CREST | 成都理工大学蒲生彦团队：生物炭复合材料的研究进展——土壤环境中的应用与展望

导 读

成都理工大学蒲生彦团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“生物炭复合材料的研究进展——土壤环境中的应用与展望（Progress and future prospects in biochar composites: Application and reflection in the soil environment；2021, 51(3): 219-271）”的重磅综述。

生物炭复合材料（biochar composites）是目前备受关注的一种针对土壤环境污染的高效修复材料。可通过添加金属氧化物、表面活性剂和纳米材料，使生物炭及其相关复合材料获得新的性能。本研究从定量分析入手，阐述了生物炭复合材料相对于纯生物炭的优势。分析了生物炭及其复合材料对土壤pH、阳离子交换效率、容重、孔隙度、保水能力、土壤有机质（SOM）和氧化还原反应等基本性质的影响。

土壤是贯穿食物链的人类赖以生存的基础，土壤的多功能性使得它更容易受到重金属的污染。本研究重点关注了纳米-生物炭复合材料在改善土壤理化性质和去除土壤重金属方面的应用。梳理了利用生物炭复合材料消除重金属污染的几种修复方法，探究了包括生物炭复合材料-微生物相互作用和重金属的修复机制等问题。最后，进一步展望了生物炭复合材料对土壤环境的长期影响。

图1图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

生物炭复合材料的合成：合成的复合材料在官能团、孔道性能、表面活性位点、催化降解能力、易分离性等方面均有显著改善。

生物炭复合材料制备可考虑快速热解、缓慢热解和快速热解等热解技术。其中，材料的制备主要受停留时间和升温速率的影响，典型的慢速可控热解技术，能够提供孔隙均匀和高比表面积的复合材料。同时，研究表明在制备过程中引入金属成分也可以提高其性能。总的来说，生物炭复合材料的比表面积、持水性、渗透率、电导率、离子交换容量、pH值和孔隙率等理化性质随热解条件的变化而发生显著变化。

制备生物炭基复合材料的两种常用的方法：

1)用纳米金属氧化物/金属氧化物/氢氧化物对生物炭进行预处理

2)用纳米金属氧化物/金属氧化物/氢氧化物对得到的生物炭进行后处理

图2 制备生物炭基复合材料的两种常用方法

生物炭复合材料在土壤环境中的稳定性：土壤稳定性是指土壤对自然或人为干扰的敏感性。生物炭复合材料能够改善土壤的理化性质，并保持土壤环境的稳定性，从而提高农业作物产量以及土壤中有毒污染物的修复效率。

材料对土壤pH和阳离子交换容量（CEC）的影响：土壤pH和CEC是相互依赖的参数，生物炭复合材料增加了土壤中pH依赖的电荷，有助于提高CEC，加强与有机物负电荷功能的结合。

材料对土壤容重、孔隙度、保水能力和氧化还原条件的影响：研究显示，生物炭的施用可以显著的降低土壤容重，增大孔隙度；随着施用时间的推移，材料通过改变土壤孔隙度和团聚体水平使得土壤中水分和养分含量增加，由于生物炭本质上疏水的性质，进一步导致土壤具有更高的吸水和保留能力；并且，生物炭处理后的样品，氧化还原电位有明显的提高，且该电位变化与制备材料（BC和FMBC）的比例呈正相关。

材料对土壤有机质（SOM）的影响：SOM是土壤养分的主要来源；SOM可以促进土壤微生物的活性和氮的吸收，减少氮的挥发损失。生物炭及其复合材料本身富含有机碳、重要金属和芳香化合物。在土壤中添加生物炭，可在一定程度上改善土壤腐殖质和有机质含量，并通过吸收其他养分间接提高土壤C/N比例。

图3 植物与添加到土壤中影响土壤陆地特性的生物炭/生物炭复合材料之间相互作用的概述（箭头表示效果和流动）

对土壤微生物和酶活性的影响：生物炭复合材料中的营养物质，控制微生物的生长和活性，并改善/阻碍酶的分泌。

土壤酶主要来自土壤微生物分泌、植物根系分泌和残留分解，参与土壤中的所有生化反应，其活性反映了土壤微生物的活性和土壤养分转化的能力。在大多数情况下，土壤酶活性随着生物炭复合材料的添加而增加。由于生物炭具有较强的吸附能力，其对土壤酶的影响较为复杂。一方面，生物炭能吸附反应底物，促进酶促反应，提高土壤酶活性；另一方面，生物炭可以吸附酶分子，保护酶反应结合位点，从而避免酶反应，进而降低土壤酶活性。

