大型海藻基生物炭中多环芳烃分布特征及毒性评价

王琪璐，傅 宇，陈琪峰，孙秀梅，李铁军，杨承虎

大型海藻基生物炭中多环芳烃分布特征及毒性评价

王琪璐1,2，傅 宇1,3，陈琪峰4，孙秀梅1,2，李铁军1,2※，杨承虎1,2

（1. 浙江海洋大学海洋与渔业研究所，舟山 316021；2. 浙江省海洋水产研究所，舟山 316021；3. 江苏中牧倍康药业有限公司，泰州 225300；4. 浙江舟环环境工程设计有限公司，舟山 316021）

研究大型海藻基生物炭中多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）分布特征及毒性可为其资源化利用提供重要的依据。该研究利用索氏提取结合气相色谱质谱法分析了不同热解温度（200、300、400、500和600 ℃）的大型海藻（瓦氏马尾藻（）、羊栖菜（）、鼠尾藻（）、带形蜈蚣藻（）、粗枝软骨藻（）及孔石莼（））基生物炭中16种PAHs含量并对其毒性进行评价。结果表明，大型海藻基生物炭中均能检出PAHs（总量浓度为78.2～2 244.2g/kg），且其生成量整体随热解温度升高先增加后降低。大型海藻基生物炭中PAHs含量均低于欧洲生物炭标准（European Biochar Certificate，EBC，10.1版）规定的EBC-AgroOrganic等级限量值（4±2）mg/kg。大型海藻基生物炭中PAHs以2环和3环为主，4环PAHs在所有生物炭中均存在，而5环和6环PAHs仅在部分生物炭中被检出。此外，不同大型海藻基生物炭呈现各异的苯并[a]芘毒性当量浓度（BaP- Toxic Equivalence Quantity, TEQBaP）（0.196～46.151g/kg），其TEQBaP不仅依赖于生物炭中PAHs含量还与其环数和类型分布有关。在生物炭修复效果且潜在环境风险相近的基础上，结合产率及热解温度耗能，可选择热解温度较低的生物炭材料，为大型海藻基生物炭制备与应用的优化提供重要指导。

生物炭；热解温度；大型海藻；多环芳烃；毒性当量

0 引 言

生物炭（Biochar）是指生物质在无氧或缺氧条件下经热解转化后所形成的一种稳定、高度芳香化、碳含量极其丰富的固体产物[1]。生物炭通常具有发达的孔隙结构、丰富的官能团及出众的阳离子交换能力等优点[2]，已在修复污染、改良土壤和固碳减排等方面展现出极大的潜力和优势[2-5]。然而，生物炭在其制备过程中不可避免地会生成有机污染物（如多环芳烃，多氯联苯，二噁英和呋喃）[6]。因此，在生物炭被广泛应用之前，有必要了解其蕴含的污染物水平及潜在环境风险。

多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）为一类具有“三致效应”的持久性有机污染物，故生物炭中PAHs含量及毒性已逐渐为科研工作者所关注[7-8]。生物炭中PAHs分布特征与其制备条件（如热解温度、升温速率、氧气水平及氮气流速）有关，其中热解温度对该过程的影响尤为显著[9]。Zhang等[10]研究表明作物残留物（核桃壳、玉米芯、玉米秸秆及稻秆）生物炭中PAHs含量随热解温度（250～600 ℃）增加而降低，而Zielińska和Oleszczuk[11]发现市政污水处理厂污泥基生物炭中PAHs含量随热解温度（500～700 ℃）升高而增加。此外，Devi等[12]比较了不同热解温度（200～700 ℃）下制备的造纸厂污水处理厂污泥基生物炭中PAHs含量，结果显示400和500 ℃下制备的生物炭中PAHs含量高于其他热解温度。这些相互不一致的变化趋势可能是由于不同原料间结构差异所导致。为此，需要进一步分析不同来源生物质制备的生物炭中PAHs分布及毒性特征。

