《Environmental Research》：Enhanced Remediation of PAHs and Heavy Metals Contaminated Soils Using MOF-Functionalized Biochar Produced via Co-Pyrolysis of Sewage Sludge and Wheat Straw
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塔蒂亚娜·鲍尔（Tatiana Bauer）|叶卡捷琳娜·克拉夫琴科（Ekaterina Kravchenko）|弗拉基米尔·波利亚科夫（Vladimir Polyakov）|米哈伊尔·基里奇科夫（Mikhail Kirichkov）|塔玛拉·杜德尼科娃（Tamara Dudni
塔蒂亚娜·鲍尔（Tatiana Bauer）|叶卡捷琳娜·克拉夫琴科（Ekaterina Kravchenko）|弗拉基米尔·波利亚科夫（Vladimir Polyakov）|米哈伊尔·基里奇科夫（Mikhail Kirichkov）|塔玛拉·杜德尼科娃（Tamara Dudnikova）|娜塔莉亚·切尔尼科娃（Natalia Chernikova）|莱昂尼达斯·卡里霍·阿泽维多·梅洛（Le?nidas Carrijo Azevedo Melo）|袁增伟（Zengwei Yuan）|塔蒂亚娜·明金娜（Tatiana Minkina）
俄罗斯罗斯托夫-顿河畔南方联邦大学
摘要
全球范围内污泥的快速积累要求安全且可持续的处理技术，因为不当的管理会对土壤、水和人类健康造成严重风险。热解是一种有前景的方法，可以将污泥转化为生物炭，减少废物量并稳定污染物。然而，由污泥制成的生物炭通常仍含有较高水平的污染物，使其不适合用于农业，并限制了其在环境中的应用。与农业残渣共热解可以稀释和稳定污染物，而随后用金属有机框架（MOFs）进行功能化处理可以进一步提高其吸附和固定能力。在这项研究中，合成了由污泥和小麦秸秆共热解得到的生物炭（BSSWS）及其MIL-100(Fe)纳米复合材料（BSSWS@MIL-100(Fe)），并对其进行了表征，并在含有多环芳烃（PAHs）和重金属（HMs）的土壤中进行盆栽实验（添加量为2%w/w）。种植了紫花苜蓿（Medicago sativa）和萨雷普塔芥菜（Brassica juncea）30天，以评估土壤和植物组织中PAHs和HMs浓度的变化。结果表明，共热解使生物炭的表面积从14 m2/g增加到25 m2/g，而MIL-100(Fe)的添加进一步将其提高到196–243 m2/g，使这些材料变成了微孔吸附剂。在受污染的土壤中，添加吸附剂后总PAH浓度（3578 ng/g）降低了1.1–3.5倍，其中BSSWS@MIL-100(Fe)使CHRISENE的含量降低了54%，低环PAHs的含量也显著减少。植物对污染物的吸收也反映了这一趋势：根部和茎部的总PAHs含量分别减少了3.4–3.7倍和1.6–1.7倍，苯并（g,h,i）芘在根部和茎部的含量减少了37%。MIL-100(Fe)纳米复合材料显著降低了土壤中可交换态HMs的比例，并降低了植物根部和茎部中Mn、Ni、Cu、Zn和Pb的浓度。总体而言，MOF功能化的共热解生物炭有效减轻了土壤中PAHs和HMs的复合污染，减少了污染物向饲料作物的转移，显示出其在受污染场地可持续修复方面的潜力。
引言
近几十年来，由于人口增长、工业发展和城市扩张的加速，污水处理设施产生的污泥量急剧增加（Dudnikova等人，2025；Soni等人，2025）。这种污泥是废水净化过程中的复杂且多变的残留物。除了有机物、营养物质和生物活性物质外，它还经常含有病原微生物、寄生生物以及各种无机和有机污染物，包括重金属（HMs）、药物、多环芳烃（PAHs）、二噁英、呋喃、激素和农药（Ciesielczuk等人，2025；Kravchenko等人，2024；Mokhtar等人，2021）。如果没有适当的管理，这种废物可能成为严重的环境负担，导致陆地和水生生态系统的二次污染，并对公共健康构成重大危害（Bauer等人，2024）。
热解被认为是处理和利用污泥的一种有前景的方法（Khan等人，2024；Shanmughan等人，2025）。然而，由于污泥中HMs浓度较高，直接将其作为生物炭用于农业受到限制，因为这些污染物可能会污染土壤和地下水（Dudnikova等人，2025）。为了降低这种环境风险，提出了将污泥与植物残渣共热解的方法（Fan等人，2023）。不同原料的结合产生了协同效应：由于污泥和生物质的性质不同，与单独热解污泥相比，产品的产量和质量都有所提高（Gusiatin，2024）。加入植物残渣有助于通过两种主要机制降低HMs的浓度——稀释和挥发（Wang等人，2022）。由于植物残渣中的金属含量通常很低，将其与污泥混合可以降低总体浓度。此外，像镉（Cd）和铅（Pb）这样的金属在高温下可以部分挥发，而污泥和生物质在共热解过程中的相互作用有助于将这些金属固定在固体基质中（Gusiatin，2024）。因此，HMs的迁移性和生物可利用性降低，从而显著减少了环境风险。Wang等人（2020）发现，将污泥与稻壳共热解可以增强所得生物炭的碳化和芳香化作用，尤其是当稻壳的比例低于30%时。此外，共热解过程还有助于稀释总HMs含量，并改善了生物炭中对金属的固定效果（Dong等人，2019）。使用棉秆（1:1）（Z. Wang等人，2019）和玉米秸秆（1:3）（Xu等人，2019）也得到了类似的结果。
