生物炭改良重金属污染土壤的机理及潜在风险

叶嫣然　刘橦昕　邢钟月

生物炭改良重金属污染土壤的机理及潜在风险

叶嫣然刘橦昕邢钟月

（河南大学河南开封475000）

近年来，土壤中重金属污染成了我国乃至全球环境科学等领域的研究热点之一。利用生物炭对土壤中的重金属污染进行改良，并不只有好处，也存在一定潜在风险。文章对生物炭进行了介绍，概括了生物炭与土壤中污染物的作用机理，对生物炭的优点以及潜在风险进行阐述，对生物炭现在存在的问题以及未来的发展方向进行了讨论。

生物炭；土壤污染；重金属

中国大多数地区广泛存在被重金属（重金属）污染的土壤，且浓度较高。城市地区的铬、铜、铅和锌，往往超过背景值。大量研究表明，生物炭能有效降低重金属在污染土壤中的迁移率/生物利用度，从而被作物吸收，这些都可以改善植物的生长。然而，引起生物炭影响的重金属迁移率/生物利用度的根本机制以及与生物炭应用相关的潜在风险尚不清楚。这些差距可能会妨碍人们了解对生物炭改良过的土壤中金属的风险以及将生物炭用于修复目的。

1 生物炭的性质

1.1 物理性质

生物炭的原料来源广泛，包含各种生物质，如木材废料、城市垃圾、污水污泥和农业废料，不同原料提取的生物炭具有不同的物理性质，生物炭的比表面积因其原料类型而异。同时，生物炭作为添加剂使用时，其特性也会受到影响和改变。在堆肥过程中，生物炭的芳香核心没有改变，但由于C、N和其他植物可利用的营养物质对微孔的堵塞，生物炭的表面积会减少。

1.2 化学性质

生物炭的化学性质主要与养分保留能力相关。原料类型和热解温度是决定生物炭性能的两个主要因素，包括表面性能、结构、元素组成、氧化还原能力、电导率、pH值、阳离子等。交换能力（阳离子交换量）和挥发性有机化合物（VOCs）。生物炭的元素组成和表面官能团显著决定了其对堆肥效率和农田土壤质量的影响。此外，生物炭一般具有碱性的pH值，因此，它可以作为酸性校正土壤调节剂使用。

1.3 影响生物炭性质的因素

1.3.1 原料类型

原料类型是决定生物炭化学性质的最重要因素。生物炭中最常见的元素成分是C、H、O、N，它们对生物炭的主要结构有贡献；同时Si、Fe、P、S在具体的生物炭中存在的范围也很广。

1.3.2 生物炭老化

生物炭老化过程中，主要通过影响生物炭表面的含氧基团与表面孔隙结构的结合，从而影响生物炭的吸附效果。促使其物理化学性质发生改变，并使其比表面积增大，破完整的表面孔隙结构，降低生物炭吸附重金属的能力[1]。

1.3.3 不同生物炭来源以及温度对生物炭的影响

不同来源的生物炭有着不同的理化性质，其表面结构、表面基团的种类与数量、电荷性等都存在差异，因此不同的生物炭对重金属的吸附效果也不同。研究发现在不同温度条件下制备的生物炭吸附能力也不同，在700 ℃、500 ℃、3 000 ℃，3个温度下，温度越高降低生物有效性效果越好。主要原因是温度升高会使得生物炭的表面官能团数量减少，孔径扩大，孔的数量增加，进而增大比表面积。

1.3.4 pH值的影响

生物炭表面的电荷、物理结构及表面含氧基团受pH值影响。生物炭表面的负电荷与重金属阳离子通过静电作用与生物炭相结合是生物炭吸附重金属的机制之一。

2 土壤中金属-生物炭相互作用的机理

2.1 直接作用

土壤中生物炭与重金属之间的直接相互作用由不同原料（如粪便，农业废料，木本植物或动物体）产生的生物炭可以固定土壤中的重金属。可能的机制包括静电吸引，离子交换，络合和沉淀，如下所述。

2.1.1 静电吸引

Zeta电势值用于描述吸附剂材料的静电势。最近的结果表明，生物炭的高电负性可以促进带正电离子的静电吸引。它的强度取决于表面带负电的表面基团产生的表面电荷，这些表面电荷在较高的pH值下变得越来越负，pH的升高可以增加生物炭对Cu（II）的吸附。随着重金属浓度的增加，静电吸附能力也会增加。

2.1.2 离子交换

生物炭通常具有较高的阳离子交换量，并且可以释放阳离子，生物炭的高阳离子交换量可以提高其对重金属的吸附能力，因此，离子交换是动物源生物炭固定Cd（II）和Cu（II）的主要机理。生物炭中的含氧官能团，尤其是羧基（-COOH），也通过离子交换过程吸附金属离子。

2.1.3 络合反应

络合反应生物炭的表面官能团可以通过表面络合固定重金属，特别是对于矿物质含量低的生物炭。官能团（如-OH，-COOH，-C=0-和C=N）为重金属提供了形成复合物的结合位点，从而增加了金属的特异性吸附。而且，生物炭中所含的无机离子（如，Si，S和Cl）可与重金属复合。G。，镉（II）。降低它们在土壤中的迁移性。