大型海藻作为主要的初级生产者，在近岸海域生态系统碳循环和减缓富营养化方面起着至关重要的作用，且其同时具有生长周期短、生产力高、资源丰富及易获取等优势。目前认为将大型海藻制备成生物炭是一种实现其资源化的有效途径。如Yang等[13]研究结果显示绿藻浒苔（）基生物炭对去除水体中氧氟沙星有良好的效果。Hung等[14]利用红藻生物炭为修复材料，实现了海洋沉积物中4-壬基酚的可持续降解。Ranguin等[15]发现在700 ℃下热解3 h的褐藻和生物炭可显著降低污染土壤中十氯酮的有效性。

尽管大型海藻基生物炭在环境污染修复中具备广泛的应用潜力，但目前有关大型海藻基生物炭中PAHs含量及风险评价鲜有报道。因此，本文将褐藻门的瓦氏马尾藻（）、羊栖菜（）、鼠尾藻（），红藻门的带形蜈蚣藻（）、粗枝软骨藻（）及绿藻门的孔石莼（）等 6种常见大型海藻为生物炭原料，考察经不同热解温度制备的大型海藻基生物炭中美国环境保护署（Environmental Protection Agency，EPA）优先控制的16种典型PAHs分布特征及其与原料和热解温度间的相关性，并探讨大型海藻基生物炭中PAHs的毒性特征，以期为大型海藻基生物炭制备及应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 大型海藻原料及主要试剂

本文所有大型海藻均采自于浙江省舟山市东极岛海域。海藻表面附着物及盐分用去离子水清洗后于80 ℃烘箱中烘至恒量。干燥样品经粉碎后过100目筛网（孔径0.150 mm），所得藻粉避光密闭冷藏保存。正己烷、二氯甲烷、丙酮及环己烷均为农残级（上海安谱实验科技股份有限公司）。替代标准混合物（2 000 mg/L），含有萘-8，苊-10，菲-10和䓛-12（上海安谱实验科技股份有限公司）。16种PAHs混合溶液（2 000 mg/L），包含萘（NAP）、苊烯（ACY）、苊（ACE）、芴（FLU）、菲（PHE）、蒽（ANT）、荧蒽（FLA）、芘（PYR）、苯并[a]蒽（BaA）、䓛（CHR）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1,2,3-cd]芘（InP）、二苯并[a, h]蒽（DahA）以及苯并[g, h, i]苝（BghiP）（上海安谱实验科技股份有限公司）。CNWBOND SI SPE萃取小柱（500 mg，3 mL）（上海安谱实验科技股份有限公司）。内标芘-10（200 mg/L）购于坛墨质检标准物质中心。

1.2 大型海藻基生物炭制备

在热解温度200～700 ℃范围内，采用限氧控温法制备大型海藻基生物炭，具体制备过程参照文献[16]。所得大型海藻基生物炭分别命名为瓦氏马尾藻生物炭（SV-BCX）、羊栖菜生物炭（SF-BCX）、鼠尾藻生物炭（ST-BCX）、带形蜈蚣藻生物炭（GT-BCX）、粗枝软骨藻生物炭（CC-BCX）及孔石莼生物炭（UP-BCX），X代表热解温度。生物炭产率由200 ℃的58.52%～62.85%降至600 ℃的27.29%～36.32%[16]。

1.3 生物炭中PAHs含量分析

利用索氏提取法提取生物炭中PAHs，具体操作步骤主要参照Fabbri等[17]描述的方法。准确称取1.0 g生物炭置于玻璃纤维滤纸筒（450 ℃，4 h）中，加入100L浓度为5 mg/L的替代物PAHs溶液（控制整个分析流程的回收率），以160 mL丙酮/环己烷混合液（体积比=1꞉1）于70 ℃水浴中避光提取36 h。向萃取液中加入1 mL正壬烷，并于40 ℃下真空旋转蒸发至近干后加入1 mL正己烷，将浓缩液转移至硅胶柱（6 mL正己烷和6 mL二氯甲烷活化）中。随后用6 mL二氯甲烷洗脱，收集淋洗液于15 mL玻璃管中，使用氮气吹至近干。最后用含200g/L内标芘-10的正己烷溶液定容至1.0 mL，待测。

