生物质炭对重金属土壤环境行为及影响机制研究进展

综述了生物质炭基本结构特性及其影响因素,阐述了生物质炭对土壤重金属形态转变、迁移性以及生物有效性的影响,并对其作用机制做了探讨。研究发现,生物质炭基本结构特性主要与自身理化性、材料来源和制备条件相关。由此对污染土壤重金属形态转变及其运动变化产生不同影响,主要引起重金属的有效态向残渣态等无效态转变,其迁移和生物有效性降低引起植株累积重金属能力下降。其主要作用机制为吸附和固化作用,通过直接或间接改变土壤pH、有机质含量、CEC、土壤酶活性和团聚体等环境,达到修复目的。因此,在利用生物质炭钝化重金属污染土壤时,应因地制宜,筛选和施用适宜生物质材料。今后应继续探究完善其作用机制,并对修复土壤进行长期监测与防控。     

生物炭去除土壤重金属的研究进展

生物炭作为一种新型的吸附材料,具有比表面积大、官能团丰富、稳定性高等特点,施入土壤后可影响重金属在土壤中的迁移性和生物有效性。从生物炭对重金属的吸附机制、生物炭还田应用效果进行了概述,在此基础上分析了生物炭推广应用的限制因素,并从生物炭与土壤的相互作用、生物炭的制备工艺完善等方面进行了展望。生物炭施入土壤后可通过阳离子-π作用、离子交换、络合、共沉淀、氧化还原和静电吸附作用降低重金属有效态含量,减少作物对重金属的累积。但生物炭在实际应用中仍存在作用效果不稳定、价格高昂难以大面积推广应用等问题,未来有必要进一步探明生物炭与土壤互作关系、完善生物炭制备工艺,为生物炭的广泛高效利用提供支撑。     

生物炭成炭调控及固化土壤重金属研究进展

生物炭在固持土壤重金属(HMs)方面具有广阔的应用前景,其修复效果受到理化特性以及土壤环境的影响。因此,探究生物炭的成炭调控与重金属固化能力,对于优化生物炭制备生产过程具有重要的指导意义。总结了不同制备工艺下生物炭的理化特性变化,并梳理了生物炭固化重金属的主要机理以及各种老化因素对生物炭理化特性变化的影响。生物炭主要通过孔隙吸附、阳离子交换、官能团络合以及矿物沉淀等方式来固化土壤中的重金属,其各项机制的吸附贡献占比受到热解温度、原料种类、停留时间、热解气氛等因素的影响。生物炭老化会导致其理化特性变化,如孔道破碎、含氧官能团分解、不稳定碳析出等,而不同的老化因素会对生物炭产生不同的影响。通过探究各老化因素的作用机理以及其对重金属固化的影响,可以从热解成炭的角度提高生物炭稳定性及有效性,从而减少环境因素对生物炭固化重金属效果的影响,实现对生物炭物化特性及土壤修复能力的有序调控。同时,还展望了未来生物炭施用研究方向,旨在为合理评估生物炭有效性以及指导生物炭修复重金属污染土壤提供参考。     

不同改性生物炭对农田土壤理化性质及铅、镉钝化的影响机制研究

改性生物炭是良好的重金属钝化剂。但针对不同生物炭,联合多种方法进行改性后生物炭的吸附性能尚待深入研究,其对土壤理化性质和重金属铅(Pb)、镉(Cd)长期钝化效果的影响也有待研究。选取水稻秸秆、木屑和椰壳为生物炭材,经硝酸-高锰酸钾联合改性后进行表征,明确改性前后生物炭理化性质。开展室内培养实验,将改性生物炭按质量比为2.5%、5%和10%加入受试土壤,培养6个月后,测定土壤理化性质、Pb、Cd形态分布及钝化效率,探讨改性生物炭钝化土壤Pb、Cd的作用机制。结果表明：改性后,不同生物炭的比表面积、孔隙结构和含氧官能团数量均得到不同程度的改善,重金属吸附性能有效增强,以改性椰壳炭最为显著。添加改性生物炭能提高土壤pH并改善土壤结构,当其用量>5%时,土壤阳离子交换量和有机质含量分别提高了15.89 g/kg和5.28 cmol/kg,土壤自身对养分及重金属的固定能力得到了显著提升。改性生物炭-土壤体系主要通过离子交换、络合反应和共沉淀反应等促使土壤有效态Pb、Cd向其潜在活化形态和残渣态转化,转化程度与钝化培养时间和改性生物炭用量呈正相关。受元素特性和竞争吸附作用的影响,土壤Pb     

