根据《第一次全国污染普查公报》，农业污染已经超越了工业和城市生活污染，成为中国面源污染第一大来源，已经严重地造成了资源环境的破坏，特别是江河湖海水资源的污染。其中农田、农村畜禽养殖的直接排污是造成水体富营养化的主要原因，超过了来自城市生活和工业的点源污染。目前，系统性地防治农业水污染的措施主要包括三方面：污染源头减量、污染过程截断及污染终端修复^[1]。在这3个阶段中，“预防”和“控制”对污染减排的贡献要胜过“修复”。在防控阶段中，以生态环境自身的吸附与净化能力为主，加以微生物技术辅助，一方面能提高化肥、农药、饲料的利用率，减量源头污染，另一方面能提升生态系统的吸附与净化能力，截留过程污染^[2]。微生物技术已被应用于城市生活和工业废水等点污染的处理，并起到很好的效果。由于微生物菌种自然资源丰富，适应能力强，增殖速度快，在土壤中能与根系形成共生体系，强化生态位效果，因此在农业面源水污染领域具有广泛的应用价值^[3]。本文综述了微生物技术在防治农业面源水污染中的应用，分析了存在的问题，并展望了其应用前景，旨在为农业面源水污染防治提供参考。

“源头控制”作为预防手段，是防治面源污染最有效的措施。在农业源头污染减量方法中，利用微生物技术研制“生物肥料”、“生物农药”及“生物饲料”等能代替传统农业产品，提高肥料效率，提升抗病效果，从源头减少农用化学品的投放与流失量。

我国化肥施用量占世界总量1/3左右，高居第一。尽管化肥施用方便，能给农作物产量带来增长，但由于我国化肥过量施用，使多余的部分随降雨、灌溉和地表径流进入水体，造成了富营养化，污染水资源。另外化肥养分单一，长期不合理地施用，其利用率会明显下降，并致使土壤的理化性状受到破坏^[4]。传统有机肥虽能替代化肥，但施用不便，其应用推广受到限制。而微生物肥料富含多种土壤有益微生物，包括解磷菌、固氮菌、硝化菌、放线菌和纤维素降解菌等，能利用空气中的氮源，激活土壤中的速效磷，降解有机质，最终提高肥效，减少肥料施用量^[5]。而且还能改良土壤理化性状，预防轮作障碍。国务院在2012年12月发布的《生物产业发展规划》中将微生物肥料列入“农用生物制品发展行动计划”，微生物肥料的广泛推广势在必行。目前微生物肥料已经广泛应用于蔬菜、果树及粮食作物的生产。用澳大利亚研制的SC27微生物增肥剂，能改良蔬菜品质，提高产量8%-20%减少化肥施用量100 kg/hm2，并能减轻土传病害和生理障碍^[6]。用微生物肥料以300 mL/棵剂量处理龙冈茌梨，有助于提高果实外观品质和内在品质，增加单果重量^[7]。用生物氮肥在替代50%化学氮肥，春小麦生物产量高于纯化肥处理12%左右，同时穗粒数增加13.80%，穗长增加6.20%，养分累积量提高20%左右^[8]。微生物肥料由于可提高有机肥肥效、提升作物的产量品质、减少农田养分流失及缓解水体富营养化污染等优势，将逐步替代传统化肥。

