生物炭修復重金屬污染土壤研究進展

司馬小峰 孟玉 沈賢城 李堃 于鵬

摘要 作為一種經濟有效的土壤原位修復材料，生物炭可以通過對土壤重金屬的固定與轉化，降低重金屬的生物有效性。生物炭與植物、動物、微生物或其他類型材料聯合使用對重金屬污染土壤進行修復，不僅能提高污染的修復效率，還能增強污染修復效果的穩定性。探討了生物炭單一修復對土壤理化性質及土壤重金屬的影響，并綜述了生物炭與其他技術聯合修復重金屬污染土壤相關的研究進展，展望了未來的研究趨勢。

關鍵詞 生物炭;重金屬;污染土壤;聯合技術;原位修復

中圖分類號 X53? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）12-0031-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.007

開放科學（資源服務）標識碼（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

隨著礦產開采、金屬冶煉、化工生產、污水灌溉等人類生產活動的進行，土壤重金屬污染日益嚴重。據2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》公開數據，全國土壤總的點位超標率為16.1%，主要污染物為無機污染物，其中鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種重金屬超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[1]。重金屬污染不僅會降低土壤肥力及作物產量，而且會通過生物積聚、生物放大作用威脅人類健康，并破壞生態環境[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引起了廣泛關注，同時生物炭也開始用于土壤污染修復，其孔隙率高、比表面積大等特點，使其有極強的吸附能力，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，在土壤污染修復方面具有巨大潛力。

1 生物炭修復技術

生物炭是生物質（如木頭、糞便、樹葉等）在缺氧或限氧且相對低溫（<700 ℃）條件下加熱制得的富含碳的固體殘渣[4]。生物炭主要成分是烷基和芳香結構，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物質，具有較高的pH和陽離子交換能力，可以改善土壤肥力、促進作物生長。另外，生物炭顆粒具有大量微孔結構和豐富的含氧官能團，從而降低土壤重金屬的遷移性和生物有效性，因此，利用生物炭修復土壤重金屬污染得到了越來越多的關注[5-6]。

1.1 對重金屬的吸附固定作用

生物炭對土壤中重金屬的吸附固定機理比較復雜。部分學者認為生物炭對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構，重金屬離子會被吸附至生物炭表面或擴散進入孔隙內[7]。Beesley等[8]也認為生物炭降低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]。相關研究發現[9]，低溫熱解制備的生物炭對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，使其帶有更多的負電荷，通過靜電吸引力降低了重金屬離子的移動性。沉淀作用也是生物炭固定重金屬的重要機理，生物炭的pH普遍較高，在土壤中會促進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]發現加入稻秸稈生物炭使土壤pH上升，土壤生成氫氧化物沉淀，且生物炭對氫氧化物的吸附力更大，進一步降低了土壤中的重金屬移動性。Cao等[11]也通過XRD和FTIR表征方式證明了乳制品生物炭對土壤中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到84%～87%。此外，生物炭表面含氧官能團也能通過離子交換和絡合作用參與重金屬離子的吸附固定[12-13]。

1.2 改變土壤性質與環境

生物炭在土壤中不僅可以直接與重金屬離子發生反應，還可以通過改變土壤的生物化學性質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影響土壤pH、有機質、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會導致土壤pH升高，降低酸可提取態重金屬的含量，進而降低其生物有效性[14]。生物炭含有的礦物質會導致土壤陽離子交換容量升高，從而提高其對重金屬的靜電作用，更容易發生絡合，促進重金屬在土壤中的吸附[15-16]。大量研究表明，生物炭的添加會提高土壤有機質含量[17-18]，其表面官能團會與重金屬形成金屬絡（螯）合物，從而影響重金屬在土壤中的遷移[19]。生物炭添加還會導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，促進對重金屬的固定[20]。

2 生物炭聯合修復技術

單一使用生物炭修復土壤存在一定的局限性，所以生物炭的聯合修復逐漸興起，將生物炭與植物、微生物、動物和其他添加物聯合使用，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周期。

2.1 生物炭與植物聯合使用

植物修復技術是指利用植物生長特性對土壤重金屬進行吸收和富集，并通過收割植物實現土壤重金屬的轉移。該技術具有治理成本低、土壤微生態影響小等優點，但是存在修復周期長、適應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、改善土壤結構，緩解重金屬對植物生長的毒害。

生物炭與植物修復聯合用于土壤重金屬修復時，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，緩解重金屬對植物的毒性，還能提供營養物質促進植物生長，從而有效修復土壤重金屬。王璽洋等[21]研究了稻稈炭與巨菌草聯合修復銅、鎘復合污染土壤，發現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Cu、Cd的富集量，土壤有效態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，并促進土壤對Cd和Pb的固持能力。然而，有研究發現這種協同促進作用與生物炭的添加量相關，劉蕾等[23]發現采用麥秸稈生物炭、玉米秸稈生物炭和黑麥草聯合修復鎘污染土壤時，生物炭的添加可以提高黑麥草對土壤中鎘的吸收效果，但過量添加反而會使鎘固定在土壤中，這與筆者前期的相關研究結論類似[24]。

