生物炭修复土壤重金属污染的研究进展

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。近年来,生物炭在污染环境修复方面得到广泛关注,已成为当前环境科学的研究热点。文章综述了近年来国内外有关生物炭修复重金属污染土壤的研究进展,探讨了生物炭对土壤修复的潜力,阐述了生物炭对于土壤重金属生物有效性的影响。相关研究发现,不同来源及裂解温度制备的生物炭对土壤重金属修复的效果不同,不同类型土壤重金属对于生物炭的响应亦非常复杂,从而呈现出各异的土壤重金属修复效果。生物炭对重金属生物有效性的影响源于改变土壤p H、影响土壤有机质含量,改变土壤氧化还原电位及土壤微生物群落组成等多种机制的协同作用,同时生物炭在对重金属的吸附方面扮演着重要角色。生物炭对土壤重金属修复的影响效应取决于生物炭的特性和施用量、土壤肥力和性质、以及重金属种类等因素。因此,必须根据不同土壤的主要重金属污染类型,选择合适的生物炭,以期得到较好的土壤改良效果。今后应加强生物炭在农田土壤改良以及农作物生长方面的研究与应用,进一步探索生物炭在重金属污染土壤中发生的生物和化学反应机理,并且要对生物炭的施用效果进行野外长期定位研究。     

生物炭对土壤重金属化学形态影响的作用机制研究进展

生物炭作为一种新型的环境修复材料,可以利用其结构特性,通过静电吸附、离子交换、官能团络合以及沉淀等作用机制来直接吸附固定土壤重金属,同时还可以通过间接影响土壤理化性质,比如土壤pH值、有机质、氧化还原电位等,从而影响土壤中重金属形态。重金属形态在更大程度上影响着重金属的生物活性,从而产生不同的环境效应。该研究基于国内外相关文献,概述了不同类型生物炭对土壤重金属化学形态变化的影响,并从物理、化学和微生物3个角度,阐述了生物炭影响重金属化学形态的作用机制。未来的研究侧重于生物炭与微生物的相互作用对重金属形态的影响,通过多组学手段,深入分析两者相互作用影响土壤重金属形态的微生物作用机理。     

生物炭对土壤微生物的影响研究进展

生物炭是有机材料在厌氧条件下热解而成的产物。近年来,生物炭因在碳固定、土壤改良和作物产量提高等方面具有较大的应用潜力而引起国内外学者的广泛关注。作为一类新型的土壤改良剂,它能提高土壤有机碳含量及阳离子交换量(CEC),改善土壤保肥持水性能,有益于土壤微生物活动,同时还可吸附抑制对土壤微生物生长有毒的化感物质,为土壤微生物提供有利的栖息场所。但生物炭的效应与生物炭的特性、用量、土壤类型及肥力有关。笔者从生物炭对土壤微生物的影响及其作用机制出发,概述了不同生物质材料及热解温度对生物炭理化性质的影响及生物炭对土壤微生物丰度、群落结构和活性影响的研究进展。未来应重点从生物炭的特性、生物炭与微生物交互作用及生物炭的环境修复等方面深入研究,客观评价生物炭对土壤微生物的作用。     

生物炭尺寸效应对土壤污染修复的差异调控

生物炭是一种富含碳的材料,可以由各种有机废物原料制备,例如木材废料、农业废物和城市污水污泥.生物炭因其碳含量高、阳离子交换容量高、比表面积大、结构稳定等特性而受到越来越多的关注.本文系统地分析和总结了生物炭的原料来源与性质及在污染土壤修复方面的应用.基于生物炭的理化性质差异,重点阐明了生物炭尺寸效应对土壤污染物的作用机理,并对其修复土壤污染物和改善土壤质量进行了深入讨论.此外,在将生物炭实际应用于环境修复时,应更加关注生物炭老化后性能的改变.综上所述,生物炭在环境修复中具有广阔的应用前景,尺寸效应差异调控土壤污染物的作用机理需要更深一步的研究.     

