科普园地 | 海水中矿质元素的农业利用——制肥新思路

海水中矿质元素的农业利用—制肥新思路

陈粤琦  孙培源  胡佳雯  马淑妍  连宾

南京师范大学 海洋科学与工程学院，南京 210023

01 利用海水矿质元素——势在必行

俗话说“民以食为天”，人类的生存繁衍需要粮食，而粮食的生产又需要肥料。由此有人把肥料产业戏称为“外婆”产业，彰显肥料生产对人类生存和发展的重要性。提到肥料，我们可能首先会想到尿素、普钙和硫酸钾，事实上肥料的种类多种多样，有常量元素肥料，如氮肥、磷肥、钾肥、钙肥和镁肥等；有微量元素肥料，如锌肥、锰肥、铜肥、铁肥和硼肥等。其中，肥料提供的氮、磷、钾素是农作物生长的三大必需营养元素，是每个活细胞不可缺少的重要组成部分。当氮素充足时，植物可合成较多的蛋白质，促进细胞分裂和增长，能有更多的叶面积用以光合作用。磷在植物体内参与光合作用、呼吸作用、能量储存和传递、细胞分裂等生理生化过程，能促进根系的形成和发育，提高植物适应外界环境的能力。钾能增强植物应对各种不良状况，如干旱、低温、较高的含盐量、病虫危害和倒伏等。施用钾肥能够增强作物的光合作用，促进结果和提高抗寒、抗病能力，从而提高作物产量（李俊等，2011）。含多种矿质元素的肥料（如微量元素肥料）一般是在氮、磷、钾肥的基础上补充施用，虽然植物对微量元素的需求量小，但微量元素与常量元素对植物的健康生长同等重要。如铁元素参与叶绿素的形成，失绿的叶片往往缺铁；硼是细胞壁的一种成分，同时可以促进植物体内碳水化合物的运转；锌元素主要对作物根部保护膜与作物表皮细胞膜的稳定性起关键作用，可以提高作物的抗旱能力。可以说，矿质肥料的生产是维护我国乃至世界粮食安全的重要保障。图1显示2020年中国化肥行业主要产品（氮、磷、钾肥）产量占比结构，该图显示氮肥占比最大，钾肥产品的产量接近磷肥。

图1  2020年中国化肥行业主要产品产量占比结构（数据来源于《中国统计年鉴》，2020）

从资源配给上看，我国氮肥生产需要消耗大量的优质煤资源，而这一资源正在不断减少；我国生产磷肥所用的主要原料——磷矿石，开采难度逐年增大，能直接用于高浓度磷肥生产的磷精矿越来越少，选矿成本提高；我国的水溶性钾资源储量不多，产量与市场需求相差较大，钾肥的保障程度严重不足。目前，我国只能依赖大量进口钾肥（加拿大、白俄罗斯和俄罗斯是世界上主要的钾肥出口国）。长期大量进口钾肥，虽然可以暂时缓解我国缺乏钾资源的困境，但在纷繁复杂的国际政治格局下存在很大风险，如当前的俄乌冲突给世界钾肥市场带来严重冲击和不确定性。

为保障我国的粮食安全，维护生态健康，我国政府近年来大力推进化肥限量和科学施肥的举措，如增加有机肥和生物菌肥在农业生产中的应用等，但这些措施并不能完全解决大规模农业生产所需的矿质营养问题。保证粮食安全，施用化肥仍然必不可少。对此，探寻开发新的可利用矿质元素资源显得尤为迫切。

众所周知，覆盖地表面积最大的海水中含有十分丰富的矿质元素，并孕育了多姿多彩的海洋生物世界，如能利用生物技术手段获取海水中的矿质元素制作复合肥料，则既能解决农业生产中一部分肥料需求，也符合当下绿色可持续发展的要求。尽管目前还存在很多技术难题，但这一研究思路仍然得到科技工作者的热切关注。

02 开发海水矿质元素资源——取之不尽

地球上海水的覆盖面积占比将近71%。广袤的海洋中蕴藏着丰富的矿物质，有多种常量元素、微量元素，如金属元素钠、钾、钙、镁，非金属元素氯、氮、磷等（表1），其中大都是植物生长所必需的元素。

表1 海水中的溶解态元素（引自冯士筰等，2010）

科学研究证实，植物必需的主要由土壤提供的矿质元素有16种，包括N、P、K、S、Ca、Mg、Si和Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Na、Ni等，其中N、P、K属大量元素，Ca、Mg、S和Si属中量元素，Fe（也可称为半微量元素）、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Na、Ni、Cl属微量元素。虽然这些元素在海水中的浓度较低，但是海水的体量庞大，可谓取之不尽，用之不竭。

