绣球花状仿生氧化镁改性椰壳生物炭在多介质重金属污染修复中的应用：形态创新与机制解析

《Journal of Hazardous Materials》：Hydrangea-like biomimetic MgO-modified coconut shell biochar for remediation of multi-media heavy metal pollution: morphological innovation and underlying mechanisms

本研究针对传统金属氧化物改性生物炭易积聚堵塞孔隙的瓶颈，创新开发绣球花状MgO改性生物炭（X-MBC），系统探究其对"水-土-植"多介质体系中Cd2+/Pb2+的修复效能。结果表明2-MBC对Cd2+和Pb2+的最大吸附容量分别达978.58 mg/g和1605.78 mg/g，并通过功能基团络合、Mg-O位点离子交换等机制有效降低土壤重金属生物有效性，同时调控群落结构富集耐金属功能微生物，显著缓解大豆重金属胁迫。该研究为多介质重金属污染修复提供了新材料设计策略。

　　

随着工业化和城市化进程的加速，重金属污染已成为威胁生态系统安全和人类健康的重大环境问题。铅（Pb）和镉（Cd）作为典型的重金属污染物，通过废水排放进入水环境，随后在水循环作用下渗透至土壤系统，最终被农作物吸收积累，形成"从灌溉水到餐桌"的链式污染风险。这类重金属具有难降解、易富集的特点，即使低浓度暴露也可能通过食物链传递对人体造成神经毒性、肾损伤等危害。

传统生物炭材料虽然通过其微孔结构和表面官能团对重金属具有一定吸附能力，但未改性的椰壳生物炭存在比表面积有限、表面官能团数量不足等问题，在复杂污染环境中的修复效果难以满足需求。特别是常规金属氧化物改性生物炭通常采用颗粒负载方式，容易导致孔隙堵塞和比表面积下降，制约了其吸附性能的进一步提升。

在这项发表于《Journal of Hazardous Materials》的研究中，科研团队受绣球花分级多孔结构的启发，创新性地开发了一种绣球花状氧化镁（MgO）改性椰壳生物炭（2-MBC）。该材料通过MgO前驱体-KOH协同活化的一步法构建，形成了独特的"骨架-外延"复合结构，成功实现了生物炭表面多孔绣球花状MgO架构的可控制备。

研究团队主要运用了材料表征技术（包括扫描电子显微镜SEM、能量色散X射线光谱EDS、比表面积分析BET）、吸附实验（动力学和等温线研究）、土壤培养实验以及微生物群落分析等方法。通过系统比较原始生物炭（BC）与改性生物炭（2-MBC）的性能差异，评估其在多介质环境中的重金属修复效果。

Characteristics of BC and MBC

扫描电镜分析显示，原始生物炭（BC）表面结构清晰，分布均匀；而2-MBC成功负载了分级多孔的绣球花状MgO结构。这种特殊形貌的形成源于前驱体微球在熔融KOH中的分解形成纳米片，进而自组装成花状结构。比表面积测试表明2-MBC的比表面积达到975.36 m2/g，是BC的2.27倍，为其优异吸附性能奠定了结构基础。

Adsorption performance of BC and MBC

在水溶液吸附实验中，2-MBC对Cd²⁺和Pb²⁺的最大吸附容量分别达到978.58 mg/g和1605.78 mg/g，显著优于原始生物炭。吸附动力学符合伪二级模型，表明化学吸附主导吸附过程。研究人员通过表征手段进一步揭示了其吸附机制包括化学官能团的配位络合、Mg-O位点的离子交换以及孔隙限域效应等多重作用机制。

Effects of 2-MBC on soil heavy metal immobilization

在土壤系统中，2-MBC的应用有效降低了重金属的生物有效性和迁移性。与对照组相比，添加2-MBC的土壤中有效态Cd和Pb含量显著降低，这种固定化效应与材料表面的化学吸附作用和离子交换能力密切相关。同时，2-MBC还能改善土壤理化性质，为微生物活动创造更有利的环境。

Effects of 2-MBC on soybean growth and soil microbial community

在植物-土壤系统中，2-MBC的添加显著促进了大豆生长，表现为生物量增加和重金属积累量降低。这种促进效应不仅源于2-MBC对土壤重金属的固定化作用和其本身对土壤酶活性的增强，还得益于其对微生物群落结构的调控作用。微生物多样性分析表明，2-MBC处理富集了具有重金属抗性的功能微生物，这些微生物可能通过多种机制协同缓解重金属对植物的毒害作用。

该研究通过仿生设计策略成功构建了具有绣球花状多级结构的MgO改性生物炭，系统阐明了其在"水-土-植"多介质环境中的重金属修复效能与作用机制。2-MBC不仅在水相中表现出优异的重金属吸附能力，还能通过固定土壤重金属、调节微生物群落等途径减轻重金属对植物的胁迫。研究成果为多介质重金属污染修复提供了新材料设计思路，同时也为农林废弃物的高值化利用开辟了新途径。这种仿生改性策略对开发高效环境功能材料具有重要的借鉴意义。