生物炭改良重金屬污染土壤的機理及潛在風險

葉嫣然　劉橦昕　邢鐘月

生物炭改良重金屬污染土壤的機理及潛在風險

葉嫣然劉橦昕邢鐘月

（河南大學河南開封475000）

近年來，土壤中重金屬污染成了我國乃至全球環境科學等領域的研究熱點之一。利用生物炭對土壤中的重金屬污染進行改良，并不只有好處，也存在一定潛在風險。文章對生物炭進行了介紹，概括了生物炭與土壤中污染物的作用機理，對生物炭的優點以及潛在風險進行闡述，對生物炭現在存在的問題以及未來的發展方向進行了討論。

生物炭；土壤污染；重金屬

中國大多數地區廣泛存在被重金屬（重金屬）污染的土壤，且濃度較高。城市地區的鉻、銅、鉛和鋅，往往超過背景值。大量研究表明，生物炭能有效降低重金屬在污染土壤中的遷移率/生物利用度，從而被作物吸收，這些都可以改善植物的生長。然而，引起生物炭影響的重金屬遷移率/生物利用度的根本機制以及與生物炭應用相關的潛在風險尚不清楚。這些差距可能會妨礙人們了解對生物炭改良過的土壤中金屬的風險以及將生物炭用于修復目的。

1 生物炭的性質

1.1 物理性質

生物炭的原料來源廣泛，包含各種生物質，如木材廢料、城市垃圾、污水污泥和農業廢料，不同原料提取的生物炭具有不同的物理性質，生物炭的比表面積因其原料類型而異。同時，生物炭作為添加劑使用時，其特性也會受到影響和改變。在堆肥過程中，生物炭的芳香核心沒有改變，但由于C、N和其他植物可利用的營養物質對微孔的堵塞，生物炭的表面積會減少。

1.2 化學性質

生物炭的化學性質主要與養分保留能力相關。原料類型和熱解溫度是決定生物炭性能的兩個主要因素，包括表面性能、結構、元素組成、氧化還原能力、電導率、pH值、陽離子等。交換能力（陽離子交換量）和揮發性有機化合物（VOCs）。生物炭的元素組成和表面官能團顯著決定了其對堆肥效率和農田土壤質量的影響。此外，生物炭一般具有堿性的pH值，因此，它可以作為酸性校正土壤調節劑使用。

1.3 影響生物炭性質的因素

1.3.1 原料類型

原料類型是決定生物炭化學性質的最重要因素。生物炭中最常見的元素成分是C、H、O、N，它們對生物炭的主要結構有貢獻；同時Si、Fe、P、S在具體的生物炭中存在的范圍也很廣。

1.3.2 生物炭老化

生物炭老化過程中，主要通過影響生物炭表面的含氧基團與表面孔隙結構的結合，從而影響生物炭的吸附效果。促使其物理化學性質發生改變，并使其比表面積增大，破完整的表面孔隙結構，降低生物炭吸附重金屬的能力[1]。

1.3.3 不同生物炭來源以及溫度對生物炭的影響

不同來源的生物炭有著不同的理化性質，其表面結構、表面基團的種類與數量、電荷性等都存在差異，因此不同的生物炭對重金屬的吸附效果也不同。研究發現在不同溫度條件下制備的生物炭吸附能力也不同，在700 ℃、500 ℃、3 000 ℃，3個溫度下，溫度越高降低生物有效性效果越好。主要原因是溫度升高會使得生物炭的表面官能團數量減少，孔徑擴大，孔的數量增加，進而增大比表面積。

1.3.4 pH值的影響

生物炭表面的電荷、物理結構及表面含氧基團受pH值影響。生物炭表面的負電荷與重金屬陽離子通過靜電作用與生物炭相結合是生物炭吸附重金屬的機制之一。

2 土壤中金屬-生物炭相互作用的機理

2.1 直接作用

土壤中生物炭與重金屬之間的直接相互作用由不同原料（如糞便，農業廢料，木本植物或動物體）產生的生物炭可以固定土壤中的重金屬。可能的機制包括靜電吸引，離子交換，絡合和沉淀，如下所述。

2.1.1 靜電吸引

Zeta電勢值用于描述吸附劑材料的靜電勢。最近的結果表明，生物炭的高電負性可以促進帶正電離子的靜電吸引。它的強度取決于表面帶負電的表面基團產生的表面電荷，這些表面電荷在較高的pH值下變得越來越負，pH的升高可以增加生物炭對Cu（II）的吸附。隨著重金屬濃度的增加，靜電吸附能力也會增加。

2.1.2 離子交換

生物炭通常具有較高的陽離子交換量，并且可以釋放陽離子，生物炭的高陽離子交換量可以提高其對重金屬的吸附能力，因此，離子交換是動物源生物炭固定Cd（II）和Cu（II）的主要機理。生物炭中的含氧官能團，尤其是羧基（-COOH），也通過離子交換過程吸附金屬離子。

2.1.3 絡合反應

絡合反應生物炭的表面官能團可以通過表面絡合固定重金屬，特別是對于礦物質含量低的生物炭。官能團（如-OH，-COOH，-C=0-和C=N）為重金屬提供了形成復合物的結合位點，從而增加了金屬的特異性吸附。而且，生物炭中所含的無機離子（如，Si，S和Cl）可與重金屬復合。G。，鎘（II）。降低它們在土壤中的遷移性。