中国不但化肥施用量世界第一，农药用量也是世界第一。传统农药控制了病虫草害，保证了农产品稳产高产，在农业生产中作用巨大。但农药的连年使用，会影响土壤的功能，破坏生态平衡，并危害非靶生物。据报道，水稻田喷施农药可对周围饲养的家蚕产生毒害，另外农药残留还可直接或通过食物链累积而危害人体健康^[9]。传统化学农药已对现代农业发展和人类社会造成的负面影响日益突出。微生物农药指具有生防功能的微生物活菌和其代谢产物，本文主要介绍微生物活菌，它防治效果好，对人畜安全，不污染环境，是一种相对理想的生态农药。微生物农药活菌主要包括细菌及真菌。苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis，Bt）是目前应用最广的微生物杀虫剂，产量超过微生物杀虫剂总量的95%^{[10, 11]}。它能产生δ-内毒素，特异性破坏昆虫肠道内膜，使昆虫因饥饿或败血症死亡，主要用于防治鳞翅目等150多种害虫^[12]。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是目前研究和应用最多的微生物杀菌剂，在中国、美国、日本等数国注册登记^[13]。它通过定殖在土壤和植物中，提升植物抵抗病源微生物的入侵，防治植物病原菌引起的病害。木霉菌（Trichoderma）是一种重要的植物病害生防真菌，广泛存在于自然环境中，可抵抗多种植物病院微生物，且能提高农作物品质产量。哈茨木霉菌（Trichoderma harzianum）能够防治植物灰霉病^[14]、纹枯病^[15]等多种病害，已在多个国家注册登记。菌根真菌（Mycorrhizae）是一种与植物根系紧密共生的真菌，它在农田和温室栽培条件下，对多种作物病害均有显著的抑制效果，具有很高的应用价值。目前，由于微生物农药抗谱较窄，已研发上市的品种有限，还不能完全代替化学农药，需要和化学农药联合使用，才能达到对田间病害的综合防治。微生物农药的发展将逐步替代传统化学农药，保持作物稳定高产的同时，减少药物流失和环境风险。

根据《第一次全国污染普查公报》，畜禽养殖业化学需氧量（Chemical oxygen demand，COD）的排放占到农业面源排放量的96%，已成为农业面源污染源之首。畜禽粪便通过溶淋进入水体，不仅造成富营养化，而且未经无害化处理的粪便含有病原体，易引发流行病，如禽流感病毒H5N1，它在潮湿的粪便中能存活105 d^[16]。水产养殖的污染主要是水产排泄物、饵料、药物等，这些污染物会造成水体富营养化，并引起水体底泥富集污染^[17]。在畜禽水产养殖方面，微生物技术主要应用于饲料添加剂、粪便堆肥剂、养殖环境净化剂，来减量污染排放，提升养殖品质和产量。微生物饲料添加剂可维持体内微生物菌群平衡、增强机体免疫力、促进营养消化吸收、缓解不良应激、改善排泄状况，从而提升畜禽产品质量^[18]。如在饲料中添加荚膜红细菌（Rhodobacter capsulatus）可以提高鸡腿部、胸部肌肉中不饱和脂肪酸的比例，降低蛋黄中胆固醇和甘油三酯的含量，并且提高蛋黄中不饱和脂肪酸的比例^{[19, 20]}。利用微生物堆肥剂可加速养殖粪便的堆肥化，使粪便沼气化和农肥化工艺更加稳定高效，提升粪便实际可利用价值，减少排放。如在化粪池粪便污泥中投加有效微生物（Effective microorganisms，EM）和多功能复合微生物（MCMP），能分别提升TS（总固体）、VS（挥发性固体）和COD的去除率^[21]；微生物F468能降低鸡粪中79%的氮流失，并降低鸡粪中蛔虫卵和粪肠杆菌数量，促进鸡粪无害化处理^[22]。在畜禽养殖环境中添加环境微生物菌剂，可分解养殖排泄物，提高养殖环境卫生质量^[23]，减少动物的发病率与死亡率，减少了药物的投入与动物尸体的排放。例如，施用乳酸菌能显著改善畜舍环境，降低鸡舍环境中的氨气、挥发性有机物质（如1-丙醇、1-丁醇、3-甲基己烷、2-甲苯）、恶臭气体（如丁酮、己醛和二甲基二硫醚）等^[24]。水产养殖中的微生物，如光合细菌、芽孢杆菌、酵母菌、复合微生物制剂等，既可作为饲料添加剂，促进动物的生长，又可改善养殖环境。如利用农业部准许的枯草芽孢杆菌、干酪乳杆菌、沼泽红假单胞菌、啤酒酵母配制的复合微生物制剂，除含有丰富的养分外，在水产养殖中还能起到净水剂的作用，它能增加水中的溶解氧，显著降低氨氮、亚硝态氮、硫化物等污染成分^[25]。微生物饲料、堆肥剂、净化剂等技术的发展，有利于养殖废弃物的资源化利用，减少污染排放，并提升畜禽产品的产量和品质。

