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    生物炭修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展

    2022-07-06 05:35:52司馬小峰孟玉沈賢城李堃于鵬
    安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年12期
    關(guān)鍵詞:生物炭重金屬

    司馬小峰 孟玉 沈賢城 李堃 于鵬

    摘要 作為一種經(jīng)濟(jì)有效的土壤原位修復(fù)材料,生物炭可以通過對(duì)土壤重金屬的固定與轉(zhuǎn)化,降低重金屬的生物有效性。生物炭與植物、動(dòng)物、微生物或其他類型材料聯(lián)合使用對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù),不僅能提高污染的修復(fù)效率,還能增強(qiáng)污染修復(fù)效果的穩(wěn)定性。探討了生物炭單一修復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)及土壤重金屬的影響,并綜述了生物炭與其他技術(shù)聯(lián)合修復(fù)重金屬污染土壤相關(guān)的研究進(jìn)展,展望了未來的研究趨勢。

    關(guān)鍵詞 生物炭;重金屬;污染土壤;聯(lián)合技術(shù);原位修復(fù)

    中圖分類號(hào) X53? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611(2022)12-0031-03

    doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.007

    開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

    Research Progress on Biochar Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil

    SIMA Xiao-feng, MENG Yu, SHEN Xian-cheng et al

    (Anhui Urban Construction Design Institute Co.,Ltd., Hefei, Anhui 230051)

    Abstract As an economical and effective soil remediation material, biochar can reduce the bioavailability of heavy metals through fixation and transformation of heavy metals in soil.Biochar combined with plant, animals, microorganism or other types of materials can not only improve the remediation efficiency, but also enhance the stability of the remediation effect of contaminated soil. In this paper, the effects of biochar single on soil physical and chemical properties and heavy metals were discussed, and the progress of its combination technology was reviewed,while the future development was prospected.

    Key words Biochar;Heavy metals;Contaminated soil;Combination technology;In-situ remediation

    隨著礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、化工生產(chǎn)、污水灌溉等人類生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行,土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》公開數(shù)據(jù),全國土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%,主要污染物為無機(jī)污染物,其中鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種重金屬超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[1]。重金屬污染不僅會(huì)降低土壤肥力及作物產(chǎn)量,而且會(huì)通過生物積聚、生物放大作用威脅人類健康,并破壞生態(tài)環(huán)境[2],所以,解決土壤的重金屬污染問題刻不容緩。近年來,生物炭的炭封存效應(yīng)引起了廣泛關(guān)注,同時(shí)生物炭也開始用于土壤污染修復(fù),其孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn),使其有極強(qiáng)的吸附能力,能夠降低土壤中重金屬生物毒性[3],且生物炭制備來源廣泛,制備方式簡單,在土壤污染修復(fù)方面具有巨大潛力。

    1 生物炭修復(fù)技術(shù)

    生物炭是生物質(zhì)(如木頭、糞便、樹葉等)在缺氧或限氧且相對(duì)低溫(<700 ℃)條件下加熱制得的富含碳的固體殘?jiān)黐4]。生物炭主要成分是烷基和芳香結(jié)構(gòu),組成元素主要為C、H、O等,且含有N、P、K等植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì),具有較高的pH和陽離子交換能力,可以改善土壤肥力、促進(jìn)作物生長。另外,生物炭顆粒具有大量微孔結(jié)構(gòu)和豐富的含氧官能團(tuán),從而降低土壤重金屬的遷移性和生物有效性,因此,利用生物炭修復(fù)土壤重金屬污染得到了越來越多的關(guān)注[5-6]。

