铁改性芦苇秸秆生物炭对有效态铬组分和沉积物性质的影响

《Biomass and Bioenergy》：Effects of iron-modified reed-straw biochar on operational chromium fractions and sediment properties

　　- 添加FeBC与较低的酸可萃取铬浓度相关，但残留态铬浓度并未一致升高。- 生物炭使碱性沉积物的pH升高，而FeBC的pH影响较小。- 与对照组相比，BC和FeBC均显著提高了沉积物的阳离子交换量。- 探索性微生物群落分析显示群落组成发生转变，但并未出现具有铬还原功能的类群。**引言**沉积物是水生系统中至关重要的组成部分，它不仅作为各类污染物的"汇"，在环境条件变化的情况下还可能成为二次污染的"源"[1,2]。在各类污染物中，重金属污染因其毒性、持久性和生物累积潜力而受到高度关注[3,4,5]。铬广泛存在且毒性强烈，是全球性的环境关切问题[6,7]。电镀、制革和冶金等工业活动排放大量含铬废水，导致其在河流和湖泊沉积物中不断累积[8,9]。在环境中，铬主要以三价[Cr(III)]和六价[Cr(VI)]形式存在，两者的环境行为和生态风险各不相同[10,11]。Cr(VI)迁移性强、毒性大且具致癌性，被国际癌症研究机构(IARC)列为I类致癌物[12,13]。相比之下，Cr(III)在环境中相对稳定，毒性较低，且倾向于形成氢氧化物或氧化物沉淀[14,15]。因此，Cr(VI)的修复是沉积物修复中的关键焦点与挑战[16,17]（见表1、图4）。目前针对重金属污染的修复策略主要包括物理法、化学法和生物法[18,19]。电动力学修复和热脱附等物理方法去除污染物的效率较高，但通常受限于成本高昂并可能破坏环境结构[20,21]。固化/稳定化、化学淋洗等化学修复技术具有反应迅速、针对性强等优点，但存在引入外源化学试剂、干扰原生沉积物理化性质并可能造成潜在二次污染的风险[22,23,24]。相比之下，植物修复和微生物修复等生物修复技术因环境友好、成本效益高而展现出前景，但通常需要较长时间，且其效果易受环境条件影响[25,26]。近年来，生物炭因其原料来源广泛、比表面积大、孔隙结构丰富以及表面官能团多样，在重金属修复领域受到广泛关注[27,28]。研究表明，生物炭可通过吸附、沉淀、离子交换和表面络合等机制有效固定多种重金属，在土壤和水体修复中展现出良好潜力[29,30,31]。芦苇秸秆是一种可季节性再生的木质纤维素残余物，可避免被放任衰败或废弃处理，从而转化为更高价值的碳质产品。从生物质增值的角度看，慢速热解同时产出固态生物炭、可凝蒸气和不凝气体；后两者在一体化系统中可用于提供工艺热能[32,33]。然而，不能仅凭原料来源即推断其环境效益：在产品基础上，必须综合考虑炭产率、外部能耗、化学改性、水与溶剂使用量、废液处理、运输以及施用剂量[34]。因此，本研究将芦苇衍生BC和FeBC既视为修复改良剂，也视为需在生产扩大前进行资源需求筛查的生物质衍生产品。尽管此前的研究已证明生物炭在重金属固定方面具有潜力，其实用化应用仍面临局限[35]。生物炭对Cr(VI)的吸附能力和固定效率往往有限，其表面性质和孔隙结构可能无法满足复杂环境介质中高效修复的要求[36]。因此，开发功能化改性生物炭已成为提升修复性能的重要方向[37]。在各种改性方法中，金属负载已被证明可显著提升生物炭对特定重金属的去除能力[38]。铁改性可有效增强生物炭对Cr(VI)的吸附和固定能力[39]。然而，现有研究大多聚焦于水相体系中的吸附性能与机制[40]。生物炭在污染土壤和沉积物中应用的长期有效性、剂量选择以及生态风险仍有待充分解决[41]，因此仍需对沉积物理化响应与微生物响应进行重复性评估。这一知识缺口严重阻碍了改性生物炭从实验室研究走向田间应用的转化，凸显了开发高效功能化生物炭的紧迫性与重要性[42]。本研究评估了铁改性芦苇秸秆生物炭对以K?Cr?O?和CrCl?添加的沉积物中操作性定义的铬形态及沉积物特性的影响。所测指标包括铬总量、操作性BCR形态、pH、电导率(EC)、阳离子交换量(CEC)、探索性湿筛粒径分布以及微生物群落结构。由于在孵育期间未测量Cr(VI)，故BCR结果不用于推断价态转化。同样，由于缺少纯铁对照组，无法区分含铁表面物种与生物炭基质的各自贡献。因此，本研究聚焦于经证据校准的形态分布特征、理化响应、探索性微生物观测，以及FeBC生产与施用过程中的资源含义。**分节摘录***生物炭与改性生物炭的制备*以夏季采集自山东某河流的芦苇秸秆为原料。去除杂质后，用去离子水清洗并自然风干。将干燥秸秆切成小段、破碎，置于覆盖铝箔密封的石英坩埚中，在马弗炉中进行热解。热解条件（500 °C、10 °C·min?1的升温速率和2 h的停留时间）的选取旨在提供中等温度的制备条件用于……*生物炭改良剂对操作性铬形态的影响*图2呈现了四种操作性BCR形态的归一化比例，表S1报告了其对应浓度(mg·kg?1)。在第0天，酸可萃取态占各组BCR总和浓度的40.0%–48.1%，其后依次为可还原态(17.7%–22.4%)和可氧化态(16.7%–20.2%)，残留态占14.9%–19.0%。BCR分析中每种处理设3个平行样(n = 3)，比较使用同一时间点测量的对照值……*结论*在90天的湿润孵育过程中，芦苇秸秆BC和FeBC与操作性铬可萃取性及沉积物理化性质的变化相关。在第90天Cr(VI)添加体系中，FB3-1的酸可萃取铬浓度低于同时点的对照组C（1.94对7.79 mg kg?1），但其残留态浓度也较低（2.86对3.61 mg kg?1）；因此较高的残留态比例不能被解读为铬向残留态池的绝对转移。BC……*CRediT作者贡献声明***Xu Zhang：**撰写—初稿。**Zehao Shen：**撰写—审阅与编辑。**Xiaorui Zhang：**数据管理。**Yanwei Zhong：**形式化分析。**Lei Zhang：**调查研究。**Yanhao Zhang：**监督指导。**Guomin Zhang：**项目管理。**Zhibin Zhang：**获取资金。**资助**作者感谢**山东省自然科学基金**（ZR2024QD059）和**国家自然科学基金**（52070122）的支持。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢所有匿名审稿人提出的建设性意见和建议。Xu Zhang｜Zehao Shen｜Xiaorui Zhang｜Yanwei Zhong｜Lei Zhang｜Yanhao Zhang｜Guomin Zhang｜Zhibin Zhang