污泥水热炭化与热解产物对植物生长的影响：水热炭与生物炭的农用潜力与生态风险评估

为解决污水厂污泥资源化利用难题，研究人员通过对比污泥水热炭化（HTC）与热解（Pyrolysis）产物对番茄和藜麦生长的影响，发现未处理水热炭（FHC）因含酚类、吡嗪类等植物毒性物质显著抑制种子萌发和生长，而洗涤后水热炭（WHC）可消除毒性效应；生物炭（BC）则显著提升生物量但引起Na+积累和脂质过氧化。该研究为污泥衍生炭的农业安全应用提供了关键理论与技术支撑。

　　

随着全球人口增长和城市化进程加速，污水处理厂产生的污泥量急剧增加，如何安全有效地处置这些富含有机物和营养元素的废弃物成为环境领域的重大挑战。传统处置方式如填埋和焚烧不仅造成资源浪费，还可能带来二次污染。而将污泥转化为农业用土壤改良剂，既能实现废物资源化，又能改善土壤肥力，可谓一举两得。然而，污泥中可能含有的重金属和有机污染物使其直接农用存在环境风险。为此，科学家们开发了热化学转化技术，通过高温处理将污泥转化为稳定的炭材料，既能固定污染物，又能保留营养元素。

在各类热化学技术中，水热炭化（Hydrothermal Carbonization, HTC）和热解（Pyrolysis）最具应用前景。水热炭化在180–230°C的亚临界水条件下进行，特别适合高湿度物料，无需预干燥；而热解则在缺氧条件下通过更高温度（>300°C）的热分解产生生物炭。两种技术产生的炭材料——水热炭（hydrochar）和生物炭（biochar）在理化特性上存在显著差异，对植物生长的影响也可能不同。然而，目前对这两种材料在农业应用中的比较研究仍不充分，特别是它们对不同作物的生理影响机制尚不明确。

为解决这一问题，来自马德里自治大学化学工程系的Martinez-Sanchez等研究人员开展了一项系统研究，比较了污水污泥通过水热炭化（230°C, 45分钟）和热解（650°C, 1小时）制备的炭材料对番茄（Solanum lycopersicum L.）和藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）种子萌发和早期生长发育的影响。研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》期刊上，为污泥衍生炭材料的农业安全应用提供了重要科学依据。

研究人员采用的主要技术方法包括：通过水热炭化和热解制备三种炭材料（未处理水热炭FHC、洗涤后水热炭WHC和生物炭BC）；使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析元素组成；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征表面官能团；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）鉴定洗涤液中有机化合物；通过植物生长实验评估不同添加比例（1%、3%、5%）炭材料对番茄和藜麦生长的影响；测定光合参数、叶绿素指数和脂质过氧化水平；使用qPCR技术分析氧化应激和离子转运相关基因表达。

3.1. 原料、土壤、炭材料和洗涤液的特征

研究发现水热炭化产率（33.0%）低于热解（52.0%），洗涤过程进一步降低了水热炭产率。水热炭呈酸性（pH 4.5-4.9），而生物炭呈碱性（pH 8.0）。两种炭材料的电导率（EC）值均低于46 mS/m，生物炭的阳离子交换容量（CEC）最低（4.0 cmol⁺/kg）。热化学处理降低了炭材料的碳和挥发性物质含量，而灰分含量增加，生物炭的灰分含量最高（72.4%）。水热炭的H/C和O/C比较低，生物炭的O/C比最低。水热炭富含Ca、Fe、Mg、P等营养元素，但也含有Cr、Cu、Pb等潜在有毒元素；生物炭则含有较高浓度的B、K、Mg、Na和Mn。FTIR分析显示水热炭表面含有丰富的羟基、烷基、羰基和含氮官能团，而生物炭的这些官能团显著减少。洗涤液中含有酚类、吡嗪类和吡啶类等植物毒性化合物，而生物炭浸出液中未检测到这些化合物。

3.2. 发芽指数和植物生长

未处理水热炭（FHC）显著抑制了番茄种子的萌发，而洗涤后水热炭（WHC）和生物炭（BC）对萌发没有影响。FHC还降低了番茄植株的鲜重、干重、株高和总叶面积，且5%添加比例下完全没有植株生长。洗涤处理改善了水热炭的性能，WHC处理的植株与对照组无显著差异。生物炭在最高添加比例（5%）下提高了番茄生物量。对于藜麦，炭材料添加对种子萌发没有影响，但生物炭提高了植株的鲜重和干重。光合参数测定显示，FHC和生物炭对番茄的光合特性没有显著影响，而WHC在3%和5%比例下降低了气孔导度（GSW）和光系统II运行效率（ΦPSII）。

3.3. 氧化应激植物相关参数

基因表达分析显示，炭材料处理没有引起氧化应激相关基因的显著变化。然而，生物炭处理上调了番茄和藜麦中HKT家族基因的表达。脂质过氧化分析表明，FHC所有添加比例和最低比例生物炭（BC1）均提高了番茄叶片中丙二醛（MDA）浓度，表明氧化应激增强。在藜麦中，洗涤后水热炭（WHC）处理也显著增加了MDA浓度。

研究表明，污水污泥通过水热炭化和热解可以转化为具有不同理化特性的炭材料。水热炭含有丰富的无机元素和有机官能团，但同时也含有植物毒性化合物（酚类、吡嗪类、吡啶类等）。简单的洗涤处理可以有效去除这些毒性化合物，使水热炭适合农业应用。生物炭具有更高的化学稳定性和矿质元素含量，但会引起Na⁺积累和脂质过氧化。

两种炭材料对不同作物的影响存在显著差异。番茄对未处理水热炭的毒性效应更为敏感，而藜麦由于其较强的抗逆性，对所有炭材料处理都表现出较好的耐受性。生物炭虽然提高了植株生物量，但也导致了As和Na在叶片中的积累，这可能对长期农业应用带来潜在风险。

在分子机制方面，研究没有发现氧化应激相关基因的转录水平变化，但观察到了细胞水平的氧化损伤（脂质过氧化），表明植物的应激响应可能发生在转录后水平。生物炭引起的Na⁺积累激活了HKT家族基因的表达，这是一种维持离子稳态的适应性响应。

该研究为污水污泥的资源化利用提供了重要理论与实践指导：首先，水热炭化是一种有前景的污泥处理技术，但需要简单的后处理（如洗涤）来去除植物毒性化合物；其次，生物炭虽然稳定性更高，但需要注意其引起的盐分积累问题；最后，炭材料的选择应该考虑目标作物的特性，不同作物对炭材料的响应可能存在显著差异。

研究结果对推动污泥资源化利用、发展循环经济具有重要意义，为设计安全高效的污泥衍生土壤改良剂提供了科学依据。未来的研究应该关注这些材料长期田间应用的效果，以及对土壤微生物群落和生态系统的影响。