    1.1 對(duì)重金屬的吸附固定作用

    生物炭對(duì)土壤中重金屬的吸附固定機(jī)理比較復(fù)雜。部分學(xué)者認(rèn)為生物炭對(duì)重金屬以物理吸附為主,由于生物炭具有高比表面積和多孔結(jié)構(gòu),重金屬離子會(huì)被吸附至生物炭表面或擴(kuò)散進(jìn)入孔隙內(nèi)[7]。Beesley等[8]也認(rèn)為生物炭降低As、Cd和Zn等重金屬離子的遷移和生物有效性主要依靠物理吸附,這種物理吸附主要源于分子間力,故這種吸附可能是可逆的[7]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[9],低溫?zé)峤庵苽涞纳锾繉?duì)重金屬離子的固定主要依靠靜電作用,這主要是由于低溫條件熱解制備的生物炭表面有更多含氧官能團(tuán),使其帶有更多的負(fù)電荷,通過靜電吸引力降低了重金屬離子的移動(dòng)性。沉淀作用也是生物炭固定重金屬的重要機(jī)理,生物炭的pH普遍較高,在土壤中會(huì)促進(jìn)重金屬離子生成金屬氫氧化物、金屬磷酸鹽或碳酸鹽沉淀。Jiang等[10]發(fā)現(xiàn)加入稻秸稈生物炭使土壤pH上升,土壤生成氫氧化物沉淀,且生物炭對(duì)氫氧化物的吸附力更大,進(jìn)一步降低了土壤中的重金屬移動(dòng)性。Cao等[11]也通過XRD和FTIR表征方式證明了乳制品生物炭對(duì)土壤中Pb去除主要是由于生成磷酸鹽與碳酸鹽沉淀,且沉淀在總吸附作用中占比達(dá)到84%~87%。此外,生物炭表面含氧官能團(tuán)也能通過離子交換和絡(luò)合作用參與重金屬離子的吸附固定[12-13]。

    1.2 改變土壤性質(zhì)與環(huán)境

    生物炭在土壤中不僅可以直接與重金屬離子發(fā)生反應(yīng),還可以通過改變土壤的生物化學(xué)性質(zhì)影響土壤重金屬的遷移性與生物有效性。生物炭的添加主要會(huì)影響土壤pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量(CEC)、持水能力及微生物群落等。生物炭含有的堿性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致土壤pH升高,降低酸可提取態(tài)重金屬的含量,進(jìn)而降低其生物有效性[14]。生物炭含有的礦物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致土壤陽離子交換容量升高,從而提高其對(duì)重金屬的靜電作用,更容易發(fā)生絡(luò)合,促進(jìn)重金屬在土壤中的吸附[15-16]。大量研究表明,生物炭的添加會(huì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[17-18],其表面官能團(tuán)會(huì)與重金屬形成金屬絡(luò)(螯)合物,從而影響重金屬在土壤中的遷移[19]。生物炭添加還會(huì)導(dǎo)致土壤可溶性磷含量提高,與Cd、Pb、Zn等重金屬形成磷酸鹽難溶性物質(zhì),促進(jìn)對(duì)重金屬的固定[20]。

    2 生物炭聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

    單一使用生物炭修復(fù)土壤存在一定的局限性,所以生物炭的聯(lián)合修復(fù)逐漸興起,將生物炭與植物、微生物、動(dòng)物和其他添加物聯(lián)合使用,可降低土壤重金屬的生物有效性,縮短重金屬污染土壤的修復(fù)周期。

    2.1 生物炭與植物聯(lián)合使用

    植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物生長特性對(duì)土壤重金屬進(jìn)行吸收和富集,并通過收割植物實(shí)現(xiàn)土壤重金屬的轉(zhuǎn)移。該技術(shù)具有治理成本低、土壤微生態(tài)影響小等優(yōu)點(diǎn),但是存在修復(fù)周期長、適應(yīng)性弱及重金屬植物毒害影響等局限性。生物炭的添加不僅對(duì)土壤重金屬有一定的鈍化作用,而且可以提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu),緩解重金屬對(duì)植物生長的毒害。