生物炭中溶解性有机质对污染物环境行为的影响

生物炭的广阔应用前景吸引了研究者的广泛关注。生物炭中具有显著流动性的溶解性有机质(Biochar-derived dissolved organic matter,BDOM)作为一种高效的吸附载体,对污染物迁移的影响显著,是了解生物炭环境效应的关键。然而,原料来源及热解温度与BDOM的特性之间的关联性,以及BDOM与污染物相互作用的机制尚未明确。因此,文章通过综述原料及热解温度对BDOM特性的影响,以明确BDOM影响污染物环境行为机制的研究现状。有关研究表明:(1)生物质原料中木质素含量越高,BDOM C含量越高,官能团种类更加丰富,芳香性更强,而产率则越低;(2)随热解温度的升高,BDOM中C含量增加、芳香性增强,而产率及含氧官能团种类降低;(3)BDOM与疏水性有机污染物形成致密的类胶体结构,使疏水性有机污染物的溶解度提高,从而使疏水性有机污染物更容易被降解;(4)BDOM通过增加土壤中溶解性有机质的含量,从而形成新的吸附位点(如羧基官能团),以促进土壤对重金属或有机污染物的固持;(5)BDOM与重金属发生络合或氧化还原作用,影响重金属形态,从而改变土壤中重金属的毒性和生物有效性。该文可为全面评估生物炭在土壤污染修复应用中的功能提供参考。     

生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质,具有改善土壤理化性质、调控营养元素循环、防治重金属、多环芳烃等污染物迁移转化等功能,因此,在土壤改良与修复领域具有较好的应用前景。但是,生物炭的施用将对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程。本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤微生物分布影响的研究进展,探讨了生物炭对土壤微生物生长代谢的作用机制,阐述了生物炭对于微生物主导的土壤生物地球化学过程产生的影响作用。相关研究发现,土壤总微生物生物量在生物炭施用后或增加,或不变,或呈现下降趋势;不同种类微生物对于生物炭的响应非常复杂,从而呈现出各异的土壤微生物群落结构组成。生物炭对微生物生长代谢的影响源于改变p H环境、影响水分分布、调节养分循环等多种机制的协同作用,而生物炭在对环境物质的吸附以及对微生物的直接吸附方面扮演着重要角色。同时,生物炭对于土壤微生物群落结构组成的影响还会随着时间的推移而发生变化。生物炭对土壤中微生物分布的改变还会进一步影响微生物的生物地球化学功能,对温室气体排放、碳氮循环和有机污染物降解等生物地球化学过程产生重要影响。因此,有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的深入研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量的影响作用,为生物炭的实际应用提供依据。     

生物炭对土壤硝化反硝化微生物群落的影响研究进展

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展.高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.     

农田重金属污染原位钝化修复研究进展

污染土壤重金属原位钝化修复是通过向土壤中施加一些活性钝化修复材料,通过溶解沉淀、离子交换吸附、氧化还原、有机络合等反应来改变重金属在土壤中的赋存状态,降低土壤中重金属的有效浓度、迁移性和生物有效性。这种方法成本较低、操作简单、见效快且适合大面积推广,在重金属污染土壤修复中有着不可替代的作用。尤其对主要由污水灌溉、大气沉降等造成的农田土壤面源污染,一些具有吸附固定土壤中重金属离子特性的天然物质和工业副产品都可运用在实地的钝化修复中,且不同类型的钝化修复剂对重金属污染土壤的钝化修复效果各不相同。采用实验室评价和实地应用评价,一方面可以评估钝化修复材料对污染土壤中重金属离子的固定效率;另一方面可以评估钝化修复材料对土壤理化性状、养分状况和生物活性的影响。对重金属污染土壤原位钝化修复中不同来源的钝化剂进行了分类,目前广泛使用的钝化修复剂主要包括硅钙物质、含磷材料、有机物料、黏土矿物、金属及金属氧化物、生物碳及新型材料等,概述了它们各自对重金属污染土壤的钝化修复效果。从研究方法、评价指标、环境影响因子、钝化机制以及环境风险评价等方面分析了该领域的研究现状以及存在的主要问题,今后应重点关注钝化修复剂对土壤-作物系统的潜在环境风险以及钝化材料修复效果的田间长期稳定性评价。     

