生物炭是生物质热分解后的产物,是一种非常有效的碳锁定方式,能够使碳锁定长达成千上万年,这种碳锁定方法有利于减缓全球气候变化。多种生物质都可作为生产生物炭的原料,这是生物炭可以得到广泛应用的基本条件。生物炭具有优良的理化性质,主要应用在土壤改良、环境修复、畜牧养殖等方面。目前用于评估生物炭毒性的生物有机体有植物、细菌、藻类、原生动物和甲壳类动物,虽然这些生命有机体能在一定程度上能反应生物炭的毒性,但其中一些生物有机体并非耕地中原本就有的物质,不具有普遍代表性;其次有生命的生物体本身具有新陈代谢的作用,当接触污染物质后可能会触发一些反应机制,加强或减弱污染物质对生物体的作用,所以可能需要更多的辅助实验来真实反映生物炭的毒性作用。本研究选择以脲酶作为评估生物炭环境风险的研究对象,脲酶是世界上首次得到的结晶酶,也是首次被发现含有镍原子的金属酶,在生物化学发展史上具有里程碑意义,本文之所以选择脲酶作为评估生物炭毒性的研究对象,除了脲酶本身的特殊性,还因为脲酶是一种具有催化活性的蛋白质,对所处环境中的有害物质敏感,可以使微小的有害因素显现出来;脲酶是土壤中原本就有的物质,对于生物炭作为土壤添加剂造成的影响具有预见性;此外脲酶具有底物专一,一般只催化尿素水解,虽然也可以催化少数尿素衍生物水解,但其催化活性大大降低,可以有效排除反应体系中的干扰因素。在生物炭对脲酶活性影响的研究中,通过改变反应体系的组成,对比不同反应体系之间的差别来研究灭菌土和生物炭对脲酶活性的影响。结果发现生物炭和灭菌土都会吸附NH4+,而且生物炭对NH4+的吸附并不是由于比表面积和静电作用,而是因为生物炭中丰富的含氧官能团,它们能够为NH4+的吸附提供负电位点。由于生物炭和灭菌土对NH4+有吸附作用,所以在研究生物炭对脲酶活性影响时需要做相关校正实验。在生物炭对脲酶活性影响的实验中,研究者发现生物炭中含有的含氧官能团可能会氧化脲酶活性基团的巯基,从而影响脲酶活性;研究者还在生物炭中检测到了重金属和多环芳烃,这两类有害物质的含量都在μg/L的水平,与其他研究者测到的含量在同一数量级,这些有害物质的含量越高,脲酶活性越低,但在一定范围和时间内,脲酶对于这些有害物质具有一定的承受能力。重金属的作用机制是和脲酶活性位点的巯基结合,相当于形成金属-硫化物,从而使脲酶活性降低;对于多环芳烃的机制还无法确定,需要更多深入的研究。除此之外还在生物炭中检测到了环境持久性自由基,环境持久性自由基信号会随着热分解温度的升高而增加,虽然其所呈现的规律无法完全解释本研究中生物炭对脲酶活性的影响,但这是应用生物炭时不应该被忽视的一个潜在风险。生物炭在各个方面中展现的优良性质和成效,使得人们对生物炭应用给予越来越多的期望,同时也往往很容易忽视生物炭可能造成的潜在环境风险,所以对生物炭进行全面客观的环境风险评价是非常有必要的,这可以避免很多不可预知的后果。当对生物炭有了全面客观的认识后,有利于在今后应用生物炭时针对生物炭中含有的有害物质采取相应的处理措施,从而使生物炭的优点得到最大程度的发挥。本研究希望通过研究生物炭对脲酶活性的影响,为今后对生物炭进行全面客观的环境风险评价积累有价值的参考资料。