利用气相色谱质谱仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）（5 977A-7 890B，Agilent，美国）测定生物炭中16种PAHs的质量浓度。色谱条件：HP-5 MS毛细管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25m），升温程序为初始温度80 ℃，保持2 min；以15 ℃/min升至180 ℃，保持2 min；以10 ℃/min升至280 ℃，保持2 min；最后以5 ℃/min升至300 ℃，保持5 min。质谱条件：电离方式为EI源，离子源温度为230 ℃，MS四级杆温度为150 ℃；选择 SIM 模式扫描，内标法定量。所有样品均为二重复样。

萘-8用于定量NAP；苊-10用于定量苊烯、苊和芴；菲-10用于定量菲，蒽，荧蒽和芘；䓛-12用于定量其余PAHs。4种氘代PAHs在各生物炭中回收率不同，与热解温度及大型海藻原料有关。大型海藻基生物炭中萘-8、苊-10、菲-10及䓛-12回收率分别为19.32%～51.03%，23.26%～68.06%，22.95%～75.48%及7.09%～86.57%。生物炭中PAHs含量计算公式如下：

式中表示提取液中未校正的PAHs浓度，g/L；为定容体积，mL；为替标物的回收率；为生物炭质量，g；为生物炭中PAHs含量，g/kg。

此外，瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）、羊栖菜生物炭（SF-BC）、鼠尾藻生物炭（ST-BC）、带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）、粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）及孔石莼生物炭（UP-BC）重复测定所获PAHs总量的相对标准偏差（RSD）分别为0.11%～9.51%，1.56%～23.51%，2.27%～15.08%，0.46%～9.95%，0.97%～14.99%，0.42%～16.66%。

1.4 生物炭中PAHs毒性评价

由于PAHs毒理学机制复杂，难以高效获得其毒理学数据，因此在PAHs毒性评价中采用PAHs毒性当量因子（Toxic Equivalency Factor，TEF），通常以2,3,7,8-四氯双苯环二噁英（2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-psra-dioxin, TCCD）或BaP为标准参考物。本文生物炭中PAHs毒性评价采用BaP毒性当量因子，即将PAHs质量浓度转化为BaP毒性当量浓度（BaP-Toxic Equivalence Quantity, TEQBaP）。尽管该评价方法仅能进行PAHs致癌风险评价，而无法进行非致癌危害评价，但因其评价过程相对简单，依然受到众多学者广泛青睐[18]。将BaP的TEF值设为1，其余PAHs的TEF值见表1[19]，并按式（2）计算出16种PAHs的BaP毒性当量浓度。TEQBaP值越大，表明生物炭中PAHs毒性越大。

TEQ

BaP

=∑

Ci

·TEF

i

（2）

式中C为第种PAH质量分数，g/kg；TEF为第种PAH毒性当量因子。

表1 16种PAHs的毒性当量因子

1.5 数据统计分析

利用SPSS 19.0对数据进行皮尔逊相关性分析，显著性水平为0.05，极显著性水平为0.01。运用OriginPro 9.0制作图形。利用CANOCO 5进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 大型海藻基生物炭中16种PAHs含量及组成