生物炭复合材料在土壤重金属的修复的应用：目前，功能化碳基生物炭材料已经成为一种稳定的修复土壤污染媒介。相较于纯生物炭，生物炭纳米复合材料具有增加吸附位点，增加与土壤污染物的反应活性，增强热稳定性等优势，同时，还可以加入比表面积更大的磁性纳米颗粒来减少团聚，进一步提高性能。

重点阐述了不同改性的生物炭复合材料分别对As、Cd、Pb、Hg、Cr等重金属污染的土壤pH、氧化还原性质、酶活性和细菌群落的影响。

生物炭复合材料固定土壤中重金属和有毒污染物的机制：生物炭复合材料在土壤环境中具有很高的修复效率，可以高度吸附无机污染物，恢复养分，控制细菌活性，保持土壤生物区系。

利用生物炭复合材料去除有毒重金属离子的详细机理过程

图4 生物炭基复合材料去除土壤中有毒污染物的机理和性质

吸附作用：生物炭表面官能团通过对重金属离子的亲和性或化学反应，与物理/化学吸附形成金属配体络合物。物理吸附是在具有表面特征（比表面积和孔隙度）的微孔中吸附金属离子，与系统的污染物水平和温度密切相关。此外，含有铁的氧化物或氢氧化物的表面可以形成配位键，重金属以Fe-O-Mⁿ⁺的形式被吸附到官能团上。在这种情况下，Fe-O或Fe-OH等表面官能团是控制重金属离子（例如：Zn²⁺、 Pb²⁺、Cu²⁺)去除的主要机制。

在生物炭表面加入富胺壳聚糖进行功能化处理，对生物炭进行改性。铅、铜、镉离子与胺官能团的螯合可以很容易地通过沉淀法去除有毒铅。活性炭-壳聚糖吸附铅后，在3300 cm^-1处N-H带FT-IR位移明显，表明胺基与铅离子相互作用。图5显示了在Pb离子存在和不存在的情况下壳聚糖改性生物炭对种子萌发的影响。

图5 溶解铅（Pb）、壳聚糖修饰生物炭（BB-C）和含铅壳聚糖修饰生物炭（BB-C+Pb）的生物效应7天幼苗的图像

可以明显看出，添加壳聚糖-生物炭可以固定土壤中的Pb离子，可以大大降低土壤对重金属的吸收，促进种子萌发。

考虑到存在多种重金属污染的土壤的具有多功能性，吸附特性就变得具有竞争性。在此背景下，利用不同来源的不同原料的生物炭，在Cd和Al离子存在的情况下对Pb离子进行了吸附。吸附主要是由于含氧官能团、磷酸盐、碳酸盐和含硅官能团的作用。在Cd存在时，生物炭对Pb的吸附降低，但在Al存在时显著降低，因为Al趋于酸化，使生物炭具有反作用。在对实际污染土壤系统进行研究时，这些因素应加以重要的考虑。

另外还有一些固定机制，例如：重金属价态多样性的特征有助于络合或沉淀，可以将有毒离子转化为比其原有价态更稳定的中间无毒离子来降低毒性；以及离子交换（生物炭及其复合材料通过电离固定重金属或有毒金属离子取代生物炭/功能化生物炭表面的离子）等。

总结与展望

以上是关于生物炭复合材料的一则综述。研究表明，生物炭复合材料的生产这种新技术，提供了生物炭和纳米材料/金属氧化物的优点。所得材料在官能团、孔隙性质、表面活性位点、催化分解能力、易分离性等方面都有显著改善。与裸露的生物炭相比，生物炭及其复合材料还有助于改善土壤性质，延长寿命，保持水分，不断减少土壤地上部分的侵蚀和蒸发，并处理土壤污染物。因此，这些材料可以为各种环境应用提供独特的研究和利用机会。展望了生物炭基复合材料在不同土壤重金属修复中的应用前景，以期为该领域的未来研究提供有价值的见解。

作者简介

第一作者：

Sadip Mandal：印度NIT取得博士学位，在成都理工大学从事博士后研究工作。他目前的研究兴趣为生物炭修复材料在环境-生物界面的环境行为与水土协同修复。

通讯作者：

蒲生彦，成都理工大学教授，博士生导师，生态环境学院副院长。国家重点研发计划项目首席专家，香江学者。主要从事土壤地下水污染协同修复关键理论、技术与装备研发。先后荣获四川省第十四届青年科技奖、首届中国环境科学学会青年科学家奖金奖、国家环境保护科学技术奖二等奖（2019）、国家环境保护科学技术奖一等奖（2020）等。主持国家和省部级科研项目30多项，发表科研论文110余篇。兼任中国环境科学学会青年科学家分会副主任委员、中国环境科学学会生态环境模型专业委员会副主任委员、国家环境基准专家委员会委员等。

|供稿：成都理工大学蒲生彦团队

|编排：曾镜羽

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