生物质炭降解过程中易氧化部分的定量方法

研究将土壤有机质测定方法(KMnO4和K2Cr2O7氧化法)运用到生物质炭上,探讨了生物质炭(Biochar,BC)降解过程中易氧化部分的定量方法.研究结果显示,生物质炭抗氧化性存在不均一性,既可能是生物质炭制备过程产生的热解小分子物质,也可能是生物质炭降解产生的易氧化部分;进一步选定重铬酸钾作为氧化剂,确定氧化条件,氧化降解前后生物质炭,得出生物质炭降解确实产生易氧化部分.本文研究建立的生物质炭易氧化部分定量法可以作为生物质炭的降解程度的定量指标,为土壤中有机碳循环提供重要研究方法.值得强调的是该定量法应用到不同种类的生物质炭上须对氧化条件做出相应讨论.     

生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展

在厌氧或者绝氧的条件下对生物质进行热解,可产生含碳丰富的固体物质,称为生物质炭。由于生物质炭在农业和环境中的巨大应用前景和对土壤碳的增汇减排作用,近期成为土壤学和环境科学的研究热点。综述了生物质炭的一些基本性质及其对土壤环境功能的影响,分析了该领域未来的发展趋势。国内外的研究表明：生物质炭含有大量植物所需的营养元素,可以促进土壤养分的循环和植物的生长;生物质炭一般呈碱性,施用生物质炭可以降低土壤的酸度和有毒元素如铝和重金属对植物的毒性;生物质炭表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH等含氧官能团,它们产生的表面负电荷使生物质炭具有较高的阳离子交换量（CEC）,施用后可以提高土壤的CEC;生物质炭对农药等有机污染物和重金属等有很强的吸附能力,可用于污染土壤的修复;生物质炭具有高度的孔隙结构,可以增加土壤的空隙度和保水能力,降低土壤容重,有利植物根系生长;生物质炭是一种含碳的聚合物,主要由单环和多环的芳香族化合物组成,这种结构特点决定了生物质炭具有较高的化学和生物学稳定性,较强的抵抗微生物分解的能力,增强了土壤的固碳作用,减少碳向大气的再释放。该文可为从事农业废弃物的资源化利用、固碳减排、污染土壤修复和土壤改良与管理等领域的科研人员提供参考。     

生物质炭输入对土壤碳排放的激发效应研究进展

生物质炭因其特殊结构分解缓慢而长期固存在土壤中,在稳定有机碳库、增加碳库容量、保持土壤肥力、改变土壤质地方面具有重要作用。同时,随着生物质炭输入土壤团聚体结构、水分渗透性、养分吸附和微生物活性也发生改变,引起原位土壤有机碳周转改变的激发效应。文章综述了生物质炭输入对土壤环境、碳排放、生物质炭自身碳矿化的影响,对生物质炭-土壤互作产生的激发效应持久性、大小、方向和机制进行总结,即生物质炭输入后的正激发效应可能表现为生物质炭中可溶组分与微生物共代谢而促进生物质炭自身碳矿化;生物质炭添加引起的负激发效应可能表现为生物质炭诱发原位土壤有机碳更加稳定或生物质炭中易挥发有机物抑制原位土壤微生物活性而降低土壤碳排放。并根据目前的研究现状,就生物质炭输入量、与土壤微生物群落和植物的相互作用、生物质炭添加的风险预测和评估及开展长期研究的必要性等问题进行展望,以期为生态系统长期碳吸存研究奠定基础,为应对气候变化提供选择和参考。     

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。     

电子穿梭体及其介导的环境与地球化学过程研究进展

电子穿梭体是一类可通过自身氧化还原介导电子转移的化学物质的统称.在地球表层系统中,电子穿梭体可加速微生物向细胞外部进行的电子传递,参与矿物的微生物还原,驱动碳、氮、硫元素循环,并偶联有机污染物降解和重金属迁移转化.电子穿梭在自然界中存在广泛,对于元素循环、污染物环境行为以及微生物的生存行为影响深远,具有重要的环境地球化...     