如图1a所示，大型海藻基生物炭中均能检测出PAHs，且其生成量与热解温度及海藻种类密切相关。目前认为生物炭中PAHs的产生主要通过两种途径：第一种是当热解温度在500 ℃以下时，一些生物质热解产生的单分子经环化、脱氢、脱烷基等反应，或木质纤维素的高聚物和脂类经芳构化反应生成PAHs；第二种是当热解温度在500 ℃以上时，PAHs通过自由基途径形成，随后经高温生成更大的芳香化结构[6]。本研究中，热解温度500 ℃是瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）和羊栖菜生物炭（SF-BC）中PAHs形成的一个转折点，热解温度为200～500 ℃时生物炭中PAHs含量整体随热解温度升高不断增加（SV-BC500和SF-BC500中PAHs质量分数分别为543.1和759.6g/kg）；而当热解温度进一步升高至600 ℃，瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）和羊栖菜生物炭（SF-BC）中PAHs含量则快速下降（SV-BC600和SF-BC600中PAHs质量分数为245.9和126.1g/kg，分别是最高值的45.3%和16.6%）。鼠尾藻生物炭（ST-BC）、粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）及孔石莼生物炭（UP-BC）中PAHs含量在热解温度为400 ℃时最高（ST-BC400、CC-BC400及UP-BC400分别为1 662.4、795.6及643.8g/kg），随后三种大型海藻基生物炭中PAHs含量随热解温度的进一步升高而持续下降（ST-BC600、CC-BC600及UP-BC600分别为318.8、78.2及237.4g/kg）。带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）中PAHs含量则在热解温度为300 ℃和600 ℃下展现出最高和最低值，分别为2 244.2和138.3g/kg。总体而言，大型海藻基生物炭中PAHs生成量整体随热解温度（200～600 ℃）升高先增加后降低，与已有研究结果相似[20-21]。不同热解温度下制备的大型海藻基生物炭中16种PAHs总量的整体变化趋势如图2所示，可知在热解温度300～500 ℃条件下制备的生物炭更易生成PAHs，而当热解温度升高至600 ℃会阻碍PAHs的形成，这可能是由于高热解温度导致PAHs化学键断裂而转化成其他小分子化合物、非晶相的挥发、芳香族化合物缩合成更大的不可萃取的片状结构及高缩合生物炭对PAHs强吸附，进而在一定程度上减少生物炭中PAHs[20,22-23]。此外，根据欧洲生物炭证书（European Biochar Certificate，EBC）（10.1版）对生物炭中PAHs限量值的规定，16种PAHs的EBC-Agro等级为（6.0±2.2）mg/kg，EBC-AgroOrganic等级为（4±2）mg/kg[24]。本研究制备的大型海藻基生物炭中PAHs含量均低于4 mg/kg，表明200～600 ℃下制备的大型海藻基生物炭中16种PAHs的环境风险较低。

注：SV-BC：瓦氏马尾藻生物炭；SF-BC：羊栖菜生物炭；ST-BC：鼠尾藻生物炭；GT-BC：带形蜈蚣藻生物炭；CC-BC：粗枝软骨藻生物炭；UP-BC：孔石莼生物炭。数字表示热解温度。下同。

图2 热解温度对大型海藻基生物炭中16种PAHs总量的影响

由图1b可知，热解温度在200～600 ℃时，大型海藻基生物炭中PAHs的主要成分是NAP和PHE（两者占比之和均超过50%），Zhang等[10]研究结果亦显示NAP和PHE对生物炭中16种PAHs总量贡献最大。此外，NAP、ACE、FLU、PHE、ANT（CC-BC600除外）、FLA、PYR、BaA及CHR在所有大型海藻基生物炭中均存在。而I级致癌物的BaP仅500 ℃制备的羊栖菜生物炭（SF-BC）、400 ℃制备的鼠尾藻生物炭（ST-BC）、400 ℃制备的蜈蚣藻生物炭（GT-BC）及400 ℃制备的孔石莼生物炭（UP-BC）中有少量检出（占比仅为0.46%～1.34%），被IARC列为2A级致癌物的DahA在所有大型海藻基生物炭中均未被检出。因此，可进一步推测大型海藻基生物炭中16种PAHs潜在风险较低。

利用冗余分析解释温度与生物炭中16种PAHs浓度与比例间的综合相关性和影响。RDA图中箭头的长度表示该因素的重要性，箭头与坐标轴之间的角度表示它们之间的相关性（角度越小，关系越强）。由图3a可知，生物炭中ACY及BghiP的浓度与热解温度呈显著正相关和负相关，而其余PAHs浓度与热解温度间相关性相对较小。表明随热解温度升高，整体上生物炭中ACY及BghiP的浓度分别呈增加和下降趋势，而其他PAHs的浓度则呈波动状态。由图3b可知，ACE、ACY、PYR、PHE、BaA、FLA、CHR、BkF、BbF及BaP的比例与热解温度间呈正相关性，尤其是PYR，表明随热解温度升高生物炭中PYR的比例显著增高；FLU、BghiP、NAP及InP的比例则与热解温度间呈负相关性，尤其是NAP，即生物炭中NAP的比例随热解温度升高显著降低。

