作者：Sihui Yang, Yifei Wang, Jiayi Yuan, Bing Tian, Xiaolin Xu, Pengfei Cheng, Artem Yurevich Manyakhin, Lina Wei, Jianhua Fan*, Xiongfang An*

01 论文信息

论文信息

Sihui Yang, Yifei Wang, Jiayi Yuan, Bing Tian, Xiaolin Xu, Pengfei Cheng, Artem Yurevich Manyakhin, Lina Wei, Jianhua Fan and Xiongfang An. Phosphate-solubilizing bacteria drive transformation and release of phosphorus in phosphorus-enriched sludge biochar: Efficacy validation and multifaceted mechanisms[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.02.004

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Phosphate-solubilizing bacteria drive transformation and release of phosphorus in phosphorus-enriched sludge biochar: Efficacy validation and multifaceted mechanisms

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 解磷菌赋能污泥炭实现磷高效释放与转化

02 背景简介

磷是维系全球生态系统运转与农业生产的核心不可再生养分。当前，全球磷矿资源日趋枯竭，而污水污泥中磷含量可达干重的3.7%，是极具开发潜力的“磷资源库”。然而，现阶段污泥磷回收效率低下，大量磷素流失不仅造成资源浪费，也引发一系列环境问题。污泥热解制备的富磷污泥炭虽可实现磷的富集，但其中99%以上的磷以钙、铁、铝结合的难溶性矿物态存在，生物有效性极低，难以被植物直接利用，严重制约了其农业资源化应用。解磷菌虽能将难溶性磷转化为生物可利用形态，但游离态应用存在定殖能力差、环境耐受性弱等短板，难以充分发挥解磷效能。

针对这一局限，石河子大学范建华、安雄芳团队于Green Carbon发表题为“Phosphate-solubilizing bacteria drive transformation and release of phosphorus in phosphorus-enriched sludge biochar: Efficacy validation and multifaceted mechanisms”研究论文，通过将解磷菌固定化于富磷污泥炭，成功构建了高效的生物炭—微生物复合体系，实现了污泥炭中磷的定向转化与高效释放，系统揭示了复合体系的协同解磷机制，为污泥磷资源的高值化回收与农业资源化利用开辟了新路径。

03 文章简介

筛选获得高效耐逆解磷菌，解磷性能与环境适应性俱佳

团队从污水污泥中分离筛选出一株高效解磷菌——解鸟氨酸拉乌尔菌（Raoultella ornithinolytica PSB1），该菌株对磷酸钙、磷酸铁、磷酸铝等不同类型难溶性磷酸盐均展现出优异的溶解能力，在pH 5.0条件下对磷酸钙的溶磷量可达72.01 mg/g。同时，菌株具备突出的盐碱性、温度耐受性，在10%-15%盐度的恶劣环境中仍能保持较高的生长活性与解磷效能，为后续固定化应用奠定了优质菌种基础。

图1. 高效耐逆解磷菌PSB1的筛选

构建PSB1@PBC复合体系，大幅提升磷释放效率与微生物稳定性

团队以550℃热解制备的富磷污泥炭（PBC）为载体，通过优化固定化工艺参数，将解磷菌PSB1成功固定化，构建了PSB1@PBC生物炭—微生物复合体系。该体系为解磷菌提供了稳定的生存微环境，菌体密度较游离态菌体提升1.51倍；同时实现了磷的高效释放，4天内可溶性磷释放量达26.80 mg/g，是未改性污泥炭的17.5倍，且磷释放呈现 “快速释放—缓慢稳定”的双相特征，高度契合农业生产中养分持续供给的实际需求。

图2. 生物炭基菌剂的构建与磷释放效率

揭示三重协同解磷机制，实现难溶性磷向有效态定向转化

研究证实，PSB1@PBC复合体系的高效解磷效能源于微生物酸化、酶促矿化、螯合辅助溶解三重机制的协同作用：一是菌株分泌丙二酸等有机酸酸化微环境，破坏矿物结合态磷的晶格结构，促进磷的溶解；二是显著提升磷酸酶活性，实现有机磷的酶促水解，转化为生物可利用态磷；三是分泌铁载体螯合金属阳离子，避免溶解的磷再次沉淀，加速难溶性磷的持续解离，成功实现了难溶性磷向生物可利用态的定向转化，且总磷无明显损失。

图3. 复合体系协同解磷的分子机制

明确磷释放动力学特征，为实际应用提供精准理论支撑

动力学分析表明，未改性污泥炭的磷释放受化学溶解过程控制，释放速率缓慢；而PSB1@PBC复合体系的磷释放遵循Higuchi模型，表现为扩散控制机制，生物炭的传质过程成为磷释放的限速步骤。这一特征清晰揭示了微生物对磷释放过程的调控作用，为后续通过改性生物炭孔结构、改善微生物定殖条件等方式进一步提升磷释放效率，提供了精准的理论依据和优化方向。

图4. 复合体系磷释放的动力学特征

总结与展望

当前，固废资源化利用与磷素循环闭环构建已成为绿色低碳发展的重要方向。生物炭基微生物制剂兼具固废载体的资源化属性与微生物的功能化优势，成为污泥磷回收、土壤养分提升与农业面源污染防控的研究热点。未来该领域的研究将围绕四大核心维度展开：菌种层面，重点开展高效功能微生物的筛选与基因工程改造，进一步提升菌株的解磷效能与环境耐受性；载体层面，推进生物炭的定向改性与载体性能优化，增强其对微生物的固定能力和养分调控能力；应用层面，开展复合体系的田间应用效果验证与环境适应性提升，推动技术从实验室走向农业生产实际；制剂层面，研发多菌群协同的复合制剂，实现解磷、固重金属、促生等多功能协同，全面提升农业应用价值。

本研究实现了污水污泥固废的“资源化—高值化”利用，既解决了污泥磷回收效率低的行业问题，又制备出高生物有效性的磷素缓释材料，为农业生产提供新型磷源，同时减少污泥固废对环境的潜在危害，也为绿色碳材料与环境微生物技术的融合应用提供重要参考，对推动全球磷素循环闭环、实现农业可持续发展与 “双碳” 目标具有重要的现实意义和应用价值。

04 作者简介

范建华 教授

范建华，石河子大学/华东理工大学教授、博士生导师。入选教育部长江学者奖励计划青年学者、上海市浦江人才、新疆天池英才创新领军人才等，Green Carbon青年编委。长期从事合成生物制造与绿色低碳技术研究，聚焦光合微生物碳氮磷高效生物转化、合成生物系统构建与应用、功能活性评估与产品开发等方向，主持国家重点研发计划合成生物学专项等国家级项目，在专业领域期刊发表论文70余篇，申请/授权发明专利30余件，出版专著1本。

安雄芳 副教授

安雄芳，石河子大学化学化工学院副教授，新疆天物生态环保有限公司技术顾问。主要从事环境生物工程、污泥资源化利用与生态修复研究，立足新疆地区生态环境特色，深耕磷素回收、生物炭基微生物制剂研发与工程应用，主持国家自然科学基金及多项省部级与企业合作项目，推动环境微生物技术从实验室走向实际工程应用，助力区域生态环境保护与农业绿色发展。

05 Green Carbon

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