生物炭作为可持续改良剂对汞和甲基汞在污染沉积物中迁移的抑制作用：来自培养实验的启示

本研究针对汞(Hg)污染沉积物在缺氧条件下释放有毒甲基汞(MeHg)的环境风险，通过培养实验评估了葡萄修剪废弃物制备的生物炭在沉积物-水界面(SWI)对Hg和MeHg迁移的抑制效果。结果显示，生物炭处理使溶解态Hg(DHg)和MeHg(DMeHg)浓度分别降低75%和90%，有效减缓了甲基化过程并促进系统复氧，为受污染潟湖的可持续修复提供了新思路。

　　

汞污染是全球关注的环境问题，其有机形态甲基汞(MeHg)因极强的神经毒性而备受关注。在意大利北亚得里亚海的Marano和Grado潟湖，沉积物长期受到来自伊德里亚汞矿和氯碱厂的双重污染，其中鱼类养殖场因水体交换受限更易形成缺氧环境，加速沉积物中有机质降解和汞的甲基化过程。这种环境变化不仅威胁水生生态系统健康，还通过食物链富集影响养殖鱼类的食用安全。传统修复方法如疏浚和封盖成本高昂且可能造成二次污染，亟需开发经济高效的in situ修复技术。

为解决这一问题，研究人员开展了生物炭作为可持续改良剂的可行性研究。通过实验室培养实验，比较了添加5%葡萄修剪废弃物生物炭(BRC)与未处理沉积物在氧化-缺氧-复氧过程中的变化。实验采用透明有机玻璃底栖培养室，持续监测36天内溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、H₂S等理化参数及DHg、DMeHg、Fe、Mn和营养盐的动态变化。研究结果发表在《Science of The Total Environment》上，为受污染潟湖的生态修复提供了重要依据。

关键技术方法包括：1) 使用底栖培养室模拟沉积物-水界面过程；2) 冷蒸气原子荧光光谱(CV-AFS)测定DHg；3) 蒸馏-原子荧光光谱法分析DMeHg；4) 直接汞分析仪(DMA-80)测定沉积物总汞(THg)；5) 多参数探头连续监测DO、ORP等指标。实验样本来自潟湖东部Val Noghera养殖场50cm水深处采集的沉积物和上覆水。

【3.1 培养实验前的沉积物和孔隙水化学特征】表层沉积物即呈现还原状态(Eh=-179mV)，THg浓度(5.46-6.92μg g^-1)显著高于背景值。孔隙水中DHg在0-1cm层最高(46.8ng L^-1)，Fe、Mn同步升高表明汞与铁锰氧氢氧化物的解吸相关。

【3.2 培养实验中DO、DHg、DMeHg等的行为】缺氧阶段未处理系统的DHg和DMeHg分别达64.3和53.1ng L^-1，而生物炭处理组仅为12.7±3.8和4.26±1.26ng L^-1。复氧阶段生物炭系统DO恢复更快(6.16mg L^-1 vs 4.48mg L^-1)，显示其改善氧化环境的能力。

【3.3 缺氧条件下的汞和甲基汞底栖通量】计算显示生物炭使DHg和DMeHg通量分别降低至68.6和71.7ng m^-2 d^-1，仅为未处理组的1/10。这一效果优于先前在亚得里亚海其他区域报道的结果。

【3.4 实验结束时的沉积物和孔隙水化学】生物炭处理组表层沉积物有机碳(C_org)增至12.3%，孔隙水DMeHg降至1.07ng L^-1，证实生物炭通过吸附作用长期稳定汞形态。

研究结论表明，葡萄修剪废弃物生物炭能有效抑制沉积物中Hg的迁移和甲基化，机制包括：1) 高比表面积和官能团对Hg的吸附；2) 减缓DO消耗速率；3) 促进系统复氧。这种可持续改良剂在THg浓度不变的情况下，通过改变Hg的赋存形态降低其生物有效性，为养殖区沉积物修复提供了低成本的解决方案。特别值得注意的是，生物炭对MeHg的抑制效果(90%)优于对无机Hg(75%)，这对控制最具毒性的汞形态具有重要意义。研究还发现生物炭可减少NH₄⁺等有害物质的释放，产生多重环境效益。未来研究可进一步优化生物炭制备参数(如热解温度)及现场施用方式，以提升其在复杂水环境中的修复效能。