图3 大型海藻基生物炭中16种PAHs含量和比例与热解温度的冗余分析

上述结果表明热解温度对生物炭中各PAHs浓度及比例的影响存在差异，这可能与各PAHs不同的结构与性质有关。

2.2 大型海藻基生物炭中不同环数PAHs含量及组成

热解温度对大型海藻基生物炭中不同环数PAHs含量及比例亦存在影响（图4）。其中，瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）中2环PAH占比范围为35.8%（SV-BC600）至58.7%（SV-BC200）、3环PAHs占比范围为31.2%（SV-BC200）至47.2%（SV-BC600）；羊栖菜生物炭（SF-BC）中2环PAH占比范围为32.6%（SF-BC600）至47.5%（SF-BC500）、3环PAHs占比范围为27.7%（SF-BC500）至43.3%（SF-BC600）；鼠尾藻生物炭（ST-BC）中2环PAH占比范围为34.7%（ST-BC400）至58.0%（ST-BC200）、3环PAHs占比范围为21.9%（ST-BC200）至43.6%（ST-BC300）；带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）中2环PAH占比范围为25.9%（GT-BC600）至57.7%（GT-BC500）、3环PAHs占比范围为26.3%（GT-BC500）至45.7%（GT-BC300）；粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）中2环PAH占比范围为41.8%（CC-BC600）至63.7%（CC-BC200）、3环PAHs占比范围为27.2%（CC-BC200）至37.4%（CC-BC300）；孔石莼生物炭（UP-BC）中2环PAH占比范围为25.6%（UP-BC600）至54.7%（UP-BC200）、3环PAHs占比范围为23.7%（UP-BC200）至37.7%（UP-BC600）。因此，在热解温度为200～600 ℃范围内，大型海藻基生物炭中2环PAH（NAP）和3环PAHs（ACY、ACE、FLU、PHE 和 ANT）占据主导地位，两者之和均占各生物炭中PAHs总量的60%以上。4环PAHs（FLA、PYR、BaA和CHR）在所有生物炭中均存在，瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）、羊栖菜生物炭（SF-BC）、鼠尾藻生物炭（ST-BC）、带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）、粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）及孔石莼生物炭（UP-BC）中4环PAHs占比范围分别为10.0%（SV-BC200）至17.0%（SV-BC600）、7.0%（SF-BC200）至24.2%（SF-BC600）、5.3%（ST-BC200）至22.5%（ST-BC400）、9.2%（GT-BC300）至35.4%（GT-BC600）、8.9%（CC-BC300）至27.7%（CC-BC600）及7.8%（UP-BC200）至36.7%（UP-BC600）。整体表现为生物炭中4环PAHs在热解温度为600 ℃时占比最高，这主要是由于当温度较低时，生物炭中相对不稳定的氢键受热打开并裂解成多个活性官能团，与苯环缩聚成PAHs；而高温使PAHs的裂解、缩聚反应加剧，一部分断裂生成自由基，进行二次缩聚反应，生成直链烷烃，几个低环PAHs聚合成一个稠环大分子量PAHs[25-27]。此外，5环和6环PAHs仅在部分大型海藻基生物炭中被检出但占比较低，尤其是6环PAHs在500和600 ℃下所有生物炭中均未被检出，表明大型海藻在热解过程中更易形成低环PAHs（2环～4环），而高环PAHs（5环～6环）的生成量很小，与已有研究结果也较为一致[20]。然而，Nguyen等[28]研究结果却指出咖啡残渣生物炭中高环PAHs生产量随热解温度（300～900 ℃）升高而增加。不同生物炭中PAHs分布差异可能源自于不同生物质差异，如大型海藻组成不同于陆生植物，其碳含量相对较低，而氮、磷等成分相对较高[29]。

