利用共改性生物炭、深共晶溶剂和温热修复技术修复三元重金属-聚乙烯微塑料共污染土壤：竞争性相互作用、机制解析及微生物群落响应

《Environmental Research》：Remediation of ternary heavy metal-polyethylene microplastics co-contaminated soil using co-modified biochar with deep eutectic solvent and warm patch: competitive interactions, mechanistic insights, and microbial community response

重金属复合污染与微塑料协同作用对土壤修复的影响机制研究。摘要：本研究以霍幻想茎为原料，通过深熔盐溶剂（MAG）和温补（铁粉、云母、活性炭）协同改性制备生物炭，有效降低共存Pb、Cr、Cd的提取态含量（分别减少50.8%、46.7%、24.2%），改善土壤理化性质及微生物群落结构。蒙特卡洛模拟表明Pb优先吸附，PE-MPs会抑制生物炭的修复效果。

　　本研究聚焦于土壤中重金属（HMs）和微塑料（MPs）的共存污染问题，探讨了利用改良生物炭进行土壤修复的有效性与可行性。随着工业化进程的加快，重金属如铅（Pb）、铬（Cr）和镉（Cd）的排放量显著增加，这些物质在土壤中积累，对生态环境和人类健康构成严重威胁。同时，由于塑料制品的广泛使用，微塑料也逐渐成为土壤污染的重要组成部分。尤其是聚乙烯微塑料（PE-MPs），因其在环境中普遍存在，且常与重金属共同存在，成为当前土壤污染研究中的一个关键课题。

生物炭作为一种具有广泛应用前景的土壤修复材料，因其具有高比表面积、丰富的孔隙结构和多样的官能团等特性，被广泛用于重金属污染土壤的治理。然而，目前大多数研究主要关注单一重金属污染的修复效果，对多金属共存污染以及微塑料对生物炭修复效果的影响研究较少。因此，本研究尝试开发一种新型的生物炭材料，以提高其对多种重金属的吸附能力，并评估微塑料对生物炭修复效率的潜在干扰。

本研究以木槿秸秆为原料，通过热解工艺制备生物炭，并采用一种由铁粉、蛭石和活性炭组成的“温块”作为改性材料，同时引入一种绿色且经济的深共晶溶剂（MAG）作为辅助改性剂。MAG是由甲基吗啉、五水合偏硼酸铵和甘油按摩尔比1:1:4配制而成，其成分富含氮和硼，具有良好的改性潜力。通过将温块和MAG共同用于生物炭的改性，研究者成功制备出一种新型的生物炭材料（MAG-WIM/B），并对其在重金属污染土壤修复中的性能进行了系统评估。

在实验过程中，研究人员进行了土壤培养实验，以评估MAG-WIM/B对土壤中重金属生物可利用性的降低效果。结果显示，经过82天的培养，MAG-WIM/B能够显著减少土壤中可提取的Pb、Cr和Cd含量，分别降低了50.8%、46.7%和24.2%。这一结果表明，MAG-WIM/B在重金属污染土壤修复方面表现出卓越的性能。此外，研究还通过蒙特卡洛模拟方法，对重金属在土壤中的吸附行为进行了理论分析，进一步揭示了Pb在三元重金属体系中表现出的优先吸附特性。

除了重金属的吸附能力，研究还关注了生物炭对土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构的影响。实验结果表明，MAG-WIM/B能够有效改善土壤的理化性质，提高土壤中脲酶的活性，并促使土壤微生物群落结构从以变形菌门（Proteobacteria）为主导转变为以放线菌门（Actinobacteria）为主导。这种微生物群落的转变可能对土壤生态系统的稳定性和功能恢复具有积极意义。同时，研究发现，PE-MPs的存在会显著降低生物炭对重金属污染土壤的修复效果，其机制可能与PE-MPs对土壤理化性质的改变以及对生物炭表面活性位点的竞争有关。

木槿秸秆作为一种农业废弃物，其利用不仅有助于资源回收和废物高值化，还能够为生物炭的制备提供低成本且可持续的原料。然而，原始生物炭对重金属的吸附能力往往有限，因此，研究者通过引入温块和MAG进行协同改性，以期提高生物炭的性能。温块的成分包括铁粉、蛭石和活性炭，这些材料在生物炭改性方面均具有良好的应用前景。铁粉能够增强生物炭对重金属的吸附能力，蛭石则因其层状结构和阳离子交换能力，有助于提高生物炭的吸附容量，而活性炭则能够提供更多的吸附位点，从而提升生物炭的整体性能。

在实验过程中，研究者还对不同生物炭材料对土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构的影响进行了系统分析。结果显示，MAG-WIM/B在改善土壤理化性质方面表现出显著优势，能够有效提升土壤的持水能力、孔隙度和有机质含量，从而为土壤生态系统的恢复提供良好的物理和化学环境。此外，MAG-WIM/B还能够提高土壤中功能性酶的活性，如脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶等，这些酶在土壤养分循环和有机质分解过程中起着关键作用。通过改善这些酶的活性，生物炭不仅能够降低重金属的生物可利用性，还能够促进土壤中微生物的代谢活动，进而提高土壤的整体健康水平。

在微生物群落结构方面，研究发现，MAG-WIM/B的应用能够显著改变土壤中的微生物组成，使其从以变形菌门为主导转变为以放线菌门为主导。这种转变可能与生物炭对土壤环境的改善有关，包括pH值、电导率和有机质含量的提升，这些因素均会影响微生物的生长和代谢。放线菌门微生物通常具有较强的分解能力和耐受性，能够在污染环境中维持较高的活性，因此，这种微生物群落的转变可能有助于土壤生态系统的恢复和稳定。