    生物炭與植物修復(fù)聯(lián)合用于土壤重金屬修復(fù)時(shí),生物炭不僅能通過吸附固定作用降低重金屬的生物有效性,緩解重金屬對(duì)植物的毒性,還能提供營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)植物生長,從而有效修復(fù)土壤重金屬。王璽洋等[21]研究了稻稈炭與巨菌草聯(lián)合修復(fù)銅、鎘復(fù)合污染土壤,發(fā)現(xiàn)稻稈生物炭的施用不僅提高了巨菌草的成活率和其地上部分的生物量,也提升了巨菌草的地上部分對(duì)Cu、Cd的富集量,土壤有效態(tài)Cu、Cd含量顯著降低。董雙快等[22]的研究也表明,土壤中過高濃度的Cd和Pb會(huì)抑制蘇丹草的生長,而生物炭的添加能緩解這種抑制作用,并促進(jìn)土壤對(duì)Cd和Pb的固持能力。然而,有研究發(fā)現(xiàn)這種協(xié)同促進(jìn)作用與生物炭的添加量相關(guān),劉蕾等[23]發(fā)現(xiàn)采用麥秸稈生物炭、玉米秸稈生物炭和黑麥草聯(lián)合修復(fù)鎘污染土壤時(shí),生物炭的添加可以提高黑麥草對(duì)土壤中鎘的吸收效果,但過量添加反而會(huì)使鎘固定在土壤中,這與筆者前期的相關(guān)研究結(jié)論類似[24]。

    2.2 生物炭-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

    在重金屬污染土壤中,部分微生物可以分泌一些特殊蛋白與重金屬生成螯合物,或通過鐵載體絡(luò)合作用降低重金屬的生物毒性,從而實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)[25]。然而,游離微生物在污染土壤中極易遭受不良環(huán)境的影響,導(dǎo)致修復(fù)效果不佳,生物炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)可能成為微生物的庇護(hù)所,添加至土壤中能改善土壤的通氣條件、pH和保水能力,并提高土壤礦物質(zhì)和有機(jī)物等含量,進(jìn)而改善微生物棲息環(huán)境,促進(jìn)土壤微生物豐度和數(shù)量的增加[26-27]。

    任曉斌等[28]通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)探究了光合細(xì)菌和生物炭對(duì)土壤鉻污染的修復(fù)效果,修復(fù)30 d后,聯(lián)合修復(fù)后土壤中鉻的生物可利用性較單一光合細(xì)菌和生物炭修復(fù)分別降低了8.03%和9.11%,土壤中的過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶活性均顯著增高,極大地促進(jìn)了鉻脅迫下小白菜植株生長,同時(shí)還大幅度降低了小白菜根系及地上部分的鉻含量。龔誠君等[29]研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)吲哚乙酸菌與生物炭聯(lián)合修復(fù)Ni和Cd污染土壤效果較好,土壤中重金屬有效態(tài)的固定能力高于二者單獨(dú)修復(fù),小白菜的生長鮮重為38.94 g,也遠(yuǎn)高于二者單獨(dú)修復(fù)的9.97 g和5.86 g,這可能是生物炭緩解了Cd、Ni對(duì)菌株的毒害作用,同時(shí),其孔隙結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)元素為菌株生長提供了良好的環(huán)境,進(jìn)而使得產(chǎn)吲哚乙酸菌保持較高的活性。李琋等[30]利用生物炭負(fù)載微生物修復(fù)石油烴-鎘復(fù)合污染土壤的試驗(yàn)也得到了相似結(jié)論,生物炭固定化微生物使土壤中的可交換態(tài)鎘含量顯著降低,且明顯低于單獨(dú)添加生物炭和游離微生物,此外,固定化微生物可顯著增加土壤細(xì)菌數(shù)量、土壤脫氫酶活性、過氧化氫酶活性以及多酚氧化酶活性。Zhang等[31]研究了內(nèi)生菌、生物炭和植物3種方式協(xié)同強(qiáng)化固定化修復(fù)鎘污染土壤,他們發(fā)現(xiàn)3種方式聯(lián)合使用具有顯著的植物促生效果,能顯著降低土壤鎘含量及有效態(tài)含量。