继农业源头污染减量，水污染过程截断是另一条有效减量农业污染扩散的重要措施。建立污染源与水体间的生态拦截系统，能延长污染物滞留时间，截留COD、氮、磷等农业污染物。生态拦截系统包括人工湿地、植被缓冲带、生态沟等，对农业污染排放有缓冲作用^[26]。在缓冲区里，大部分污染物可随泥沙沉降或被吸收固定，部分氮元素还可通过微生物反硝化作用排入大气。缓冲区里植物和微生物起到主要的净化作用。植物通过净化吸收污染物来减少水污染；微生物主要包括根际促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）和菌根真菌（Mycorrhizal fungi，MF），一方面直接净化污染物，另一方面与植物互利共生，强化系统净化功能。

缓冲区的截留面积包括物理空间面积和生物功能面积，通过提高生物功能面积能充分发挥有限土地资源的潜能^[27]。微生物技术提高生物功能面积表现为三方面：（1）提高植被覆盖率：微生物技术可通过分解有害物质或转化激活营养物，减轻不良环境的胁迫，提高植被存活率与覆盖率；（2）扩大根区面积：接种微生物可促进植物根系生长，通过菌体或菌丝扩大植物根际净化功能面积；（3）强化生态位：植物为生产者，微生物为分解者，两者相互协调利用太阳能分解、转化污染物，截留农业水污染。据研究报道，菌根真菌Funneliformis mosseae和Rhizophagus intraradices能明显促进两种冷季型草坪草——高羊茅（Festuca arundinacea）和草地早熟禾（Poa paratensis）的生长，提高叶绿素的含量、耐盐系数，而且接种混合菌种的作用效果更好^[28]。此外，菌根真菌还能增强黑麦草（Lolium porenne L.）对Cd（镉）的耐受性^[29]，桉树对Pb（铅）的耐受性^[30]，桉树和黑麦草都是生态拦截系统中常用的植被品种。接种枯草芽胞杆菌R31可能通过增加粉蕉根际细菌数量，减少根际真菌、放线菌和镰刀菌数量提升对枯萎病的防治效果，总防效增加44.00%，稳定了植被覆盖面积^[31]。接种EM菌剂改善了樱桃幼苗根际微生物区系构成，幼苗根系总呼吸速率提高20%以上，增强根系活力^[32]。微生物通过提高、稳定植被覆盖面积，与植物协同促进，扩大生态拦截系统整体功能面积，提升了缓冲区截留与净化效率。

在我国大部分生态拦截系统，如植被缓冲带、湿地、生态草沟等都涉及越冬问题。在春季农田施肥后，会引起流域水体氮浓度大幅升高，在5月左右出现明显峰值。因为初春缓冲带植被大多还未返青，其根际微生物代谢非常缓慢，缓冲区截留净化功能基本散失^[33]。针对性地利用微生物技术，可提高植被的抗冻能力，缩短返青时间，延长缓冲区生物功能作用周期。相关的微生物主要包括菌根真菌和根际微生物，如接种丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhiza fungi，AMF）能改善黄瓜^[34]、玉米^[35]的形态结构，增强玉米^[36]、黄瓜^[37]、小麦^[38]的生理生化反应，最终增强宿主的抗寒性，提高植株对低温胁迫的耐受性。使用菌剂处理草坪草，能增加草坪草的主根长度、侧根数量、可溶性糖含量、过氧化物酶活性、叶绿素含量，大大提高草坪草的抗寒性^[39]。植被根际微生物生物多样性越大，好氧细菌比例越多，就越有利于有机污染物的好氧分解，冬季北运河湿地中香蒲根际微生物较千屈菜、鸢尾及芦苇等植被更丰富，更适合维持冬季缓冲系统的运行^[40]。微生物通过提升植物的抗寒性，增强微生物植物系统在冬季的净化能力，加速初春缓冲带植被返青，延长缓冲区功能周期。