图4 各大型海藻基生物炭中不同环数PAHs含量及比例

综合来看，同一热解温度下大型海藻基生物炭中不同环数PAHs比例由大到小依次为2环、3环、4环、5环、6环，即随PAHs环数增加其比例下降（图5）。此外，由热解温度和生物炭中不同环数PAHs比例间相关性分析结果可知（表2），热解温度与瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）、粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）及孔石莼生物炭（UP-BC）中2环PAHs比例呈极显著或显著负相关（<0.01或<0.05），而与羊栖菜生物炭（SF-BC）、鼠尾藻生物炭（ST-BC）及带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）中2环PAHs比例呈一定负相关性，但在统计学相关性不显著（>0.05）。尽管热解温度与大型海藻基生物炭中3环PAHs比例间呈正相关，但仅与孔石莼生物炭（UP-BC）中3环PAHs比例间为显著正相关（<0.05）；热解温度与所有大型海藻基生物炭中4环PAHs比例间呈极显著或显著正相关（<0.01或<0.05），而与5环PAHs比例间均无显著相关性（>0.05）；热解温度与羊栖菜生物炭（SF-BC）、鼠尾藻生物炭（ST-BC）、带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）及孔石莼生物炭（UP-BC）中6环比例间存在极显著或显著负相关性（<0.01或<0.05），而与瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）和粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）中6环比例间相关性不显著（>0.05）。上述结果表明大型海藻基生物炭中不同环数PAHs比例与海藻生物质及热解温度有关。

图5 热解温度对大型海藻基生物炭中不同环数PAHs总量的影响

表2 热解温度（200～600 ℃）与同一大型海藻制备的生物炭中不同环数PAHs比例的相关性

注：各生物炭符号表示的含义详见图1注。*和**分别表示在<0.05和<0.01水平显著和极显著相关。

Note: Please see the footnote of Fig. 1 for details of each biochar symbol. * and ** indicate significant and extremely significant correlations at the<0.05 and<0.01 levels, respectively.

2.3 大型海藻基生物炭中PAHs毒性特征

表3为不同热解温度下大型海藻基生物炭的BaP毒性当量浓度TEQBaP。可知，瓦氏马尾藻生物炭（SV-BC）、鼠尾藻生物炭（ST-BC）、带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）和粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）的TEQBaP随热解温度（200～600 ℃）增加先升高后降低，分别在热解温度为500 ℃、400 ℃、300 ℃和400 ℃时达最大值，为2.334、46.151、7.058和2.756g/kg；且600 ℃制备鼠尾藻生物炭（ST-BC）、带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）和粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）的TEQBaP最低，分别为0.736、0.340和0.196g/kg。200 ℃制备的羊栖菜生物炭（SF-BC）和孔石莼生物炭（UP-BC）的TEQBaP高于300 ℃制备的生物炭，而当热解温度在300～600 ℃时，羊栖菜生物炭（SF-BC）和孔石莼生物炭（UP-BC）的TEQBaP随热解温度升高呈现先增加后下降趋势，分别在500 ℃和400 ℃表现出最大值，为16.465和14.342g/kg。整体来看，400 ℃和500 ℃下制备的海藻基生物炭的TEQBaP较高，毒性较大。De la Rosa等[30]研究结果同样显示400 ℃下制备的稻壳生物炭的TEQBaP最大。

表3 不同热解温度下大型海藻基生物炭的BaP毒性当量浓度

同一大型海藻生物质在不同热解温度下制备的生物炭的最大TEQBaP与其各自所含最大PAHs浓度相对应，表明生物炭中PAHs含量在一定程度上决定了其毒性。已有研究结果显示生物炭的PAHs毒性当量浓度不仅取决于PAHs总量，还与其环数和类型分布有关[31]。如300 ℃制备的带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）中PAHs浓度最高，但其PAHs以2环和3环为主，因此其TEQBaP反而较低。尽管400 ℃制备的鼠尾藻生物炭（ST-BC）中PAHs总量低于300 ℃制备的带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC），但400 ℃制备的鼠尾藻生物炭（ST-BC）中5环PAHs占比例较大，使其TEQBaP高于300 ℃制备的带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）。因此，从PAHs含量及风险角度出发，可采用低温（200 ℃）或高温（600 ℃）制备生物炭，但由于热解温度可显著影响生物炭理化结构，进而改变其在环境施用过程中的作用。另外，由于污染物性质差异，需选择不同热解温度制备的生物炭作为吸附剂，以期达到最佳修复效果。如Qiao等[32]研究表明大型海藻浒苔基生物炭对水体中芘和苯并[a]芘的吸附能力随热解温度（200～500 ℃）升高而增加；Yang等[13]研究则表明200 ℃制备的浒苔基生物炭对水体中氧氟沙星具有较强的吸附效率。因此，为达到理想的污染物去除效果，需针对不同目标污染物选择最适合热解温度下的生物炭。与此同时，根据已有文献[16,33]可知，大型海藻基生物炭产率随热解温度（200～600 ℃）升高而逐渐降低，故在生物炭修复效果且潜在环境风险相近的基础上，结合产率及热解温度耗能，可选择热解温度较低的生物炭材料。