生物炭基光催化剂的制备及其降解废水中的有机污染物研究进展

基于生物质热解得到生物炭材料具有发达的孔隙结构、高比表面积和电子传递效率高等性质,已经被广泛应用于化工、材料、能源、环境等研究领域。目前,由于水体中各种有机污染物的大范围增加,对人体和环境造成的安全隐患不容忽视。因此,利用绿色高效的光催化剂对有机物污染物废水进行高效处置具有重要意义。该文针对不同合成方法制备的生物炭基光催化剂对废水中各种有机污染物处置的最新研究进展进行了综述。首先对生物炭载体的不同制备方法进行了对比与分析,为后续生物炭最佳制备方式的选择提供了思路。生物炭基载体能够有效避免纳米光催化材料的团聚现象,促进光催化剂在生物炭表面的分散。因此,该文还介绍了溶胶-凝胶法、水解法、超声法和热缩聚等光催化剂的制备方法,阐述了不同制备条件对光催化降解有机污染物活性的影响机制。在此基础上,重点综述了生物炭基复合材料在去除废水中典型有机污染物（甲基橙、吉米沙星、罗丹明B、磺胺甲恶唑等）方面的应用与有效性,并且将光催化剂的反应机理总结为污染物吸附、光激发电子-空穴以及污染物催化降解3个步骤。同时,生物炭基光催化材料能够增加与污染物的接触面积与提高污染物的传质过程,从而显著提高光催化剂的催化活性...     

生物炭的土壤环境效应及其机制研究

近年来,随着土壤污染的逐渐加重以及食品安全问题的频出,生物炭作为重要的土壤改良剂以及对污染土壤修复表现出的巨大潜力引起人们的广泛关注.本文首先对国内外生物炭的土壤环境效应方面的研究以及成果进行分析总结.生物炭具有疏松多孔的性质以及巨大的表面积和阳离子交换量(CEC),可以改善土壤理化性质,能强烈吸附土壤中的污染物,降低其生物有效性和迁移转化能力;生物炭的碱性对于改良酸性土壤降低土壤中污染物的生物毒性具有很大的潜力;生物炭还可以为微生物提供生长繁殖的场所,有利于微生物对污染物的降解,但同时又可以保护被吸附的有机物免受微生物的降解,对不同的微生物影响不同;生物炭可以对蚯蚓等土壤动物的生存产生影响.在此基础上,依据生物炭的基本理化性质,对其土壤环境效应机制进行了分析.最后,从当前工作中存在的不足对今后的研究重点和方向进行了展望.     

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。     

有机污染土壤电动-微生物修复过程中的影响因素及优化措施

生物修复技术因其费用低、对环境不产生二次污染而被视为是一项具有广阔发展前景的技术。然而,一些强疏水性的有机污染物,生物可利用性很差,严重阻碍了其生物降解效率。电动与微生物联合修复技术(电动-微生物修复),在顽固性有机污染物的去除方面表现出巨大潜力。电场的施加可向土壤中分散外源物质、营养物质和微生物;或通过增强土壤中有机污染物与降解菌的传质过程,提高难降解有机物的生物可利用性;还可诱使土壤中的污染物产生电化学反应,增强污染物的去除效果。文章对有机污染土壤的电动-微生物修复过程的影响因素及优化措施进行了综述。文章认为,影响电动-微生物修复效率的因素主要有电场强度、污染物的生物可利用性、污染物结构和性质、微生物种群以及环境因素(如土壤pH值、土壤类型、营养物质、含水量等)。因此,在实施修复的过程中应根据污染场址的电化学特性选择合适的电流或电压梯度;另外,可通过施加表面活性剂、助溶剂或螯合剂,构建微生物群落,以及优化土壤环境条件,如调整土壤pH、提供营养物质、电子受体、共代谢基质等方式优化有机污染土壤电动-微生物修复的过程。深入研究有机污染土壤电动-微生物修复过程中的影响因素和优化措施,有望为电动-微生物修复技术在有机污染土壤的场地修复及过程调控中的应用提供一定的理论依据。     