通过用金属有机框架（MOFs）修饰传统生物炭，可以进一步提高其吸附性能。MOFs是由金属离子或簇与有机连接剂配位形成的高度多孔晶体材料，具有极大的表面积和可调的化学性质（Ghaedi等人，2025；Polyakov等人，2025）。通过将MOFs与生物炭结合，旨在克服生物炭相对较低的表面积和有限的活性位点的限制。所得的MOF-生物炭复合材料结合了生物炭的结构坚固性和可持续性以及MOFs的高孔隙率、可调性和功能多样性（Bauer等人，2026；Hoque等人，2025）。MOF-生物炭纳米复合材料通过表面络合、静电吸引和孔隙限制等协同机制增强了金属的固定效果。此外，这些复合材料表现出高的再生能力和结构稳定性，使其在长期环境修复方面具有潜力。
关于MOF-生物炭纳米复合材料的研究表明，它们在减少水中的HMs方面具有很大的潜力，包括锑（Sb (III)）、镉和铜（Foroutan等人，2023；Ghaedi等人，2025a；Zhu等人，2021）。虽然大多数研究集中在水系统中，但这些材料扩展到土壤环境为矿物-有机相互作用与污染物固定和土壤质量改善提供了新的机会。Polyakov等人（2025）进行了一项关于用于固定受污染土壤中HMs的MOF-生物炭纳米复合材料的研究。用MIL-100(Fe)涂层生物炭使表面积增加了六倍，并使Cu2+和Pb2+离子的吸附能力翻倍。Mazarji等人（2022）开发了一种MIL-101(Fe)-生物炭复合材料来修复同时含有HMs和PAHs的受污染土壤。研究表明，安装在稻壳生物炭上的Fe基MOF显著提高了铜的固定效果。此外，该复合材料对PAHs的吸附能力也明显高于未改性的生物炭。
尽管人们对金属有机框架修饰的生物炭及其在土壤修复中的应用越来越感兴趣，但目前还没有研究探讨过由污泥和作物残渣共热解得到的生物炭在受污染土壤中的使用及其性质和行为。为了填补这些知识空白，本研究采用了一个模型盆栽实验，评估了由污泥和小麦秸秆共热解得到的MOF-生物炭复合材料对HMs和PAHs固定的效果。这项研究的一个关键优势在于同时评估了有机和无机污染物的修复效率，这更准确地反映了实际环境中混合污染的情况。此外，使用两种具有不同生理特性的植物物种可以更全面地评估污染物的吸收、迁移和植物稳定潜力。这些特点共同增强了研究的实际相关性，并为设计有效的土壤修复策略提供了更坚实的框架。
部分内容
原料
在这项研究中，使用小麦秸秆（WS）和部分脱水的污泥（SS）作为共热解的原料。污泥来自俄罗斯罗斯托夫-顿河畔的市政污水处理设施。从污泥储存区的多个位置采集代表性子样本，彻底混合以获得均匀样品，在室温下风干，轻轻研磨并通过1毫米筛网过滤。小麦秸秆来自当地农业
XRD分析
图3显示了生物炭和合成纳米复合材料的粉末X射线衍射图谱。与BSS相比，BSSWS的图谱特征是含有更高比例的非晶成分，这在低角度区域（5–30° 2θ）清晰可见，表现为宽而嘈杂的峰，这是低结晶度碳基质的特征。这一现象是由于向污泥中添加了小麦秸秆，从而增加了混合物中有机成分的比例。
结论
在这项研究中，通过将MIL-100(Fe)整合到由污泥和小麦秸秆共热解得到的生物炭中，合成了MOF修饰的生物炭纳米复合材料，并在模型盆栽实验条件下系统评估了其修复性能。使用紫花苜蓿（Medicago sativa）和萨雷普塔芥菜（）评估了生物炭和基于MOF的纳米复合材料对土壤中PAHs和HMs的固定效果以及它们在植物中的积累情况
CRediT作者贡献声明
叶卡捷琳娜·克拉夫琴科（Ekaterina Kravchenko）：撰写——初稿，可视化，研究，概念化。塔蒂亚娜·鲍尔（Tatiana Bauer）：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，概念化。塔蒂亚娜·明金娜（Tatiana Minkina）：撰写——初稿。袁增伟（Zengwei Yuan）：撰写——初稿，方法学。莱昂尼达斯·卡里霍·阿泽维多·梅洛（Le?nidas Carrijo Azevedo Melo）：撰写——初稿，数据管理。娜塔莉亚·切尔尼科娃（Natalia Chernikova）：撰写——初稿，方法学。塔玛拉·杜德尼科娃（Tamara Dudnikova）：撰写——初稿，软件，概念化。
未引用参考文献
ISO 13859, 2014; Wang等人，2019.
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：22-76-10054）在南方联邦大学的支持。