2.4 与其他植物生物炭中PAHs含量及潜在毒性的比较

目前有关植物生物炭中PAHs含量及潜在毒性评价已有一定研究。如罗飞等[20]研究显示300～700 ℃的秸秆生物炭中PAHs含量为117～1 807g/kg，其TEQBaP为1.38～51.35g/kg；Nguyen等[28]指出300～900 ℃制备的咖啡渣生物炭中PAHs含量为562～850g/kg，其TEQBaP为15～260g/kg；刘丽等[31]报道了300～700 ℃制备的稻壳生物炭中PAHs含量为0～150.96 mg/kg，其TEQBaP为0～8.396 mg/kg；另有研究指出600 ℃制备的葡萄藤生物炭中PAHs含量为9 818g/kg[34]，而在250～600 ℃下由农作物残留物制备的生物炭中PAHs含量为0.47～7.11 mg/kg[10]。整体来看，本文所测大型海藻基生物炭中16种PAHs含量（78.2～2 244.2g/kg）在已知生物炭中PAHs 较低浓度的范围内，且大型海藻基生物炭的TEQBaP（0.196～46.151g/kg）与已有文献报道生物炭的TEQBaP相比较低。因此，就PAHs潜在风险而言大型海藻基生物炭可作为安全的修复材料。

3 结 论

1）大型海藻基生物炭中均能检测出多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs），且其生成量整体随热解温度（200～600 ℃）升高先增加后降低。不同大型海藻基生物炭中PAHs总量存在差异，其中300 ℃制备的带形蜈蚣藻生物炭（GT-BC）中PAHs总量最高，为2 244.2g/kg；600 ℃制备的粗枝软骨藻生物炭（CC-BC）中PAHs总量最低，为78.2g/kg。此外，热解温度对生物炭中不同PAHs的含量及比例的影响亦存在差异。所有大型海藻基生物炭中的PAHs含量均低于EBC-AgroOrganic等级的限量值，因此就PAHs潜在风险而言大型海藻基生物炭属于安全的优质生物炭。

2）热解温度为200～600 ℃范围内，大型海藻基生物炭中PAHs以2环和3环为主（两者占比之和超过60%）。4环PAHs在所有生物炭中均存在，且整体表现为在热解温度为600 ℃时占比最高。5环和6环PAHs仅在部分大型海藻基生物炭中被检出但占比较低。相关性分析进一步表明大型海藻基生物炭中不同环数PAHs比例与海藻生物质及热解温度有关。

3）大型海藻基生物炭中的BaP毒性当量浓度（BaP-Toxic Equivalence Quantity, TEQBaP）不仅与生物炭中PAHs含量有关还依赖于PAHs环数和类型分布。总体上，400 ℃和500 ℃下制备的大型海藻基生物炭的TEQBaP较高，毒性较大。因此，可通过采用低温（200 ℃）或高温（600 ℃）制备大型海藻基生物炭，以期降低生物炭中PAHs含量及潜在风险。

4）本文仅关注了大型海藻基生物炭中母环PAHs，而包括烷基PAHs在内的含取代基PAHs种类及生态效应更为复杂多样，因此后续工作还有必要对生物炭中含取代基PAHs含量进行分析。

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Distribution characteristics and toxicity evaluation of polycyclic aromatic hydrocarbons in macroalgal biochars

