时解决水体磷污染和磷肥来源紧缺难题的方法。而小球藻已经被证明了可以高度富集污水中的磷，并将富集后的磷以聚磷酸盐的形式贮存在细胞内。同时水热炭化法可以通过调节水热反应中水体pH从而促进聚磷酸盐的水解。因此本研究采用水热炭化法，通过控制反应条件制得不同的水热生物炭，并进行物理化学表征，以及水稻盆栽实验筛选出最佳的可以提高磷利用效率的水热生物炭。之后，建立根箱体系，结合核磁共振光谱分析技术揭示水热生物炭中的磷在水稻根际的释放以及被根系吸收的机理。本次研究包括水热炭化法制作富磷小球藻水热生物碳，盆栽实验筛选水稻磷利用率最高的水热生物碳，和根箱实验分析水热生物碳中的磷在水稻根际的迁移转化机理。通过这些实验研究富磷小球藻水热生物碳的稻田减磷增效应用和机制，最终希望实现磷从污水向作物－农田中的循环。

由于磷肥原材料磷矿石的储量越来越有限以及传统磷化肥相对较低的利用效率，更多的新的绿色磷肥需要被研发。一个可能性是在污水中培植微藻让微藻吸收污水中的磷，然后将微藻生物质通过水热碳化的方法转化为缓释性炭基磷肥。因此，本次研究的目的在于通过微藻和水热炭化的技术将磷从污水中循环到农田，实现资源的可持续利用。将小球藻(Chlorella vulgaris)和微囊藻(Microcystis sp.）在初始磷浓度为41.3mg P kg-1的污水中培养后发现，微囊藻吸收掉了污水中88.4%的磷，略高于小球藻。然后将吸收了污水中的磷的小球藻和微囊藻分别在200度和260度夏转化为水热炭，其中水热炭化时的反应基质分别使用去离子水或1 wt%的柠檬酸。结果发现使用1 wt%柠檬酸为介质的在260度下制成的微囊藻水热炭将91.5%的磷从微囊藻原材料中转移到了水热炭。水热碳化促进了溶解态和交换态磷向缓释态磷（铁铝结合态磷）的转化，并且使用柠檬酸作为反应介质相对于去离子水增强了这一过程。随着水热炭中缓释态磷库的增加，水热炭施入土壤后相对于传统化肥可以缓慢释放磷然后更持久性的改善土壤磷的有效性，这有利于促进植物对土壤磷的利用率。在一个小麦盆栽实验中，与传统化肥相比260度下以柠檬酸为介质制得的水热炭提高了小麦34.4%的磷利用率以及21.6%的产量。这些结果为将磷从污水中再利用为作物磷肥提供了新型可持续发展策略，为使用绿色肥料替代传统化肥并改善作物磷利用率提供了新思路。