2.1.4 沉淀

生物炭中所含的礦物質可能與金屬一起沉淀，形成不溶性沉淀當無機P從受Pb污染的土壤中富含P的生物炭中解吸時，Pb10(PO4)6(OH)2和Ca2Pb8(PO4)6(OH)2發生沉淀。此外，根據不同生物炭中所含的特定礦物，可能會形成Pb氧化物，氯化物和硫酸鹽沉淀物。

2.2 間接作用

2.2.1 pH值

生物炭會影響土壤的pH值，從而影響金屬的遷移率/生物利用度土壤pH值是控制金屬形態和遷移的關鍵因素。一般的生物炭程堿性，所以在土壤中施用生物炭的量越大，土壤的pH值也會越大（相對于其初始pH值），對酸性土壤來說尤為如此。這反過來可能會增加重金屬的水解，增加它們在土壤中的吸附，并加速重金屬的可氧化部分和殘留部分的轉化。pH值的增加也可能增加重金屬的絡合，減少Pb（II）從土壤中的解吸。生物炭改良后土壤pH值的增加減輕了重金屬的風險。

2.2.2 土壤陽離子交換量

生物炭會影響土壤陽離子交換量，從而影響金屬遷移率/生物利用度生物炭一般具有較高的陽離子交換量，在土壤中的應用可能會增加土壤陽離子交換量。

2.2.3 礦物成分和金屬遷移率/生物利用率

生物炭影響土壤礦物成分和金屬遷移率/生物利用率，生物炭含有高濃度的礦物質（例如，Na，Ca，P，Mg，K），經過生物炭改良后可釋放到土壤中。釋放出的礦物質可能會在生物炭表面上形成礦相，并從土壤溶液中吸附金屬。例如，土壤中磷的含量隨生物炭施用量的增加而增加，導致由于形成穩定的磷酸鹽礦物質而導致了Pb（II）的保留。修復后的生物炭的激光燒蝕-電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）分析還表明，生物炭中的Cu（II）和Pb（II）顯著增加，而K，Mg和P顯著降低，表明了可能性。通過從生物炭向土壤中釋放礦物質來增強重金屬對土壤的吸附。同樣，生物炭中所含的Ca，Si和Mn氧化物可能會部分還原，并為土壤中的金屬陽離子提供高能量吸收位點。

2.2.4 有機碳含量和金屬流動性/生物利用率

生物炭影響土壤有機碳含量和金屬流動性/生物利用度生物炭可以釋放溶解的有機碳及其修正劑。由于金屬與生物炭中的含氧官能團之間的絡合作用，生物炭會增加土壤有機碳含量（OC），從而降低金屬流動性和生物利用率[3]。

3 潛在的風險

3.1 生態角度

生物炭中PAHS的濃度很高（1.48~5.48 mg/kg），當以高比例施用生物炭時會導致中度或嚴重污染。使用老化的生物炭（在土壤中施用一定時期的生物炭）可以增加玉米中乙草胺的積累，這歸因于老化的生物炭的吸附能力下降。因此，一部分被吸附的污染物被解吸并釋放到土壤溶液中并被植物吸收。

3.2 人類健康角度

生物炭的密度往往比較低，所以將生物炭施用于土壤中時，容易產生粉塵，人類如果吸入此類生物炭粉塵，會增加產生呼吸道疾病的風險。尤其是生物炭中攜帶的一些對人體有毒有害的化學物質會對人體健康產生威脅。所以使用生物炭時，或在施用過生物炭的土地里進行農業活動的人應該做好自我保護，可以通過澆水來減少揚塵，也可以戴防護口罩，以降低污染物的吸入量。

4 結語和存在的問題

重金屬污染的土壤在中國很普遍，生物炭通常用于農業土壤的修復。其機制可能涉及生物炭與重金屬之間的直接（如靜電吸附、離子交換、絡合和沉淀）和間接相互作用（如通過改變土壤性質，如pH值、陽離子交換量、礦物質含量和有機碳含量，從而改變金屬-土壤結合物）。添加生物炭會影響植物對重金屬的吸收，但是在污染的土壤中施用生物炭也會產生不良影響。生物炭中含有的有毒物質可能會釋放到環境中，導致污染加劇，影響土壤生物和土壤功能。除非采取預防措施，否則在生產和應用生物炭過程中吸入生物炭粉塵可能會引起呼吸道疾病。目前，我們對在重金屬污染的土壤中應用生物炭的方法的理解還存在著知識空白。這些差距可能包括：（1）沒有應用標準，需要建立生物炭應用的監管框架，以確保應用的安全性，實施有效的修復，保護食品安全和人體健康；（2）對重金屬污染土壤應用生物炭的長期影響也需要考慮；（3）生物炭對土壤生態系統的不利影響，需要提供有效的方法來緩解負面影響；（4）農田土壤應用生物炭的經濟效益仍不理想。未來安全和成本效益高的技術，加上在制備 "適合目的 "的生物炭方面的新發現，可能會提高生物炭在土壤修復中的使用效率。

[1]張拓,王浩然,廖萬山,等.生物炭修復重金屬污染土壤的研究進展[J].湖南農業科學,2019(6):115-120.

[2]He L,Zhong H,Liu G,et al.Remediation of heavy metal contaminated soils by biochar: Mechanisms, potential risks and applications in China[J].Environmental Pollution,2019,252(Pt A):846-855.

[3]Prost K,Borchard N,Siemens J,et al.Biochar Affected by Composting with Farmyard Manure[J].Journal of Environmental Quality,2013,42(1):164-172.

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10.3969/j.issn.2095-1205.2020.05.19