茶废弃物生物炭对农业土壤中 PFAS 迁移性及 N2O 和 CH4 排放的施用依赖效应

《Waste Management》：Application-dependent effects of tea waste biochar on PFAS mobility and N 2O and CH 4 emissions in agricultural soil

　　

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  TWB-500 结合了可及孔隙与最强的 PFAS 保留能力。
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  全土混合降低了 PFAS 的迁移性、淋溶和地上部分吸收。
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  表层施用增强了 N₂O 的减排和净 CH₄ 吸收。
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  TWB 改变了与氮和甲烷循环相关的基因丰度。
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  TWB 在盆栽土壤中共同调节了 PFAS 迁移性和温室气体排放。

引言

全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 具有卓越的环境持久性、长距离迁移潜力和生物累积性。它们已在世界范围内的农业土壤、地表水和地下水中被广泛检测到。PFAS 还可能通过土壤 - 孔隙水 - 植物途径进入农产品，从而对农业生态系统安全和人类健康构成长期风险 (Liang et al., 2024a)。一旦进入农业环境，PFAS 可以在土壤固体、孔隙水和植物组织之间迁移和重新分布。它们还可能通过改变土壤理化性质、根际微环境和微生物代谢活性来破坏土壤碳和氮循环。以往研究表明，PFAS 暴露可能会改变与硝化、反硝化、产甲烷和甲烷氧化相关的微生物群落和功能基因，从而影响氧化亚氮 (N₂O) 和甲烷 (CH₄) 的产生和释放 (Yang et al., 2024a)。然而，PFAS 污染农业土壤中温室气体排放响应及其相关微生物机制仍知之甚少。此外，很少有修复研究将 PFAS 迁移性缓解、植物生物有效性和温室气体排放纳入综合评估框架。因此，迫切需要能够同时固定 PFAS 和调节温室气体排放的材料和应用策略，以实现 PFAS 污染农业土壤的低碳修复和安全利用 (Chen et al., 2026)。

生物炭具有多孔结构、稳定的碳框架和丰富的表面官能团。它可以在固定污染物的同时调节土壤水分、养分有效性和微生物群落结构。因此，生物炭被认为是一种有前景的用于农业污染控制的含碳材料 (El-Naggar et al., 2019)。生物炭对 PFAS 的固定化不由单一材料性质控制。相反，它由比表面积、孔径分布、孔隙可及性、芳香度、碳氧比、表面官能团、界面电荷和水合特性共同控制 (Liang et al., 2024b)。全氟辛烷磺酸 (PFOS) 和全氟辛酸 (PFOA) 具有疏水的全氟烷基链和带负电的极性头基。因此，它们与生物炭的相互作用可能涉及孔隙填充、疏水相互作用、氢键、静电排斥或吸引、离子桥接和界面水置换 (Ramos and Ashworth, 2024)。尽管各种生物炭已被证明可以吸附或固定 PFAS，但以往研究主要集中在水系统中的批次吸附、单一化合物 PFAS 系统和最大吸附容量。因此，复杂土壤中 PFAS 的迁移仍未得到充分了解，特别是当生物炭同时与天然有机质、共存离子、植物根系和微生物相互作用时 (Mainali et al., 2026, Skjennum et al., 2026)。特别是，以往研究通常使用水相去除效率或终点土壤浓度作为主要评估指标。很少同时考察 PFAS 浓度在土壤、淋溶、修复剂相和植物组织中的变化。此外，生物炭对 PFAS 固定化和温室气体排放的影响通常是分开研究的。因此，目前尚不清楚这两种环境效益是否可以同时实现，以及它们之间的关系是否受热解温度、施用量和空间位置调节。解决这一知识差距构成本研究与以往基于生物炭的 PFAS 修复研究之间的核心区别。

茶废弃物富含纤维素、半纤维素、木质素和各种含氧有机成分。因此，它是生产具有可调孔隙结构和表面化学性质的生物炭的潜在合适前体 (Jayakala et al., 2025)。在热解过程中，半纤维素和纤维素的分解以及挥发性成分的释放促进了孔隙开口和内部传质途径的形成。相比之下，木质素衍生碳结构的保留、缩聚和芳香化促进了稳定和疏水碳框架的形成 (Zhang et al., 2023)。茶废弃物生物炭 (TWB) 的比表面积、孔径分布、芳香度、表面含氧官能团和界面电性质可以通过热解温度调节 (Kowsalya and Firdous, 2026)。这些性质对应于控制 PFAS 进入孔隙、全氟碳链与含碳表面之间相互作用以及阴离子头基接近材料界面的主要过程 (Chavan et al., 2024)。以往研究表明，热解温度可以显著重塑茶废弃物生物炭的孔隙结构、极性和吸附性能 (Li et al., 2021a)。然而，吸附并不一定随热解温度单调增加。相反，性能取决于孔隙可及性、芳香碳结构和界面化学之间的综合平衡 (Kowsalya and Firdous, 2026)。对于 PFAS 吸附，过低的热解温度可能导致孔隙发育不足和碳框架疏水性有限。较高的温度可能增加总比表面积和芳香度，但也可能改变极性表面位点、孔隙可及性和界面水合 (Chavan et al., 2024)。因此，中等热解温度可能提供开放的传质途径、疏水碳表面、极性官能团和界面电荷的更有利组合 (Cui et al., 2022)。这些可调的多尺度孔隙和表面化学性质为本研究选择 TWB 作为 PFAS 固定化材料提供了主要的物理化学基础 (Debnath et al., 2022)。茶废弃物也广泛可得。最近的一项综述估计茶废弃物生物炭的单位生产成本约为每吨 434.2 美元，低于报道的一些小麦秸秆和玉米秸秆生物炭的成本。这一成本优势进一步支持了其资源回收潜力和大规模应用前景 (Hao et al., 2025)。