生物炭去除土壤重金属研究进展

针对生物炭作为新型土壤改良剂的研究进展,介绍了生物炭制备方法,分析了生物炭与土壤重金属作用机制,探讨了生物炭联用技术。分析认为:原料、热解温度、热解时间等制备条件对生物炭去除重金属效果有不同程度的影响,热解温度影响程度最高,可以通过优化热解温度等条件制备生物炭;生物炭与土壤重金属间有直接和间接两种作用方式,不同生物炭与重金属间的作用机理也存在差异,需要深入了解作用机制并选择合适的生物炭;相比于单一生物炭施用,与碱性物质和堆肥技术联用可强化协同作用并优化土壤修复效果。     

土壤矿物质-可溶态生物炭的交互作用及其对碳稳定性的影响

将生物质转化为生物炭并输入土壤被认为是一种很有前景的碳封存技术.生物炭颗粒在土壤中会不断释放出可溶态生物炭,这部分生物炭不稳定,易被微生物分解.探明土壤组分矿物质对可溶态生物炭稳定性的影响对评估生物炭的碳封存作用具有重要意义.因此,本文以核桃壳生物炭为研究对象,通过批次吸附实验及微生物降解实验研究了2种代表性土壤矿物质高岭土和针铁矿与核桃壳生物炭可溶有机组分的结合机理,以及这种结合作用对可溶态生物炭稳定性的影响.结果表明:低浓度(如20 mg·L-1)可溶态生物炭条件下,高岭土与可溶态生物炭之间以Ca2+架桥作用为主,约占吸附总量的65%;高浓度(如80 mg·L-1)条件下,以范德华力为主,约占吸附总量的76%.随着可溶态生物炭初始浓度的升高,针铁矿对其吸附量先升高后下降,且以范德华力为主,Ca2+会抑制针铁矿对可溶态生物炭的吸附.被矿物质吸附后的可溶态生物炭,其微生物降解性显著下降,可降解的碳下降了47.9%~85.3%,土壤矿物质能够吸附保护可溶态生物炭,提高其在土壤中的稳定性.     

生物炭对污泥堆肥及其利用过程重金属有效态的影响

以城市脱水污泥为研究对象,设置2种处理(A组:添加水稻生物炭;B组:未添加生物炭)进行污泥堆肥,并将污泥堆肥产品进行土地利用,研究污泥堆肥及其利用过程重金属(Cd、Pb、Cu、Zn、Ni)的变化特征及其钝化效果,同时考察添加生物炭的影响作用。结果表明:在污泥堆肥及其短期利用过程中,除Ni外,重金属总量没有显著变化,水稻生物炭对5种重金属总量的影响也不显著。污泥堆肥过程对5种重金属具有一定钝化作用,添加生物炭能显著降低重金属有效态含量,并具有显著的钝化效果(P0.05),钝化率达到16.39%~43.10%,其中Zn、Ni的钝化效果更为显著;而未添加生物炭的污泥堆肥过程对重金属有效态的钝化效果不显著(P0.05)。施用污泥堆肥会增加土壤重金属含量,短期时间内,生物炭对污泥堆肥土壤利用后的重金属有效态具有一定影响,但效果不显著。     

生物炭对污泥堆肥及其利用过程重金属有效态的影响

以城市脱水污泥为研究对象,设置2种处理(A组:添加水稻生物炭; B组:未添加生物炭)进行污泥堆肥,并将污泥堆肥产品进行土地利用,研究污泥堆肥及其利用过程重金属(Cd、Pb、Cu、Zn、Ni)的变化特征及其钝化效果,同时考察添加生物炭的影响作用.结果表明:在污泥堆肥及其短期利用过程中,除Ni外,重金属总量没有显著变化,水稻生物炭对5种重金属总量的影响也不显著.污泥堆肥过程对5种重金属具有一定钝化作用,添加生物炭能显著降低重金属有效态含量,并具有显著的钝化效果(P 0. 05),钝化率达到16. 39%～43. 10%,其中Zn、Ni的钝化效果更为显著;而未添加生物炭的污泥堆肥过程对重金属有效态的钝化效果不显著(P 0. 05).施用污泥堆肥会增加土壤重金属含量,短期内,生物炭对污泥堆肥土壤利用后的重金属有效态具有一定影响,但效果不显著.     