生物炭及其复合材料在土壤污染修复中的应用研究进展

人类活动产生的重金属与农药残留的有机污染物在土壤中的积累致使土壤遭受严重污染,引发了一系列生态问题。生物炭及其复合材料因其独特的表面结构使其可通过物理或化学等作用吸附土壤中的污染物,限制其在生态系统中的迁移与传递过程,进而改善土壤理化性质,因此生物炭在土壤污染治理方面的应用研究越来越多地引起关注,但多数研究局限于实验室水平。文章对近年来生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用的相关研究进行了整理,从重金属与有机污染物两个方面切入,阐述了不同生物炭材料在污染土壤中对两类污染物的作用机理;介绍了生物炭的改性和复合方法及其应用优势,同时对生物炭材料在污染土壤修复中的研究重点进行了展望。复合材料可以显著增强生物炭对污染物的吸附性能。从吸附机理上看,生物炭及其复合材料对重金属污染多以静电作用、离子交换作用、表面官能团作用为主;对有机污染物则主要以分配作用、吸附作用、孔隙填充为主,但在实际应用过程中,这些机理往往共同发挥作用,只是贡献程度不同。另外,生物炭及其复合材料也可通过提高土壤质量间接增强土壤对污染物的抗性等。虽然纳米材料能够增强生物炭的性能,但其对土壤中微生物的毒性机理尚不完全清楚。综上所述,生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用能显著降低污染物的毒性,但新型生物炭复合材料的作用机理有待进一步的研究和论证。     

生物炭添加对土壤中抗生素和抗性基因的环境行为影响研究进展

近年来,土壤抗生素和抗性基因污染已成为我国新兴的环境问题,生物炭作为土壤改良剂施用到土壤后会影响抗生素和抗性基因的环境行为.本文从我国土壤中抗生素和抗性基因污染现状和潜在风险出发,概述了生物炭添加土壤对抗生素的吸附、解吸及老化的影响,分析了生物炭特性、土壤类型、抗生素种类,和温度、pH值、共存物质等吸附条件对生物炭添加土壤吸附抗生素的影响,阐述了生物炭添加对土壤中抗生素和抗性基因迁移、消散、生物有效性,以及酶和微生物的影响,并对生物炭控制土壤中抗生素和抗性基因的研究前景进行了展望,拟为土壤中生物炭调控技术的发展提供参考.     

生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展

生物炭是指由含碳量丰富的生物质在无氧或限氧的条件下低温热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料。近年来,生物炭作为一类新型环境功能材料引起广泛关注,其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面都展现出应用潜力,已成为当前的研究热点。综述了生物炭对土壤生境以及植物生长方面的影响机制,并指出未来研究的主要方向。国内外最新的研究表明:生物炭的高孔隙度和表面面积,可以增加砂性土壤的田间持水量,但这种增加效应是有限度的;生物炭的碱性属性使其能够提高酸性土壤的pH值,这对喜碱作物的生长具有积极意义;生物炭能够抑制土壤氮磷养分淋失,提高肥料利用率;生物炭的添加会增加土壤微生物量,改变土壤微生物群落结构组成和土壤酶活性;生物炭的添加改善了土壤性质、养分状况以及土壤微生物性质,进而促进了植物生长。但生物炭对土壤生境和植物生长的影响效应要取决于土壤肥力和性质、植物种类、以及生物炭的特性和施用量等因素。因此,必须根据不同土壤的主要障碍因子,选择合适的生物炭,以期得到较好的土壤改良效果。今后应加强生物炭在林地土壤改良以及林木生长方面的研究与应用,进一步探索生物炭在土壤中发生的生物和化学反应机理,并且要对生物炭的施用效果进行野外长期定位研究。     

椰壳生物炭对多种重金属在广东水稻土中的吸附解吸特性影响

土壤中有毒有害重金属会造成环境污染并危害人体健康.本文基于OECD 106实验准则,采用批量平衡实验方法,研究了多种有效态重金属镉(Cd2+)、钴(Co2+)和铜(Cu2+)在广东省水稻土中的吸附解吸行为特征以及添加椰壳生物炭对吸附解吸行为的影响,并探讨了pH值、温度和添加炭含量对吸附率的影响.结果表明,3种重金属在土壤中的吸附平衡时间为25 h,解吸平衡时间为30 h,添加质量浓度5％椰壳生物炭可使土壤对3种重金属的吸附率提高11.6％ ～20.0％,重金属离子在土壤中的吸附为不可逆吸附,具有明显滞后效应,Cd2+、Co2+和Cu2+的解吸滞后系数分别为33.838、1.347和0.972.在本试验条件下,土壤溶液的pH值随椰壳生物炭含量的增加而增大,温度和含炭量对吸附率的影响呈良好的线性关系(r2>0.951).这表明,在土壤中施用椰壳生物炭能有效缓解土壤中的重金属污染.     

