联合国概述的第十二项可持续发展目标（SDG）“负责任的消费和生产”，在目前的全局背景下仍是一个遥远的现实 (Elsheekh et al., 2021)。在许多挑战中，固体废物管理是一个突出问题，显著影响可持续发展的三大支柱：生态、经济和社会 (Rodi? and Wilson, 2017)。有效和准确的废物管理是成功实施循环经济原则的基础 (Olejarczyk et al., 2022)。在家庭、市政、工业和农业运营产生的固体废物中，相当一部分来自废水处理。用于水除污的传统吸附剂和环保替代品如生物吸附剂会产生二次废物 (Sadhu et al., 2021)。虽然生物材料在生物吸附中的使用比传统吸附剂更安全，但其可生物降解性引起了担忧。由于其可生物降解的特性，它们可能会随时间降解，释放吸收的污染物，并导致进一步的污染。这提出了开发综合方法的必要性，能够成功解决废物的所有不同阶段，从生产和污染到处置和再生，以维持真正的循环系统 (Olejarczyk et al., 2022)。
氟化物是地下水资源的显著污染物，当饮用水中浓度较低 (<0.5 ppm) 时会造成牙斑，当浓度超过 1.5 ppm 时，会引发包括氟中毒、低钙血症、肾衰竭和不育在内的多种健康危害 (Nandi et al., 2024a, Nandi et al., 2024b)。在各种脱氟方法中，包括混凝、氧化、吸附、离子交换、膜过滤、微生物过程等，使用生物炭去除的方法最近引起了广泛关注 (Singh et al., 2018)。生物炭是通过在高温 (350–850 °C) 和有限氧气条件下热解有机物质制成的无定形、多孔碳质材料，具有高比表面积、特定的表面官能团、丰富的吸附活性位点和广泛的稳定性 (Huang et al., 2022; Nandi et al., 2024a)。虽然我们从 Pontederia 设计的生物炭成功解决了传统氟吸附剂的主要局限性，并提供了一种可行、经济且环境可持续的脱氟解决方案，但其可生物降解性引发了关于其在环境中安全处置的关键担忧，如前所述。水葫芦 (Pontederia crassipes) 被选为生物炭原料，因为它具有双重相关性，它是世界上最具有侵略性的入侵水生杂草之一，通过在淡水系统中不受控制地繁殖造成重大的生态和经济负担，同时其丰富、低成本的生物质提供了一条增值途径，同时解决了入侵物种管理和废物资源化。此外，源自该原料的剥离生物炭已经在我们配套的研究中显示出强大的氟吸附容量 (86.08% 去除率) (Nandi et al., 2024a)。
尽管生物炭作为吸附剂的使用日益增长，但仍缺乏安全处置耗尽的、饱和污染物的生物炭的标准方案。填埋等传统方法有通过浸出重新 mobilize 吸附污染物的风险，特别是在 pH 和水分条件波动的情况下，而焚烧则是能源密集型，并且可能将污染物释放到空气或灰烬中。相比之下，蚯蚓堆肥是否以及如何改变吸附氟结合到耗尽生物炭上的长期化学稳定性和生物可用性，相对于这些传统处置路线，在很大程度上仍未被探索。因此，蚯蚓技术，或蚯蚓修复，在这种情况下提供了一个潜在的解决方案。它是一种具有成本效益的生物工程过程，在蚯蚓和微生物的帮助下将可生物降解的固体废物转化为富含养分的有机肥料 (Agarwal and Jain, 2024; Singh and Kaur, 2015)。通常，选择表层栖息的表栖蚯蚓（如 Eisenia fetida、Perionyx excavatus、Eudrilus eugeniae 和 Lumbricus rubellus）用于此过程，因为它们具有支持多样化微生物群落以及产生酶和激素的独特能力 (Roy et al., 2022)。这些蚯蚓物种通过摄入污染物并通过富含半胱氨酸的金属硫蛋白 (MT) 在其组织中隔离金属，从而降低污染物的生物可用性，将有毒污染物转化为生物可用性较低、毒性较小和更良性的形式 (Sun et al., 2020; Roy et al., 2022; Jha et al., 2024)。除了上述好处外，由于其作为有机肥料的效力和增强的微生物活性、持水能力，它通常被称为“黑金” (Agarwal and Jain, 2024)。
Sanchez-Hernandez 等人 (2019) 早先引入了一个令人兴奋的研究领域，即从生物炭生产蚯蚓堆肥，称为蚯蚓生物炭，它可以结合生物炭的潜力和蚯蚓养殖降解复杂有机废物的能力。然而，生物炭在蚯蚓养殖中的整合伴随着某些挑战，特别是关于其对蚯蚓生长和蚯蚓堆肥质量的影响 (Gong et al., 2018)。研究还表明，较高的生物炭浓度 (20–25%) 可能对蚯蚓生物量和密度产生负面影响，而较低的浓度 (5%) 则提高了堆肥的质量 (Wu et al., 2023)。在早期文献中也见证了同时施用蚯蚓堆肥和生物炭的好处，如改善土壤健康和肥力 (Ai et al., 2023; Wang et al., 2021a)。
鉴于这些挑战与机遇，因此我们饱和氟生物炭的蚯蚓堆肥可能是一个极好的解决方案。它可能产生一种生物肥料，提供改善的土壤质量、更好的必需营养循环、增强的土壤酶活性、提高的植物性能，并且可能在通过蚯蚓肠道过程中潜在地解毒含氟生物炭，正如早期观察到的那样。这样，我们可以同时解决废物管理和环境健康问题，并为负责任的消费和生产这一更广泛的目标做出贡献。虽然大多数研究侧重于生物炭或蚯蚓堆肥对经济效益（如植物生产力）或土壤健康的个体影响，但本研究也将致力于使用农业生态系统多功能性对它们对整个农业生态系统的影响进行整体评估。因此，这将帮助我们全面评估蚯蚓生物炭对生态系统同时提供多种功能和服务的能力的贡献 (Bardgett and Van Der Putten, 2014; Manning et al., 2018)。
简单来说，因此本研究的主要目标将是探索蚯蚓生物炭在氟解毒方面的潜力，评估其对堆肥质量的影响，并评估其对农业生态系统多功能性的更广泛影响。为此，研究分为两个具体目标：(i) 评估不同剂量的含氟生物炭作为底物对蚯蚓生长、理化性质、微生物活性、氟归宿以及堆肥或蚯蚓生物炭质量的影响；(ii) 评估制备的蚯蚓生物炭（作为生物肥料）在影响土壤理化性质和微生物活性时序动态方面的有效性，及其对作物产量属性和整体农业生态系统多功能性的影响。
