Chemosphere | 农业废弃物生物质的价值体现：成为一流的修复污染土壤的吸附剂生物炭

背景介绍

据报道，亚洲每年产生约3.5亿吨农业废弃物，除一部分作绿肥外，大部分作为垃圾被丢弃，不仅造成环境的严重污染，还导致资源的严重浪费，对人类、动物及环境带来极大的负面影响。而农业废弃物的再利用可以减少温室气体的排放，还可以作为生物能源替代不可再生的化石能源发展绿色燃料产业或者转化生成其他物质等，利用农业废弃物制备的生物炭在降低温室气体排放、土壤养分流失和土壤污染物等方面具有比较好的效果。

基于此，越南国立大学Ha Huynh Ky Phuong团队和越南科学技术学院Thi Thuy Van Nguyen团队对农业废弃物转化为生物炭进行了系统的综述，该文从农业废弃物的产生及类型、制备生物炭的方法、生物炭的性质和优缺点、生物炭对环境和环境中植物修复的作用及生物炭与环境中金属和非金属等的相互作用等方面进行了综述。并且强调了制备生物炭的农业废弃物的来源、因素以及生物炭在土壤修复中的竞争性应用等方面存在的知识鸿沟。为农业废弃物制备的生物炭的有效利用提供了较为可靠的参考。

图文解读

1.生物炭的制备方法

生物炭因其高热容和高碳含量的优点，具有十分广阔的应用前景，而大量环保低廉的农业废弃物可以作为制备生物炭的理想原料，既能节省生物炭的制备成本，又能减少资源的浪费和环境的污染。图1为多种来源的农业废弃物通过多种转化技术制备生物炭的过程。生物炭的制备方法主要有热解、气化等方法。

制备生物炭的热解方法是农业废弃物在300-900℃且没有氧气的条件下，转化为生物炭的过程，根据温度变化，加热速率和保留时间的不同可以将热解分为快速热解、中速热解和慢速热解三种类型，温度、空气和保留时间是影响热解效果的关键因素，影响最终生物炭的生成效果，如图1所示。制备出来的生物炭一部分继续加工为精细的生物炭，一部分应用于污染土壤的处理。

图1 多种来源的农业废弃物生物质通过热解法制备生物炭。

2.生物炭与被污染土壤中的金属或非金属污染物的相互作用

农业废弃物基生物炭可以用作土壤调节剂，土壤中的各种成分对于金属元素的传递、修饰等有着较大的影响。土壤中的金属（非金属）离子可以以阳离子或阴离子的形式存在，可以与生物炭表面上的阴、阳离子电荷相互作用。带有阴离子电荷的生物炭在与表层土壤混合时可以牢固地吸附阳离子成分（如Pb²⁺和Cd²⁺），同样，带阳离子的生物炭也可以吸附阴离子成分。阴、阳离子成分通过生物炭固定化的机制主要是物理吸附、共同沉淀及与活性官能团形成的表面复合物等。图2为生物炭与土壤中污染物相互作用的示意图。图2(A)为生物炭对土壤孔隙中阳离子金属的物理吸附；图2(B)为生物炭对金属的共沉淀；图2(C)为土壤中金属离子与生物炭表面的功能团一起形成复合物；图2(D)为K、Ca、P、DOC和N等促进植物生长的元素的释放。这些过程能够有效降低地下水中污染物（金属胶体）的含量，进一步降低对植物的毒性，创造的环境更适合植物的生长，并且也能够增加植物在污染的土壤中的适应性和耐受性。

图2 生物炭与污染的土壤中金属（非金属）污染物之间可能的相互作用。

3.农业废弃物基生物炭的优缺点

农业废弃物基生物炭的优点如图4所示：(1)能够减少空气中温室气体CO₂和CH₄等的排放。(2)生物炭可以吸附重金属离子，减少其毒性。(3)生物炭能够释放植物所需要的营养元素。(4)改变有金属（非金属）污染物的土壤中的生物多样性。尽管在土壤中使用生物炭具有比较多的好处，但是也存在一些缺点：(1)生物炭应用在土壤中会降低土壤中蠕虫的活动，影响土壤的结构和成分，从而影响农作物的产量。(2)生物炭降低农药的利用率，增加农药的用量。(3)生物炭可能还会导致土壤的退化。

图4 生物炭对金属（非金属）污染的土壤中植物生长的积极和消极的影响。

农业废弃物转化的生物炭具有成本低、效率高、易于使用、安全和不破坏生态等优点，可以应用于污染土壤的修复，生物炭较大的比表面积和孔隙率能够固定土壤中的金属（非金属）污染物，改善土壤的pH，减少金属（非金属）离子的流动性和生物利用性，并增加土壤微生物的多样性。另外，本文针对生物炭对毒性较大的金属离子的吸附效果比较差，只能辅助植物对污染土壤的修复等存在的不足提出了以下研究的方向：(1)研究热解后的生物炭的物理化学性质与土壤生物和植物修复之间的相互作用。(2)评估生物炭的可靠性及其对污染土壤中金属（非金属）吸附的影响的现实案例的研究。(3)了解生物炭辅助的生物和植物修复系统，特别是生物炭与微生物多样性、根际区域和土壤颗粒之间的相互作用。

原文链接： 

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.135834

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