2.1.4 沉淀

生物炭中所含的矿物质可能与金属一起沉淀，形成不溶性沉淀当无机P从受Pb污染的土壤中富含P的生物炭中解吸时，Pb10(PO4)6(OH)2和Ca2Pb8(PO4)6(OH)2发生沉淀。此外，根据不同生物炭中所含的特定矿物，可能会形成Pb氧化物，氯化物和硫酸盐沉淀物。

2.2 间接作用

2.2.1 pH值

生物炭会影响土壤的pH值，从而影响金属的迁移率/生物利用度土壤pH值是控制金属形态和迁移的关键因素。一般的生物炭程碱性，所以在土壤中施用生物炭的量越大，土壤的pH值也会越大（相对于其初始pH值），对酸性土壤来说尤为如此。这反过来可能会增加重金属的水解，增加它们在土壤中的吸附，并加速重金属的可氧化部分和残留部分的转化。pH值的增加也可能增加重金属的络合，减少Pb（II）从土壤中的解吸。生物炭改良后土壤pH值的增加减轻了重金属的风险。

2.2.2 土壤阳离子交换量

生物炭会影响土壤阳离子交换量，从而影响金属迁移率/生物利用度生物炭一般具有较高的阳离子交换量，在土壤中的应用可能会增加土壤阳离子交换量。

2.2.3 矿物成分和金属迁移率/生物利用率

生物炭影响土壤矿物成分和金属迁移率/生物利用率，生物炭含有高浓度的矿物质（例如，Na，Ca，P，Mg，K），经过生物炭改良后可释放到土壤中。释放出的矿物质可能会在生物炭表面上形成矿相，并从土壤溶液中吸附金属。例如，土壤中磷的含量随生物炭施用量的增加而增加，导致由于形成稳定的磷酸盐矿物质而导致了Pb（II）的保留。修复后的生物炭的激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析还表明，生物炭中的Cu（II）和Pb（II）显著增加，而K，Mg和P显著降低，表明了可能性。通过从生物炭向土壤中释放矿物质来增强重金属对土壤的吸附。同样，生物炭中所含的Ca，Si和Mn氧化物可能会部分还原，并为土壤中的金属阳离子提供高能量吸收位点。

2.2.4 有机碳含量和金属流动性/生物利用率

生物炭影响土壤有机碳含量和金属流动性/生物利用度生物炭可以释放溶解的有机碳及其修正剂。由于金属与生物炭中的含氧官能团之间的络合作用，生物炭会增加土壤有机碳含量（OC），从而降低金属流动性和生物利用率[3]。

3 潜在的风险

3.1 生态角度

生物炭中PAHS的浓度很高（1.48~5.48 mg/kg），当以高比例施用生物炭时会导致中度或严重污染。使用老化的生物炭（在土壤中施用一定时期的生物炭）可以增加玉米中乙草胺的积累，这归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释放到土壤溶液中并被植物吸收。

3.2 人类健康角度

生物炭的密度往往比较低，所以将生物炭施用于土壤中时，容易产生粉尘，人类如果吸入此类生物炭粉尘，会增加产生呼吸道疾病的风险。尤其是生物炭中携带的一些对人体有毒有害的化学物质会对人体健康产生威胁。所以使用生物炭时，或在施用过生物炭的土地里进行农业活动的人应该做好自我保护，可以通过浇水来减少扬尘，也可以戴防护口罩，以降低污染物的吸入量。

4 结语和存在的问题

重金属污染的土壤在中国很普遍，生物炭通常用于农业土壤的修复。其机制可能涉及生物炭与重金属之间的直接（如静电吸附、离子交换、络合和沉淀）和间接相互作用（如通过改变土壤性质，如pH值、阳离子交换量、矿物质含量和有机碳含量，从而改变金属-土壤结合物）。添加生物炭会影响植物对重金属的吸收，但是在污染的土壤中施用生物炭也会产生不良影响。生物炭中含有的有毒物质可能会释放到环境中，导致污染加剧，影响土壤生物和土壤功能。除非采取预防措施，否则在生产和应用生物炭过程中吸入生物炭粉尘可能会引起呼吸道疾病。目前，我们对在重金属污染的土壤中应用生物炭的方法的理解还存在着知识空白。这些差距可能包括：（1）没有应用标准，需要建立生物炭应用的监管框架，以确保应用的安全性，实施有效的修复，保护食品安全和人体健康；（2）对重金属污染土壤应用生物炭的长期影响也需要考虑；（3）生物炭对土壤生态系统的不利影响，需要提供有效的方法来缓解负面影响；（4）农田土壤应用生物炭的经济效益仍不理想。未来安全和成本效益高的技术，加上在制备 "适合目的 "的生物炭方面的新发现，可能会提高生物炭在土壤修复中的使用效率。

[1]张拓,王浩然,廖万山,等.生物炭修复重金属污染土壤的研究进展[J].湖南农业科学,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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2095-1205(2020)05-39-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.05.19