土壤基质本身的吸附能力，能影响污染物滞留时间和扩散程度。微生物植物联合系统的运作，可改善缓冲区土壤的理化性质。其中菌根真菌能促进土壤形成团聚体，其贡献可能超过了植物根系的作用。此外，微生物还能维护土壤团聚体结构，抑制结皮形成，强化土壤入渗能力，减少地表径流量^[41]。接种丛枝菌根真菌，能增加毛桃根际EE-GRSP和T-GRSP含量。GRSP是一种菌根分泌的糖蛋白，能胶结土壤团聚体，从而稳定土壤结构^[42]，也能胶结重金属等部分有毒的物质^[43]。在小麦盆栽试验中接种丛枝菌根真菌Glomus intraradices和Glomus mosseae，能显著增加土壤中有机质含量、球囊霉素相关蛋白含量、水稳性大团聚体数量，提高土壤的平均重量直径、几何平均直径，降低土壤分形维数，改良土壤结构^{[44, 45]}。干旱环境下给核桃接种根际促生细菌——蜡样芽孢杆菌L90能显著提高土壤高活性有机碳含量14.5%，土壤pH由7.79降至7.41，有利于溶解矿物元素，并分别增加根际土壤微生物总量、微生物生物量碳、氮和根系分泌物含量，抑制了由干旱引起的根际土壤生物学特征的恶化^[46]。微生物通过提升土壤理化性质，增强土壤的吸附能力，为充分发挥缓冲区的截留与净化功能提供保障。

由于面源污染的复杂性，“源头减量”和“过程截断”要胜于“终端修复”。在“源头减量”和“过程截断”中，以生态环境为基础，人工辅助微生物强化的措施，能达到事半功倍的效果，防控污染效率最大化。在农业污染源头可利用微生物技术，如肥料、微生物农药、微生物饲料、环境制剂等，代替传统化肥和化药，提高肥料效率，提升抗病效果，分别减量化肥、化药、饲料、粪便的排放；在截留氮、磷、COD等污染物的流失过程中，利用主要根际微生物（菌根真菌和根际促生细菌等），可扩大缓冲区功能面积，延长缓冲区功能周期，改善缓冲区土壤特征，充分发挥有限土地的截留与净化功能。

微生物技术可与水文模型相结合，提高污水防治效果。生态水文学（Ecohydrology）是一种探索解决淡水资源短缺、水源污染和生物多样性减少等环境问题的新课程。流域生态水文模型是定量评估流域生态水文学变化的工具，其中植被、土壤是模型中重要的组成部分^[47]。由于微生物与植被、土壤的关系紧密，因此流域生态水文模型与微生物技术的结合，可使微生物防控技术与水污染管理规划衔接，提高农业面源水污染的综合防控效果。

在实际应用中，微生物技术并非绝对的安全。部分微生物对农业环境是有益的，包括铜绿假单胞菌^{[48, 49]}、荧光假单胞杆菌^{[50, 51]}、蜡样芽孢杆菌^[52]、罗尔斯顿菌等^{[53, 54]}，它们能降解净化污染物，抵御植物病虫害，促进植物生产，但对人体而言属于条件致病菌，能侵染带伤口或免疫力低下的宿主。研究还发现微生物在分离纯化过程中，会出现功能衰退的现象^[55]，可能是微生物本身遗传的变异性引起的，也可能是纯化隔绝了目的微生物与周围生物的互生关系，导致其功能下降甚至丧失^[56]。相对而言细菌较真菌更容易退化，但在环境中细菌占绝大多数比例，这给微生物技术的应用推广带来严重阻碍。功能细菌遗传稳定性研究的开展，有助于提升微生物技术的可重复性，是其规模化推广的前提。

目前已发现的微生物只是冰山一角，还有上百万种尚未被发现。而且已发现的微生物大多还不能在实验室培养，只有一小部分被实际应用，微生物技术还存在着巨大潜力。微生物技术的持续发展，将为农业水污染的防控、修复带来更新、更强、更稳定的方法，并给农业现代化发展带来强劲动力。