尽管MAG-WIM/B在重金属污染土壤修复中表现出良好的性能，但研究者也指出了其在实际应用中可能面临的挑战。例如，当前的实验周期为82天，虽然能够有效降低重金属的生物可利用性，但对长期修复效果的评估仍显不足。在动态的环境条件下，如酸沉降或氧化还原状态的变化，生物炭的修复效果可能会受到一定影响。因此，未来的研究需要进一步延长实验周期，以评估生物炭在不同环境条件下的长期稳定性。此外，研究者还建议对不同类型的微塑料及其对生物炭修复效果的影响进行更深入的探讨，以期为土壤修复技术的优化提供更多的理论支持和实践指导。

本研究不仅为重金属污染土壤的修复提供了新的思路和方法，还强调了微塑料对生物炭修复效果的潜在干扰。通过结合温块和深共晶溶剂的协同改性，研究者成功制备出一种性能优异的生物炭材料，为解决多重金属与微塑料共存污染问题提供了重要的技术基础。此外，该研究还突出了生物炭在改善土壤生态环境方面的重要作用，包括提升土壤理化性质、促进微生物活动和增强土壤功能酶的活性。这些发现对于指导实际的土壤修复工作具有重要意义，也为未来的研究提供了新的方向。

本研究的成果表明，生物炭的改性策略在提高其对多种污染物的吸附能力方面具有广阔的应用前景。通过引入温块和深共晶溶剂，研究者不仅优化了生物炭的表面性质和结构特征，还提高了其对重金属的固定能力。这种协同改性方法为生物炭的开发和应用提供了新的思路，也为解决复杂污染问题提供了有效的技术手段。此外，该研究还揭示了微塑料对生物炭修复效果的潜在影响，为未来在设计土壤修复方案时考虑污染物的相互作用提供了重要的参考依据。

从生态和环境的角度来看，本研究的意义不仅在于提供了一种高效的土壤修复技术，还在于其对可持续发展的贡献。通过利用农业废弃物木槿秸秆制备生物炭，不仅能够减少环境污染，还能够实现资源的循环利用，符合绿色发展的理念。同时，研究中采用的温块和深共晶溶剂均为环保型材料，其应用能够降低土壤修复过程中的二次污染风险，进一步提升修复技术的环境友好性。这种兼顾环保与高效的研究方法，为未来的土壤修复技术发展提供了新的方向。

此外，本研究还强调了土壤修复技术在实际应用中需要考虑的多因素影响。土壤污染往往是多种污染物共存的结果，因此，修复技术的设计和应用必须综合考虑不同污染物之间的相互作用。在本研究中，PE-MPs的引入不仅改变了土壤的理化性质，还对生物炭的修复效果产生了显著的负面影响。这一发现表明，在设计土壤修复方案时，必须充分考虑微塑料等污染物的存在及其对修复材料性能的影响。通过系统评估生物炭在不同污染物条件下的表现，研究者为土壤修复技术的优化提供了重要的理论支持。

从研究方法的角度来看，本研究采用了多种实验手段，包括土壤培养实验、蒙特卡洛模拟和微生物群落分析等，以全面评估生物炭的修复效果。土壤培养实验能够直观反映生物炭对重金属生物可利用性的降低效果，而蒙特卡洛模拟则提供了理论层面的分析，揭示了重金属在土壤中的吸附行为及其与生物炭表面特性之间的关系。微生物群落分析则进一步说明了生物炭对土壤生态系统的影响，为评估修复效果提供了更全面的视角。这些方法的综合应用，不仅提高了研究的科学性和可靠性，也为未来的土壤修复研究提供了可借鉴的技术路线。

在实际应用方面，本研究的成果为重金属污染土壤的修复提供了新的技术选择。MAG-WIM/B作为一种新型的生物炭材料，其在重金属吸附、土壤理化性质改善和微生物群落调控方面的综合性能，使其成为一种具有潜力的土壤修复剂。此外，研究还指出，微塑料的存在可能会显著降低生物炭的修复效果，因此，在实际应用中，需要对土壤中的微塑料污染情况进行评估，并采取相应的措施进行治理。例如，可以通过物理或化学方法去除土壤中的微塑料，或者选择对微塑料具有较强吸附能力的生物炭材料，以提高修复效率。

本研究的创新点在于将温块和深共晶溶剂结合应用于生物炭的改性，从而创造出一种性能更优的生物炭材料。这种协同改性方法不仅提高了生物炭的吸附能力，还增强了其对土壤理化性质和微生物群落的调控作用。通过引入氮和硼等元素，MAG-WIM/B的表面性质得到了显著优化，使其能够更有效地吸附和固定多种重金属。此外，研究还强调了绿色和经济的改性策略的重要性，确保生物炭的制备和应用过程对环境的影响降到最低。

在未来的土壤修复研究中，需要进一步探索生物炭与其他污染物之间的相互作用机制，以期开发出更加高效的修复技术。同时，研究者还应关注生物炭在不同环境条件下的稳定性，确保其在长期应用中仍能保持良好的修复效果。此外，针对不同类型的重金属污染，可能需要开发更加针对性的生物炭改性方法，以提高修复效率并减少对环境的二次影响。

总的来说，本研究为解决重金属与微塑料共存污染问题提供了重要的技术支撑，同时也为生物炭的开发和应用提供了新的思路。通过综合运用多种改性技术和实验方法，研究者成功制备出一种性能优异的生物炭材料，并验证了其在土壤修复中的有效性。这一成果不仅有助于提升土壤修复技术的水平，也为实现可持续的土壤管理提供了科学依据。未来的研究应进一步拓展该技术的应用范围，并探索其在不同污染环境中的适应性，以期为全球土壤污染治理做出更大的贡献。