综述：生物炭及生物炭-矿物复合材料在干旱系统中降解多环芳烃的机制

这篇综述深入探讨了入侵植物三裂叶蟛蜞菊（Wedelia trilobata）衍生的生物炭（BC400/600/800）及其与针铁矿（Goe）、赤铁矿（Hem）、锰矿物（Bir/Cry）等复合材料的特性，揭示了其在干旱环境中通过吸附-电子转移机制高效降解多环芳烃（PAHs）的潜力。研究通过BET、XPS、CV等技术证实，高温热解（800°C）的BC800因高比表面积（301.44 m2/g）、丰富含氧官能团（C=O/C-O）和电子转移能力，对苯并(a)芘（BaP）的降解速率常数达0.0360 min?1，且锰矿物复合体系通过Mn(IV)/Mn(III)氧化还原对的“电子穿梭”作用使降解效率提升2.3倍。该研究为干旱区有机污染土壤修复提供了低成本、无二次污染的解决方案。

　　

引言

多环芳烃（PAHs）作为典型持久性有机污染物，广泛分布于干旱/半干旱土壤中，其疏水性和生物累积性对生态系统与人类健康构成严重威胁。传统修复技术如高级氧化法存在成本高、二次污染风险大等局限，而基于生物炭的绿色原位修复技术逐渐成为研究热点。本文聚焦入侵植物三裂叶蟛蜞菊衍生的生物炭，系统解析其与土壤矿物的协同作用机制，为干旱区PAHs污染治理提供新思路。

材料与方法

研究通过400°C、600°C和800°C热解制备生物炭（BC400/600/800），结合X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和循环伏安法（CV）表征其理化性质。选取针铁矿（Goe）、赤铁矿（Hem）、水钠锰矿（Bir）等七种矿物与生物炭复合，探究其对BaP等PAHs的降解动力学。通过密度泛函理论（DFT）计算PAHs的最高占据分子轨道（HOMO）能级，关联降解效率与分子电子结构特性。

结果与讨论

生物炭特性与PAHs降解效率
高温热解（800°C）显著提升生物炭性能：BC800的比表面积（301.44 m²/g）较BC400（4.01 m²/g）增长75倍，且含氧官能团（C=O占比53.24%）和电子交换容量（CV曲线面积7.78×10^?5）最高。BaP降解速率常数（0.0360 min^?1）与PAHs的HOMO能级呈正相关（R²=0.6855），证实电子转移为主导机制。

矿物复合体系的协同效应
锰矿物（Bir/Cry）的引入使降解效率倍增：Bir-BC800复合物通过Mn(IV)/Mn(III)循环促进电子传递，降解速率提升2.3倍。相比之下，黏土矿物（蒙脱石Mnt、高岭石Kln）因空间位阻效应促进作用较弱。水分含量增至30%时，BC800-Cry体系的反应活性进一步提高，归因于水分介导的污染物迁移与界面反应增强。

机制解析
生物炭-矿物复合物通过三重作用降解PAHs：（1）π-π相互作用和氢键吸附；（2）醌基（C=O）介导的直接电子转移；（3）矿物界面生成的活性氧物种（如O₂^•?）协同氧化。EPR检测显示BC800中持久性自由基（PFRs, g=2.00263）以碳中心为主，虽非降解主导因素，但可激活氧气生成单线态氧（¹O₂）辅助反应。

结论

三裂叶蟛蜞菊生物炭及其矿物复合材料在干旱环境中展现出卓越的PAHs降解能力，兼具生态价值（入侵植物资源化）与工程可行性（无需化学氧化剂）。未来研究可进一步优化矿物负载比例，并探索实际土壤基质中的长效性能。