水稻秸秆生物炭对镉、铅复合污染土壤中重金属形态转化的短期影响

用生物炭修复重金属污染土壤已有广泛研究.本文采用水稻秸秆在500℃下制成的生物炭,施入Pb、Cd复合污染的土壤中培养30 d,探讨重金属化学形态变化,以期为生物炭修复重金属污染土壤提供科学依据.结果表明:生物炭添加后,黄棕壤的pH升高,弱酸提取态、可还原态及可氧化态Pb含量降低,残渣态Pb含量极显著增加,土壤Pb活性降低;与未加生物炭处理相比,添加生物炭后高浓度Cd污染土壤中弱酸提取态Cd含量极显著降低,可氧化态Cd含量增加,而残渣态Cd含量变化不显著,表明添加生物炭可以促进弱酸提取态Cd向可氧化态Cd转化.Pb、Cd复合污染土壤中Pb-Cd交互作用极显著,添加生物炭减弱了交互作用对弱酸提取态Pb的影响.     

改性生物炭修复砷镉复合污染土壤研究进展

砷镉复合污染(As/Cd污染)已成为我国主要的土壤环境问题,改性生物炭作为一种吸附固定剂在修复土壤As/Cd污染中正发挥日益重要的作用.在明确原始生物炭作为钝化剂修复As/Cd污染土壤局限性的基础上,综述了针对As/Cd污染土壤修复的生物炭改性方法研究进展,分析了相关作用机制,并对未来利用改性生物炭修复As/Cd污染土壤的前景和存在问题进行展望.结果表明,金属改性生物炭具有较好的协同修复As/Cd污染土壤的效应,从而具有良好的应用前景.通过不同改性方法制备的生物炭材料修复As/Cd污染的固定机制各异,其中,金属改性和无机非金属改性生物炭对As/Cd的固定作用主要涉及官能团配位、共沉淀和As氧化还原;微生物改性生物炭涉及沉淀作用和As氧化还原;物理和酸改性方法则局限于物理吸附和弱静电引力.针对当前研究现状,建议未来应加强生物质原料类型、热解温度、制备工艺、经济成本和土壤老化等因素对改性生物炭修复As/Cd污染土壤的影响研究,实施不同因素影响下材料对重金属固定的稳定性和长效性评估,揭示材料修复As/Cd污染土壤的关键作用机制.     

Heavy metal availability and impact on activity of soil microorganisms along a Cu/Zn contamination gradient

All the regulations that define a maximum concentration of metals in the receiving soil are based on total soil metal concentration. However, the potential toxicity of a heavy metal in the soil depends on its speciation and availability. We studied the effects of heavy metal speciation and availability on soil microorganism activities along a Cu/Zn contamination gradient. Microbial biomass and enzyme activity of soil contaminated with both Cu and Zn were investigated. The results showed that microbial biomass was negatively affected by the elevated metal levels. The microbial biomass-C （Cmic）/organic C （Corg） ratio was closely correlated to heavy metal stress. There were negative correlations between soil microbial biomass, phosphatase activity and NH4NO3 extractable heavy metals. The soil microorganism activity could be predicted using empirical models with the availability of Cu and Zn. We observed that 72% of the variation in phosphatase activity could be explained by the NH4NO3-extractable and total heavy metal concentration. By considering different monitoring approaches and different viewpoints, this set of methods applied in this study seemed sensitive to site differences and contributed to a better understanding of the effects of heavy metals on the size and activity of microorganisms in soils. The data presented demonstrate the relationship between heavy metals availability and heavy metal toxicity to soil microorganism along a contamination gradient.     