为解决这些研究空白，建立了包含不同热解温度、不同施用量和不同施用方法制备的 TWB 的处理系统。还包括原始茶废弃物处理。在模拟 PFAS 污染土壤 - 淋溶 - 植物系统中同时评估了 PFAS 跨多个环境隔室的迁移、N₂O 和 CH₄ 排放、微生物群落响应和功能基因谱。与主要考察水相吸附容量或单一环境隔室终点 PFAS 浓度的以往研究相比，本研究比较了 PFOS 和 PFOA 浓度在土壤、淋溶、生物炭相和地上植物组织中的变化及其表观富集。这些变化进一步与温室气体排放以及涉及碳和氮循环的微生物功能联系起来。

具体目标是：(1) 评估 TWB 及其原始原料对土壤中 PFOS 和 PFOA 残留物、淋溶迁移、修复剂相富集和地上植物组织累积的影响；(2) 确定 TWB 热解温度、施用量和施用方法如何影响 N₂O 和 CH₄ 通量和累积排放，并识别 PFAS 固定化与温室气体减排之间的潜在协同或权衡作用；(3) 使用 16S 核糖体 RNA 基因扩增子测序 (16S rRNA 基因) 和宏基因组分析调查 TWB 同时调节 PFAS 环境行为和温室气体排放的潜在微生物途径。该分析侧重于微生物群落组成、涉及碳和氮循环的功能基因以及与有机氟转化相关的注释基因。总体而言，本研究旨在将生物炭修复评估从单一污染物固定化扩展至多目标，整合污染物迁移控制、温室气体调节和微生物功能响应。结果预计将为 PFAS 污染农业土壤的低碳修复和安全利用提供科学依据。

章节摘要

土壤样品、植物和肥料

实验土壤采集自中国北京市大兴区黄村镇 (39°45′1″ N, 116°16′38″ E) 的一个农业田地。该土壤被归类为壤土。采样点的原生植被以刺苋 (Amaranthus spinosus L.) 为主。根据现有的土地利用记录，该地点以前未施用肥料。采样前，移除了表层植被。使用五点采样法从 0–10 cm 深度采集表层土壤

TWB 的表面特征

实验前，原始茶废弃物及其热解衍生的生物炭表现出明显的温度依赖性形态变化 (图 S1)。原始茶废弃物保留了相对完整且紧密的植物组织结构。其表面主要特征是褶皱状层片、纤维状残留物和密集聚集区，而发育良好的开放孔隙稀少。在 400 °C 热解后，原始生物质框架部分保留。然而，裂缝状孔隙

结论

评估了 TWB 热解温度、施用量和施用方法对 PFAS 迁移以及 N₂O 和 CH₄ 排放的综合影响。TWB-500 提供了孔隙连通性、表面疏水性和界面电荷之间最有利的平衡。其在修复剂相中对 PFOS 和 PFOA 的表观富集值分别为 0.12 和 0.57 μg/g，是测试材料中最高的。增强后的 C-F 和含硫信号在

CRediT 作者贡献声明

郝立亭： 写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，监督，资金获取，概念化。 张冬冬： 写作 - 初稿，可视化，调查，正式分析。 赵子恒： 可视化，软件，方法论，数据整理。 王军： 可视化，软件。 王若飞： 可视化，验证。 李淼： 写作 - 审阅与编辑。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能看似影响本论文中报告的工作。

致谢

这项研究工作得到了区域环境可持续发展国家重点实验室专项基金 (No. 24K01ESPCT)、京津冀区域协同环境治理 - 国家科技重大专项 (No. 2026ZD1212400)、北京市教委研发计划 (No. KM202210016006)、北京市优秀青年科学家资助计划 (No. BYESS2023129)、北京建筑大学金字塔人才培养项目 (No. JDYC20220816)、开放选题遴选 (Open Bidding for Selecting) 的支持

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