生物炭溶解性有机物导致的重金属吸附性能测量方法差异及标准化解决方案

本研究针对生物炭(BC)吸附重金属(HMs)性能评估中因溶解性有机物(BDOM)和滤膜规格差异导致的测量偏差问题，通过吸附实验结合EEM-PARAFAC和2D-FTIR-COS分析，揭示芦苇生物炭(RB)中78%蛋白类组分是造成Cu(II)吸附量55.4%变异系数(CV)的主因，提出基于游离重金属浓度差和离子选择电极(ISE)的新评估范式，为环境修复应用提供方法学标准。

　　

随着工农业快速发展，土壤和水体中的重金属污染已成为威胁生态安全和人类健康的重大环境问题。生物炭因其多孔结构和丰富官能团，被视为极具潜力的重金属吸附材料。然而，在评估生物炭吸附性能时，研究人员发现一个令人困惑的现象：不同实验室报道的吸附数据往往存在显著差异，这严重阻碍了材料的标准化应用。

问题的根源可能隐藏在测量方法本身。目前广泛采用的过滤-光谱分析法（如ICP-OES/ICP-MS）需要将生物炭悬浮液过滤后测定滤液中重金属浓度，但生物炭释放的溶解性有机物(BDOM)会与重金属形成复合物，这些复合物能否通过滤膜取决于膜孔径和BDOM分子大小。更复杂的是，不同原料制备的生物炭，其BDOM组成存在显著差异——例如芦苇生物炭含有高达78%的蛋白类组分，远高于香蕉皮生物炭的7-19%。这种差异导致使用不同规格滤膜（如0.22μm vs 0.45μm）时，测得的重金属吸附量可能相差数倍。

针对这一方法学瓶颈，湖南农业大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了一项系统性研究。团队选取香蕉皮、芦苇和木质素三种典型原料制备生物炭，通过吸附实验结合荧光猝灭滴定、三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)和二维傅里叶变换红外相关光谱(2D-FTIR-COS)等技术，首次量化了滤膜规格对吸附测量的影响，并揭示了BDOM组分差异的作用机制。

关键技术方法包括：1）使用0.22μm和0.45μm滤膜平行测定Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)吸附量；2）通过超滤法分离BDOM组分并进行荧光特性表征；3）采用离子选择电极(ISE)直接测定游离重金属浓度作为参照。

研究结果呈现多重发现：
Comparison of adsorption capacity
芦苇生物炭(RB)的Cu(II)吸附量在不同滤膜间变异系数高达55.4%，显著高于其他生物炭。当去除BDOM后，所有生物炭碳骨架(CSB)的测量差异消失，证实BDOM是主要干扰源。

Future Perspectives
EEM-PARAFAC分析显示RB中蛋白类组分占比达78%，其与Cu(II)的结合常数(logK)为4.25，远高于腐殖质类组分。2D-FTIR-COS进一步证实酰胺基团是主要结合位点，这些大分子复合物易被0.45μm膜截留，导致吸附量低估。

Conclusion
研究提出"前-后浓度差法"作为新标准：直接测定吸附前后游离重金属离子浓度变化，避免过滤干扰。ISE法验证显示该方法可使测量误差降低至5%以内。

这项研究的意义在于：首次系统揭示了BDOM组分差异对生物炭性能评估的影响机制，特别是发现芦苇等富含蛋白类BDOM的生物炭更易受滤膜选择影响。提出的无过滤测量方案为建立跨实验室可比的标准方法奠定基础，对精准评估生物炭在土壤修复、废水处理等应用中的实际效能具有重要指导价值。正如ENVIRONMENTAL IMPLICATIONS部分强调的，该方法学突破将直接影响环境政策的科学制定和修复工程的成本效益评估。

（作者信息：第一作者Yanying He，通讯作者wu fangfang，研究受国家重点研发计划[2023YFD1600202]和湖南省教育厅优秀青年项目[24B0230]资助）