典型硫铁矿区农田土壤-作物系统重金属生态风险及迁移富集特征

为揭示硫铁矿区地质高背景和人为活动影响叠加区下土壤-作物系统重金属生态风险,分析测试了某硫铁矿区农田土壤-作物系统中重金属含量及其赋存形态,利用生物富集系数(BFC)、潜在生态风险指数(RI)、风险评估指数(RAC)和相关分析等方法开展了重金属生态风险评估及迁移富集影响因素研究.结果表明,土壤中Cd、 Cu、 Pb和Zn含量均值均显著高于浙江省和全国表层土壤背景值.土壤中Cd单指标潜在生态风险危害最大,其次是Hg;重金属综合潜在生态风险(RI)以轻微等级为主,占比为52%.土壤中Cd的生物有效组分和潜在生物有效组占比分别为46%和33%,生物有效性相对较高;Cu和Pb以潜在生物有效组分为主,占比分别为60%和73%; As、 Cr、 Hg、 Ni和Zn均以残渣态为主(残渣态占比>60%).RAC评价显示,元素风险等级大小依次为：Cd>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cr>Hg,土壤Cd潜在生态风险最大,以高和极高风险等级为主,其他各元素RAC均为无风险或低风险.与土壤中Cd含量相比,研究区作物中Cd含量超标率明显较低,仅8件水稻籽实样品Cd...     

石家庄农田区土壤重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg形态分布特征及其影响因素

土壤重金属污染是国内外亟待解决的环境问题。随着重金属元素迁移和转化的深入研究,重金属的毒性不仅与其全量有关,而且在更大程度上受形态分布所控制。本文选择石家庄农田区为研究区,采集了31个根系土样品,对土壤中的Cd、Cr、Pb、As、Hg等5种重金属进行了形态分析,并探讨了影响重金属化学形态的影响因素。研究表明:Cd的有效态含量占全量比重最大,40.94%,其次是Pb的12.73%,Cr、Pb、As、Hg均以残渣态为主;5种重金属各形态和全量的相关程度较高,尤其是Pb;土壤pH值与Cd、Cr、Pb元素碳酸盐结合态、强有机结合态和腐植酸结合态均呈显著负相关关系,受pH值的影响顺序为:CrPbCd;各重金属元素的残渣态含量与Fe2O3含量均呈显著的正相关关系;5种重金属的离子交换态与TOC均呈负相关关系;CEC和重金属元素的水溶态和残渣态均呈正相关关系;粘粒的含量与Cr的离子交换态呈显著负相关关系,与各元素残渣态呈正相关关系。     

负载磷酸盐生物质炭材料对重金属复合污染土壤的稳定化机制研究

为探讨负载磷酸盐生物质炭材料对重金属复合污染土壤中共存重金属的稳定化效果和迁移转化特征,以玉米秸秆和小麦秸秆为原材料,负载磷酸盐后在600 °C下无氧热解制备两种生物质炭材料,并将其用于重金属复合污染土壤中进行稳定化批处理试验. 结果表明:负载磷酸盐的玉米秸秆和小麦秸秆生物质炭材料可通过增加土壤中无定形铁、铝氧化物的含量而促进其对Cd的吸附,且负载磷酸盐后玉米秸秆生物质炭材料对土壤中无定形氧化物含量的增幅和游离态氧化物含量的降幅高于小麦秸秆生物质炭;同时,两种生物质炭材料均显著提高了土壤铁的活化度,进而有效控制了土壤重金属的生物有效性. 添加不同比例(如5%、10%和15%)的负载磷酸盐生物质炭均可降低土壤中Pb、Cd、Zn和Cu的迁移风险,并促进Pb的酸可提取态、铁锰结合态向有机结合态和残渣态转化,以及Cd、Zn和Cu的酸可提取态向残渣态转化. 两种负载磷酸盐生物质炭材料均可有效降低重金属的浸出浓度,10%及以上的添加量均可使Pb的浸出浓度降低98%以上. 15%的负载磷酸盐玉米秸秆生物质炭可使Cd和Zn的浸出浓度分别降低89%和47%,而15%的负载磷酸盐小麦秸秆生物质炭可使Cu的浸出浓度降低56%. 研究显示,施用10%~15%的负载磷酸盐生物质炭材料可显著降低重金属复合污染土壤中Pb和Cd的潜在环境风险,对矿区重金属污染土壤的安全利用具有参考和指导意义.      