石灰对土壤重金属污染修复研究进展

全球土地资源污染严重,石灰由于其在污染土壤修复方面具有成本低廉,操作简单等特点而受到广泛关注,其修复效果及修复机理已成为当前环境科学研究的热点之一。综述了国内外近20年来有关石灰修复重金属污染土壤研究的最新进展,探讨了影响石灰对污染土壤修复效果的主要因素,阐明了石灰对土壤重金属生物有效性的影响机理。研究表明,石灰及不同的石灰性物质对土壤重金属修复的效果存在差异。石灰对重金属生物有效性的影响机理主要是通过改变土壤p H、土壤阳离子交换量、土壤微生物群落组成、土壤氧化还原电位等多种机制协同作用对重金属进行吸附、络合等,石灰对重金属污染土壤的修复效果受石灰施用量、土壤类型、土壤p H值、重金属污染类型、重金属种类等因素综合影响。在实际修复中,应根据土壤类型和土壤中主要重金属污染类型确定石灰或石灰类物质的最佳施用量。由于长期连续施用石灰容易导致土壤出现板结现象,未来应结合纳米等新技术对石灰及石灰类物质进行改性,加强可以长期连续施用的石灰及石灰类物质的研发,并深化其修复机理的研究,构建石灰与其他修复剂的联合修复体系,以期为重金属污染土壤修复提供科学依据和新途径。     

丛枝菌根对土壤-植物系统中重金属迁移转化的影响

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是一类在自然和农业生态系统中广泛存在并能与多数陆生植物形成共生关系的土壤真菌,在重金属污染土壤中对宿主植物的生长及吸收累积重金属具有重要影响,因而对污染土壤的生物修复具有潜在应用价值。以重金属从根际土壤进入植物并在植物体内再分配过程为主线,介绍丛枝菌根在这一过程中对重金属环境行为,特别是根际土壤中重金属赋存形态及植物吸收重金属的影响。最后,对丛枝菌根影响植物重金属耐性机制研究前沿和菌根修复技术的应用前景进行展望。     

生物炭吸附有机污染物的研究进展

生物炭(biochar)是指生物质在缺氧条件下热裂解产生的一种产物.由于其精致的孔隙结构和独特的表面化学性质,对环境介质中的有机污染物有超强的吸附能力,进而影响污染物的迁移与归宿.近年来生物炭对有机污染物的吸附特性及机理研究已成为环境科学领域的研究热点之一.本文从生物炭的典型性状、吸附有机污染物的机理、影响因素以及对土壤中有机污染物生物可给性的影响等方面进行了综述,并提出生物炭吸附有机污染物未来的研究方向.     

柠檬酸对生物炭钝化污染土壤中重金属稳定性的影响

为了研究生物炭(BC)对重金属复合污染土壤的钝化效果以及环境条件变化后钝化产物的稳定性.在受Cd、Pb和Zn污染的土壤中添加不同比例的生物炭进行土培实验,两个月后,添加不同浓度的柠檬酸模拟植物根际环境条件,分析土壤环境条件变化后重金属钝化产物的稳定性.结果表明,与对照组相比,添加生物炭(5%和8%)显著提高了土壤的pH值、阳离子交换容量(CEC)、土壤有机质(SOM),而有效态重金属和重金属毒性浸出浓度均显著降低,且后者低于其国际标准.添加柠檬酸后,土壤pH值随柠檬酸浓度的增加呈现下降趋势;生物炭的添加比例一定时,有效态Cd(DTPA-Cd)和Cd的毒性浸出浓度(TCLP-Cd)随柠檬酸浓度的增加呈现先降低(2 mmol·kg~(-1))后升高(10、20 mmol·kg~(-1))的趋势,而有效铅(DTPA-Pb)和有效态锌(DTPA-Zn)随柠檬酸浓度的增加而上升.柠檬酸浓度一定时,有效态重金属和重金属毒性浸出浓度随生物炭的添加比例的增加而降低,当生物炭的添加比例大于5%时,TCLP-Cd和TCLP-Zn虽有所上升(与无柠檬酸相比),但均低于其国际标准.可见,生物炭可对重金属污染土壤进行有效修复,但随着环境条件的变化,被钝化的重金属会发生解吸和溶解释放,从而增强其生物有效性和环境风险,但当生物炭的添加比例较高时,会一定程度抑制重金属的解吸和溶解释放,Cd和Zn的环境风险仍处于可接受的安全水平.     