2.2 生物炭-微生物聯合修復技術

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，或通過鐵載體絡合作用降低重金屬的生物毒性，從而實現重金屬污染土壤的修復[25]。然而，游離微生物在污染土壤中極易遭受不良環境的影響，導致修復效果不佳，生物炭表面的孔隙結構可能成為微生物的庇護所，添加至土壤中能改善土壤的通氣條件、pH和保水能力，并提高土壤礦物質和有機物等含量，進而改善微生物棲息環境，促進土壤微生物豐度和數量的增加[26-27]。

任曉斌等[28]通過室內盆栽試驗探究了光合細菌和生物炭對土壤鉻污染的修復效果，修復30 d后，聯合修復后土壤中鉻的生物可利用性較單一光合細菌和生物炭修復分別降低了8.03%和9.11%，土壤中的過氧化氫酶、脲酶、轉化酶和堿性磷酸酶活性均顯著增高，極大地促進了鉻脅迫下小白菜植株生長，同時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]研究發現，產吲哚乙酸菌與生物炭聯合修復Ni和Cd污染土壤效果較好，土壤中重金屬有效態的固定能力高于二者單獨修復，小白菜的生長鮮重為38.94 g，也遠高于二者單獨修復的9.97 g和5.86 g，這可能是生物炭緩解了Cd、Ni對菌株的毒害作用，同時，其孔隙結構和營養元素為菌株生長提供了良好的環境，進而使得產吲哚乙酸菌保持較高的活性。李琋等[30]利用生物炭負載微生物修復石油烴-鎘復合污染土壤的試驗也得到了相似結論，生物炭固定化微生物使土壤中的可交換態鎘含量顯著降低，且明顯低于單獨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菌數量、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]研究了內生菌、生物炭和植物3種方式協同強化固定化修復鎘污染土壤，他們發現3種方式聯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含量。

2.3 生物炭-動物聯合修復技術

目前，生物炭與動物聯合修復技術主要為蚯蚓相關的研究。蚯蚓廣泛存在于土壤中，是典型的無脊椎動物，其體內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]研究發現，蚯蚓與生物炭聯合修復后，土壤的水溶態As含量明顯低于蚯蚓或生物炭單獨修復，蚯蚓的引入增加了變形菌門的相對豐度，而變形菌門與土壤水溶態As含量呈顯著負相關，即變形菌門可能參與了土壤As的轉化與固定，此外，生物炭添加后蚯蚓體內富集的As含量顯著增加，且蚯蚓存活率沒有明顯變化。

2.4 生物炭-其他材料聯合修復技術

近年來有研究人員開始將生物炭與其他材料聯合用于土壤重金屬修復。余紅等[35]將生物炭和堆肥產品聯合用于土壤汞污染修復，結果顯示，生物炭和堆肥產品聯合修復時，汞的生物有效性下降61.8%，明顯優于生物炭或堆肥產品單獨施用的修復效果，發現堆肥過程促進了生物炭表面活性基團的形成，同時生物炭促進了堆肥過程中腐殖質的形成，而腐殖質通過陽離子交換、吸附、形成配位化合物等方式進一步改變重金屬的賦存形態[36]。趙首萍等[37]研究發現，石灰與生物炭聯合使用對土壤鎘有效態的降低發揮了疊加作用，對土壤理化性質的改善作用明顯優于石灰或生物炭單獨使用，并大幅度降低水稻中Cd含量。肖亮亮等[38]研究發現，麥飯石的添加也能促進生物炭的修復效果，二者聯合施用后，Cd的弱酸提取態顯著降低，殘渣態明顯增加，主要原因是麥飯石在短時間提高了土壤pH，與生物炭提供的有機質共同作用促進了土壤重金屬的吸附固定與沉淀作用。

3 展望

生物炭原位修復具有良好的生態和經濟效益，但是單一的生物炭修復存在局限性，針對生物炭修復存在的問題，目前已有較多生物炭相關的聯合技術研究，在一定程度上提高了修復效率，但仍然存在各種問題。如何進一步改善生物炭修復效果，提高修復效率，可以從以下幾個方面進一步深入研究。

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險，通過超富集植物可將重金屬富集而從土壤移除，且經濟環保，具有較好應用前景。但是需要進一步尋找生長周期短、環境適應能力強、且對多種重金屬富集效率高的超富集植物。

②將生物炭修復與植物、轉基因、微生物、農藝措施等相結合，進一步提高重金屬修復效率。

③改性生物炭在土壤重金屬修復方面相關研究也較多，未來可考慮針對與其他技術聯合修復進行定向改性研究。

④目前大部分的試驗仍在實驗室或小型田間進行，大規模田間試驗將是后續研究的重點方向。

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