导电性生物炭促进Geobacter和Methanosarcina共培养体系互营产甲烷过程

近年来研究发现互营氧化产甲烷过程中存在种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET),这种电子传递方式比传统的种间氢转移或种间甲酸转移更为高效。导电生物炭作为导电介质,可以有效促进DIET介导的互营产甲烷进程。乙酸作为有机物厌氧降解的重要中间产物,其降解过程是否存在DIET途径尚不清楚,导电生物炭对乙酸互营降解产甲烷过程的影响机制也未有研究报道。以具有DIET功能的Geobacter sulfurreducens和Methanosarcina barkeri菌株为研究对象,构建共培养体系,以乙酸为电子供体,比较添加不同导电性生物炭共培养体系的甲烷产生和微生物生长情况。结果表明:(1)导电性生物炭处理的产甲烷速率为0.015~0.017 mmol?d~(-1),显著高于对照处理的0.012 mmol?d~(-1);而不导电生物炭处理的产甲烷速率低于对照处理。说明导电性生物炭促进共培养体系中的产甲烷过程,而不具导电性的生物炭没有促进效应;(2)导电性生物炭存在时,共培养体系的甲烷产生速率(0.008 mmol?d~(-1))和产量(0.14 mmol)明显高于Methanosarcina barkeri单菌体系的产甲烷速率(0.006 mmol?d~(-1))和产甲烷量(0.09 mmol),而添加不导电生物炭的共培养体系和单菌体系的甲烷产生速率和产量无明显差异。以上结果表明,导电性生物炭能介导Geobacter sulfurreducens和Methanosarcina barkeri之间的直接电子传递,即Geobacter sulfurreducens氧化乙酸产生的电子,以导电生物炭为导电通道直接传递至Methanosarcina barkeri还原CO2产生甲烷,从而促进乙酸互营氧化产甲烷过程。本研究结果有助于我们理解种间直接电子传递对互营产甲烷过程的贡献及影响效应,为研究甲烷产生的微生物机制提供新的研究思路。     

秸秆生物质炭土地利用的环境效益研究

农田土壤有机碳矿化释放CO2是农业温室气体排放的重要途径,促进土壤碳截获对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物质炭具有改良土壤性质、促进土壤团聚体的形成、对土壤微生物生态具有调控作用等特性。因此,生物质炭对增强土壤碳截获能力及减少土壤CO2气体排放可能具有重要作用。采用实验室盆栽的方式,以黑麦草为目标植物,对农业秸秆生物质炭土地利用的环境效益进行了研究。实验结果表明：农业秸秆制生物质炭应用于农田土壤能产生多方面的环境效益。与对照相比,添加1%~4%生物质炭处理的土壤活性有机质质量分数均增加了25%以上,土壤呼吸度降低了23%~50%,同时,添加生物质炭对植物的生长也有促进作用。添加4%秸秆炭的处理的黑麦草生物量增加了68%。此外,秸秆生物质炭的添加对土壤中的养分具有较好的持留功能,与比照相比,添加生物质炭处理的土壤淋出液中氮和磷质量浓度显著降低,说明生物质炭能够有效减少水冲刷造成的氮磷流失,降低农业面源污染。     

腐殖质氧化还原和电子转移特性研究进展

腐殖质在无氧和有氧条件下都具有一定的氧化还原能力,其氧化还原能力与氧化还原电势有关,而腐殖质的氧化还原电势受芳香度、取代基类型、取代位置等因素影响.除氧化还原能力外,腐殖质还能介导电子转移,其电子转移能力受腐殖质结构和所处环境两大因素影响.水体腐殖酸比土壤和沉积物腐殖酸具有相对较小的电子接受能力(EAC)和较大的提供电子能力(EDC);p H、温度、光照、氧气条件和微生物活动等因素均对腐殖质氧化能力和电子转移能力具有重要影响.腐殖质可以介导重金属和有机污染物的还原降解,不同重金属还原反应效率差异较大,其中Fe(Ⅲ)盐还原速率最高;有机污染物降解速率从大到小为六氯乙烷(HCE)>四氯化碳>三溴甲烷.目前在腐殖质氧化还原特性和电子转移能力研究中还存在诸多不足,需要广大学者做进一步探究.     

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。     

微生物燃料电池阳极产电菌电子转移主要机制及其影响因素

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)能够将有机污染物化学能转化为电能,有望成为解决环境和能源问题的重要技术之一.但微生物代谢产电效率低制约其规模化应用,电子的产生及转移过程也将直接影响MFCs电能输出.本文综述了MFCs产电菌胞内电子传递及胞外电子转移机制近年来的研究进展,着重总结了阳极产电菌胞外电子传递方式以及促进胞外电子传递能力的途径,阐述了电子转移过程存在的影响因素及其作用机理,并指出了MFCs今后应用中面临的问题及发展方向.     