两种油料作物秸秆生物炭对土壤中铅的钝化修复

随着经济的发展和工业化进程的加快,土壤重金属污染问题日益严重,而利用比表面积大、孔隙结构丰富的环境友好型材料生物炭对重金属污染土壤进行钝化修复具有重要的现实意义。采用人工模拟铅污染土壤进行培养试验,以3%的比例分别施加油菜(Brassica campestris L.)秸秆生物炭(BRS)和胡麻(Sesamum indicum)秸秆生物炭(BFS),研究了两种生物炭对铅污染土壤中Pb形态变化的影响。通过施加生物炭后土壤pH、阳离子交换量(CEC)、土壤有机质(SOM)的变化,结合扫描电镜(SEM)、Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积及孔径分析和X射线衍射(XRD)等表征手段对生物炭进行形貌和结构分析,探讨了两种生物炭对土壤铅的形态转化影响机制,为生物炭修复铅污染土壤提供科学依据。结果表明,与对照组相比,施加BRS和BFS后土壤pH值分别升高了0.79和0.98,CEC分别升高了13.97 cmol·kg~(-1)和15.92 cmol·kg~(-1),SOM分别升高了31.031 3 g·kg~(-1)和36.247 7 g·kg~(-1),但均未达到显著性差异;碳酸盐结合态铅含量降幅最为显著,分别为10.89%和9.7%,可交换态、铁锰氧化物结合态和有机态铅含量略有降低,而残渣态铅含量增幅较大,分别达到了18.01%和17.56%。铅形态变化是土壤pH升高、CEC及SOM含量增加共同作用的结果。可交换态、碳酸盐结合态铅含量与土壤pH、CEC、SOM达到极显著相关。综上,两种生物炭对铅污染土壤具有良好的钝化修复效果。     

不同钝化剂对土壤环境中重金属有效性和微生物群落的影响

以云南省澜沧拉祜族自治县铅矿区农田污染土壤为研究对象,采用土培实验的方法,研究生物炭、腐殖土和海泡石单施及配施条件下,土壤Pb、Zn和Cd有效态含量、重金属形态分布及微生物群落的变化.结果表明,腐殖土和生物炭改良剂均能有效地降低生物有效态Pb、Zn和Cd的含量,低剂量海泡石的添加修复效果不明显.其中,腐殖土的施入使土壤中有效态Pb、Zn和Cd含量降低了42.27% 、45.38%和21.99% ;腐殖土和生物炭复合修复使有效态Pb平均降低了60.30% .土壤重金属各赋存形态的分级提取结果表明,生物炭和腐殖土会使Pb和Zn向趋于较稳定的形态转化,果木生物炭的单施和与腐殖土混施均增加了Pb和Zn残渣态所占比例. 5%复合剂(秸秆生物炭与海泡石)、2%复合剂(秸秆生物炭与腐殖土)修复后土壤微生物总量分别增加了80.29%和68.52% ;丛枝菌根真菌数量分别增加了92.39%和59.78% .因此,对于酸性土壤而言,生物炭与腐殖土复合改良剂更有利于土壤环境的修复.     

螯合剂在重金属污染土壤修复中应用研究进展

螯合剂在重金属污染土壤修复中具有重要的作用.文章结合国内外的研究成果和最新研究进展,从螫合剂对重金属的活化效率及其影响因素、螯合剂在土壤中风险评价、生物可降解性螯合剂S,S-EDDS在化学淋洗修复和植物修复中的应用等几个方面论述了国内外螯合剂的研究现状,总结了在螯合剂应用研究中存在的问题,同时指出必须对螯合剂对重金属在土壤中的存在形态的影响以及螯合剂对矿物元素的作用,螯合剂与污染土壤组分作用的微观机理等进行深入的研究.     

菌根技术在重金属污染修复中的研究与展望

菌根技术作为一种生物新技术对于重金属污染土壤的生物修复正在为全球环境工作者所关注。在土壤中菌根及其庞大的菌丝体网可以分泌大量的生物化学物质，改变植物根际环境及重金属的存在状态或降低重金属的毒性；还可以通过在植物体内的累积以及菌根真菌菌丝体的螯合等各种机制，实现对重金属的提取和固定，达到菌根重金属修复的目的。文章通过讨论菌根植物对重金属修复的作用机制，提出今后菌根技术在重金属植物修复中的新思路；认为应在通过广泛调查、筛选超积累菌根植物的基础上，不断探索植物一微生物一菌根体系修复问题，同时认为应将基因工程引入菌根植物的重金属修复研究中，以促进土壤重金属污染的生物修复。