生物炭及炭基肥对油麦菜生长及吸收重金属的影响

以水稻土和油麦菜为供试对象,通过盆栽试验研究了水稻秸秆生物炭和炭基肥对农田土壤物理化学性质,油麦菜生长及吸收Cd,Cu,Pb和Zn的影响.结果表明,稻杆炭及其炭基肥的施入可改善土壤理化性质,除铵态氮外各项指标均明显提高,油麦菜地上部生物量呈增加趋势.油麦菜各部位Cd,Cu,Pb和Zn的含量均随处理水平呈递减趋势,且根系>茎叶,其中,高剂量炭基肥处理降低效果最佳,油麦菜茎叶Cd,Cu,Pb和Zn最高可分别降低34.78%、29.37%、46.59%和40.95%;油麦菜各部位对Cd,Cu,Pb和Zn的富集随处理水平呈递减趋势,而茎叶对Cd,Cu和Zn的转运系数呈增加趋势,稻秆炭及其炭基肥的施用均能显著减少油麦菜可食部位对Cd,Cu,Pb和Zn的吸收.     

土壤重金属形态与溶解性有机物的环境行为

土壤中重金属的污染已成为日趋严重的环境问题,重金属在土壤中的富集过程和迁移转化规律与土壤中重金属赋存形态有着密切的联系。文章阐述了土壤中重金属的赋存形态及其影响因素,并介绍了溶解性有机物质(DOM)与土壤中重金属间的环境化学行为,为更加科学合理利用和修复受重金属污染土壤以及为土壤环境污染风险评估与预测提供准确、可靠的理论支持。     

高分子聚合物与钝化剂复配对汞污染土壤钝化修复研究

采用盆栽试验方法,研究了添加1种耐酸性较强的高分子聚合物与传统的有机或无机类钝化剂复配来钝化土壤重金属汞,并探讨其对土壤理化特性、植物生长发育、土壤汞形态以及酶活性等的影响。结果表明:与对照（CK）相比,添加不同钝化剂均能有效改善汞污染土壤理化状况和土壤微环境,促进植物生长。不同钝化剂处理均显著降低了土壤有效态汞的比例,土壤水溶态、可交换态汞比例分别较CK降低了106%~315%、12.61%~34.60%;与单一钝化剂相比,添加高分子聚合物的钝化剂能更有效吸附、固定土壤中的汞,并降低土壤重金属汞的生物有效性;生物炭-聚丙烯酰胺（BI-PAM）处理对土壤有机质含量和pH增加最为明显,且对土壤重金属汞的钝化效果最好（水溶态汞、可交换态汞和Fe-Mn氧化物结合态汞占总汞比例最小,分别为1.05%、12.14%、12.72%,而强有机结合态汞和残渣态汞比例最高,分别为15.86%和58.23%）,能促进增产且减少白菜叶片对汞的吸收富集。根据试验结果,针对汞污染酸性土壤,建议施用生物炭与聚丙烯酰胺复配而成的钝化剂。     

污泥生物炭去除水中重金属的研究进展

重金属带来的环境风险日益严峻,利用污泥生物炭去除水中重金属污染方面的研究得到了广泛关注。结合当前国内外研究现状,归纳了不同条件下制备的污泥生物炭对水中重金属,如Cd、Pb、Cr、As等的吸附机理,污泥生物炭对大多数重金属的吸附满足物理吸附和化学吸附的多重作用,可通过增加生物炭表面有效基团及有效吸附位点提升吸附性能。同时,总结了影响吸附效率的各种因素,探究了污泥生物炭的再生问题,并对今后污泥生物炭去除水中重金属的研究方向做出了展望。     

重金属复合污染农田土壤的微生物群落遗传多样性研究

采集了浙江省富阳市环山乡某冶炼厂小高炉附近受铜、锌、铅、镉不同程度复合污染的4个农田土壤样品，首先扩增土壤总DNA中的16S rDNA，然后进行变性梯度凝胶电泳(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)，分析了长期受重金属复合污染的农田土壤的微生物群落遗传多样性变化．结果表明，不同程度的重金属复合污染明显改变了农田土壤的微生物群落遗传多样性，但与多样性的改变不是简单的负相关关系，最大的多样性指数出现在中等污染程度的土壤中．