Wang Qilu1,2, Fu Yu1,3, Chen Qifeng4, Sun Xiumei1,2, Li Tiejun1,2※, Yang Chenghu1,2

(1.,,316021,; 2.316021; 3..,.,225300,; 4..,.,316021,)

Biochar has been prevalently recognized as a readily available and environmentally friendly material in recent years. The excellent properties can be a developed pore structure, abundant functional groups, and outstanding cation exchange capacity. Therefore, biochar is often used for the fertilization and/or remediation of water and soil, as well as the long-term sequestration of carbon. Notably, the persistent organic pollutants (e.g. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)) are inevitably generated to stagnate in the biochar during the pyrolysis stage. The concentrations and characteristics of these PAHs in the biochar vary significantly, according to the biomass feedstock, pyrolysis temperature, and pyrolysis conditions. Macroalgae plays crucial roles in carbon cycling to slow down eutrophication in the coastal sea ecosystems. Macroalgae can be expected to serve as the precursors for deriving biochars, due to the short growth cycle, abundance, and accessibility. Moreover, the conversion of macroalgae biomass to biochar is beneficial to the waste management and resource usage of macroalgae. However, it is still lacking on the content and toxicity of PAHs in the macroalgal biochars. In this study, the macroalgal biochars were produced from the,,,,, andat different pyrolysis temperatures (200, 300, 400, 500, and 600 ℃) under oxygen-limited conditions. Sixteen typical PAHs in the macroalgal biochars were extracted and determined using the Soxhlet extraction combined with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Their toxicities were evaluated in this case. The results showed that the PAHs were widely distributed in all tested macroalgal biochars. Specifically, the abundance of PAHs in the biochars first increased and then decreased, as the pyrolysis temperature increased. There was the lowest (78.2g/kg) total concentration of PAHs in thebiochar that was prepared at 600 ℃ among the macroalgal biochars. By contrast, the highest (2 244.2g/kg) was achieved in thebiochar prepared at 300 ℃, indicating the most abundant naphthalene and phenanthrene. The redundancy analysis revealed that there were different effects of pyrolysis temperature on the concentration and proportion of each PAH in the macroalgal biochar. The contents of PAHs in the macroalgal biochars were all lower than the limit value of EBC-AgroOrganic grade (4±2 mg/kg) stipulated in the European Biochar Certificate (EBC, Version 10.1). There were mainly composed of 2 and 3 rings for the PAHs in the macroalgal biochars that were prepared at the pyrolysis temperatures of 200℃-600℃. The 4-ring PAHs were presented in all the macroalgal biochars, whereas the 5- and 6-ring PAHs were detected only in some macroalgal biochars, in which the proportion was very low. In addition, the macroalgal biochars exhibited various toxic equivalence quantity of benzo[a]pyrene (TEQBaP) at different pyrolysis temperatures. This change was attributed to the content, ring number, and type distribution of PAHs in the macroalgal biochars. There was the lowest (0.196g/kg) TEQBaPof thebiochar that derived at 600 ℃ among the tested macroalgal biochars. By contrast,the highest (46.151g/kg)was also achieved in thebiochar that was derived at 400 ℃. The TEQBaPof the macroalgal biochars was lower than that of biochars reported previously. The energy consumption of pyrolysis temperature and yield were combined to determine the biochar remediation effect and similar potential environmental risks. Biochar materials with a lower pyrolysis temperature can be selected to provide important guidance for the production and application of macroalgal biochars, thereby improving the utilization of macroalgae.

biochar; pyrolysis temperature; macroalgae; polycyclic aromatic hydrocarbons; toxic equivalent

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.029

X705

A

1002-6819(2022)-15-0269-08

王琪璐，傅宇，陈琪峰，等. 大型海藻基生物炭中多环芳烃分布特征及毒性评价[J]. 农业工程学报，2022，38(15)：269-276.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.029 http://www.tcsae.org

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2022-04-13

2022-07-14

国家自然科学基金青年基金（31800430）

王琪璐，研究方向为有机污染物分析及其毒性评价。Email：1051040858@qq.com

李铁军，高级工程师，研究方向为海洋生态环境保护及海洋生态毒理学等。Email：litiejun19821204@126.com