生物炭固定化微生物技术在去除水中污染物的应用研究进展

许多研究致力于固定化微生物技术在去除水环境中污染物方面的应用。生物炭具有高的比表面积、大的孔隙率、低成本和来源广等优势,生物炭与固定化微生物技术结合在处理水中污染物方面具有很大的应用潜力。因此,了解生物炭固定化微生物对水中污染物去除的作用机制对于其在环境修复和废水利用中的应用至关重要。文章综述了微生物固定化方法、载体的选择、生物炭作为载体材料在固定化微生物技术中的优势及应用以及生物炭固定化微生物在去除水中不同种污染物的应用及其作用机制。同时,还探讨了初始污染物浓度、pH、温度、接触时间和颗粒投加量等对生物炭固定化微生物对去除水中污染物的影响,并分析这些环境因素对微生物生长、生物炭特性以及污染物去除效果的影响。当前研究表明:生物炭相比于其他固定化载体而言更加适宜微生物的生长,生物炭固定化微生物去除污染物的主要作用机制是吸附和生物降解的协同作用,以及生物炭对微生物具有保护及快速定殖作用。另外,过高的初始浓度、过高或过低的pH和温度都会影响微生物的活性而不利于污染物的去除。生物炭固定化微生物颗粒对污染物的去除能力随着时间和颗粒投加量的增加而提高。此外,文章分析了生物炭固定化微生物技术在水环境应用中存在的问题,可为未来相关领域的研究提供参考。     

不同生物质炭对稻田土壤CH_4排放的影响研究进展

稻田是CH_4的重要排放源,降低水稻土CH_4排放对减缓全球气候变化具有重要意义。生物质炭因其具有较强的稳定性、吸附性和碱性等特性,在稻田CH_4减排研究中受到广泛关注。综述了不同生物质和不同热解温度制成及不同孔隙结构的生物质炭对稻田土壤CH_4排放的影响及其机制等方面的国内外研究进展。结果发现,不同生物质炭的性质有很大差异。不同生物质炭的添加,通过对稻田土壤的通气性、可溶性有机碳含量、p H及水稻植株的不同作用来影响产甲烷菌和甲烷氧化菌的活性和丰度,进而影响CH_4排放。此外,生物质炭对CH_4排放的影响还与土壤类型有关。结合目前国内外生物质炭对CH_4排放影响的研究现状,提出了未来生物质炭在稻田CH_4排放领域的研究方向,旨在为生物质炭在稻田CH_4减排中的应用提供思路和参考。     

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.     

胞外呼吸菌Exiguobacterium sp. PY14的分离鉴定及其异化铁还原特性

胞外呼吸菌广泛分布于自然生境中,是驱动铁等元素地球化学循环的重要因素,已成为各种有机污染物降解和重金属污染去除的研究热点.为了挖掘具有环境修复应用前景的胞外呼吸菌,从鄱阳湖湿地土壤中筛选具有胞外异化铁还原能力的菌株,通过形态、生理生化和遗传分析进行菌种鉴定,并对其最优生长条件、异化铁还原特性及胞外电子传递机制进行研究.结果显示,分离得到的菌株PY14具有较高的异化铁还原能力,细菌形态、生理生化特征及16S rRNA基因系统发育分析鉴定其为革兰氏阳性的微小杆菌属（Exiguobacterium）;具有嗜碱耐盐生长特性,最适生长pH值为8.0,在NaCl浓度高达50g/L条件下生长良好;能够利用葡萄糖、丙酮酸、乙酸和乳酸等多种小分子碳源（电子供体）进行厌氧呼吸,5 d内5 mmol/L水铁矿的还原率高达80%,添加电子穿梭（蒽醌-2,6-二磺酸盐）可显著增强其异化还原水铁矿、针铁矿和赤铁矿的速率;可通过自身分泌腐殖酸类电子穿梭体实现介导异化铁还原过程.本研究获得了一株有望在盐碱土壤或水体等环境中高效驱动铁还原的胞外呼吸菌,为进一步认识革兰氏阳性细菌胞外电子传递机制提供新依据.（图8表1参4...     

五氯酚生物降解机理与外生菌根真菌对五氯酚可降解性

五氯酚是氯酚族中最具毒性和最难降解的有机污染物。不同种类的微生物由于其降解污染物的生化机制不同,使得五氯酚的降解途径多样化。文章通过综述好氧与厌氧微生物降解五氯酚的降解菌和降解途径,认为五氯酚首先通过脱氯转化为低氯代化合物后再开环,因此脱氯就成为五氯酚降解的关键步骤。参与脱氯的关键酶系主要包括过氧化物酶和酚氧化酶。外生菌根真菌可降解多种难降解有机污染物,并具有生成过氧化物酶和酚氧化酶的机制,因此外生菌根真菌具有降解五氯酚的潜力与优势。这些信息将为进一步开展五氯酚生物降解机理研究,应用微生物—植物复合系统修复污染土壤提供基础。