从海水中提取矿质元素，主要是提取以离子形式存在的金属元素。目前提取的方法主要有化学沉淀法、溶剂萃取法、膜分离法以及生物吸附法（表2）等，其中生物吸附属于环境友好型方法，具有绿色环保和节约成本的优势，是当前的重点发展方向。

表2 从海水中提取金属元素的基本方法

需要说明的是，尽管海水中的矿质元素极为丰富，但因成本和技术问题，海水中矿质元素的农业利用仍然处于探索之中。目前主要还是一些利用海水灌溉来矫正酸性土壤为目标的研究，以及一些探究海水灌溉对酸性土壤理化性状以及土壤酶活性影响的研究（周杨等，2018；梁勇等，2007；Zhao，2010），尚难以推广应用。为此，聚焦海水中矿质元素农业利用的前沿问题，另辟蹊径，采用对植物生长有益的微生物来富集海水中的矿质元素，并以此来制作含有多种矿质元素的微生物肥料，或许是未来解决海水矿质元素农业利用中卡脖子问题的关键。

03 利用海水矿质元素——势在必行

微生物肥料也称微生物菌肥。作为一种微生物制剂，不同于传统的化肥，微生物肥料是含有特定微生物活体的制品，应用于农业生产，是通过其中所含微生物的生命活动，增加植物养分的供应量或促进植物生长，提高产量，改善农产品品质及农业生态环境，具有无污染、无残留和环境友好等特点（李俊等，2011），施用微生物肥是当前提倡科学施肥和减少化肥用量的重要农用生产措施。微生物肥料主要分为微生物接种剂、生物有机肥和复合微生物肥料三类。按照微生物肥料的作用机理又可划分为根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌类肥料、解钾菌类肥料、菌根菌肥料等。微生物肥料的功效主要有增加土壤肥力，产生激素类物质刺激作物生长和防治有害微生物（连宾等，2004）。目前有机矿物微生物肥料已成为一个新的肥料研究热点（Syed et al, 2021），如利用微生物转化法处理含钾岩石制作的有机矿物肥在田间试验中取得很好的效果（Li et al., 2022; 连宾等，2020）。

微生物絮凝剂是指利用生物技术制作的具有絮凝功能的微生物菌体，或是从微生物体及其分泌物中提取、纯化获得的一种生物絮凝物质。由于优选的微生物絮凝剂不但具有传统化学絮凝剂的特性，而且还具有可生物降解、絮凝效率高和生物安全等优点，因此受到广泛关注（陈烨和连宾，2004；Lian et al, 2008）。探讨利用有益微生物制作的微生物絮凝剂来吸附和富集海水中的矿质元素，制作微生物矿物质肥料是一条可行的值得探索的绿色发展路径，其基本的制作和处理流程如图 2所示：

图2 利用微生物絮凝剂制作多素微生物肥

科学研究证实，一些对农作物生长有利的微生物菌剂（如胶质芽孢杆菌）也可以制作高效的微生物絮凝剂（Hao et. al., 2016; Lian et al, 2008），这为利用微生物菌体吸附海水中的有益元素并在农业生产上进行利用提供了理论依据。

有关微生物吸附金属离子的絮凝机理主要有桥联作用机理、电性中和机理以及化学反应机理（Lian et al, 2008）。桥联作用机理认为絮凝剂大分子可借助离子键、氢键和范德华力，吸附金属离子或胶体颗粒，在颗粒间形成“架桥”现象，从而形成一种网状的三维结构而沉淀下来（图3a）。

图3  微生物絮凝剂的絮凝机理（a：吸附架桥过程；b：电性中和过程）

微生物絮凝剂的电性中和机理是：菌体表面一般带有负电荷，当带有正电荷的阳离子靠近它时，能中和其表面部分电荷，通过分子间作用力凝聚而沉淀（图3b）。在微生物絮凝剂对金属离子或胶体颗粒进行吸附或表面发生的电性中和的过程中，有时也会发生化学反应，即生物大分子中某些活性基团与被絮凝物质中的某些相关基团发生化学反应，聚集成较大分子而沉淀，这就是絮凝过程的化学反应机理。在微生物絮凝过程中，这几种机理所反映的吸附过程可能同时存在，但参与的程度可能不同。

以海水资源制得微生物肥料并在农业上进行利用的设想虽然很美好，但是目前仍有很多困难需要克服，如微生物絮凝剂的选择性吸附和有效菌株的持续性生长等问题。随着科学技术的不断进步，许多现存的难题将会逐步得到解决，相信在不远的将来，海洋丰富的矿质资源将会在陆地农业生产中被更多利用。