    2.3 生物炭-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

    目前,生物炭與動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要為蚯蚓相關(guān)的研究。蚯蚓廣泛存在于土壤中,是典型的無脊椎動(dòng)物,其體內(nèi)含有的微生物能增加土壤微生物量,并提高重金屬的生物有效性[32]。蘇倩倩等[33-34]研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓與生物炭聯(lián)合修復(fù)后,土壤的水溶態(tài)As含量明顯低于蚯蚓或生物炭單獨(dú)修復(fù),蚯蚓的引入增加了變形菌門的相對(duì)豐度,而變形菌門與土壤水溶態(tài)As含量呈顯著負(fù)相關(guān),即變形菌門可能參與了土壤As的轉(zhuǎn)化與固定,此外,生物炭添加后蚯蚓體內(nèi)富集的As含量顯著增加,且蚯蚓存活率沒有明顯變化。

    2.4 生物炭-其他材料聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

    近年來有研究人員開始將生物炭與其他材料聯(lián)合用于土壤重金屬修復(fù)。余紅等[35]將生物炭和堆肥產(chǎn)品聯(lián)合用于土壤汞污染修復(fù),結(jié)果顯示,生物炭和堆肥產(chǎn)品聯(lián)合修復(fù)時(shí),汞的生物有效性下降61.8%,明顯優(yōu)于生物炭或堆肥產(chǎn)品單獨(dú)施用的修復(fù)效果,發(fā)現(xiàn)堆肥過程促進(jìn)了生物炭表面活性基團(tuán)的形成,同時(shí)生物炭促進(jìn)了堆肥過程中腐殖質(zhì)的形成,而腐殖質(zhì)通過陽離子交換、吸附、形成配位化合物等方式進(jìn)一步改變重金屬的賦存形態(tài)[36]。趙首萍等[37]研究發(fā)現(xiàn),石灰與生物炭聯(lián)合使用對(duì)土壤鎘有效態(tài)的降低發(fā)揮了疊加作用,對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善作用明顯優(yōu)于石灰或生物炭單獨(dú)使用,并大幅度降低水稻中Cd含量。肖亮亮等[38]研究發(fā)現(xiàn),麥飯石的添加也能促進(jìn)生物炭的修復(fù)效果,二者聯(lián)合施用后,Cd的弱酸提取態(tài)顯著降低,殘?jiān)鼞B(tài)明顯增加,主要原因是麥飯石在短時(shí)間提高了土壤pH,與生物炭提供的有機(jī)質(zhì)共同作用促進(jìn)了土壤重金屬的吸附固定與沉淀作用。

    3 展望

    生物炭原位修復(fù)具有良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益,但是單一的生物炭修復(fù)存在局限性,針對(duì)生物炭修復(fù)存在的問題,目前已有較多生物炭相關(guān)的聯(lián)合技術(shù)研究,在一定程度上提高了修復(fù)效率,但仍然存在各種問題。如何進(jìn)一步改善生物炭修復(fù)效果,提高修復(fù)效率,可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入研究。

    ①生物炭可以降低土壤重金屬的生物有效性,但存在活化形成二次污染的風(fēng)險(xiǎn),通過超富集植物可將重金屬富集而從土壤移除,且經(jīng)濟(jì)環(huán)保,具有較好應(yīng)用前景。但是需要進(jìn)一步尋找生長周期短、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、且對(duì)多種重金屬富集效率高的超富集植物。

    ②將生物炭修復(fù)與植物、轉(zhuǎn)基因、微生物、農(nóng)藝措施等相結(jié)合,進(jìn)一步提高重金屬修復(fù)效率。

    ③改性生物炭在土壤重金屬修復(fù)方面相關(guān)研究也較多,未來可考慮針對(duì)與其他技術(shù)聯(lián)合修復(fù)進(jìn)行定向改性研究。

    ④目前大部分的試驗(yàn)仍在實(shí)驗(yàn)室或小型田間進(jìn)行,大規(guī)模田間試驗(yàn)將是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。

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