《Journal of Hazardous Materials》：Beyond the Black Box: Deconvoluting the Inherent Compounds in Biochar Phytotoxicity and Soil Impact
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•生物炭的效果取决于其自身的化学性质•原料和热解过程决定了生物炭的组成和内在成分的含量•Na+、可提取的铜和芳香族疏水性溶解有机物（DOM）被认为是主要的风险因素引言生物炭是一种富含碳的物质，通过在缺氧条件下热解生物质产生[1]。它被广泛认为是一种环保的改良剂，这得益于其独特的性
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生物炭的效果取决于其自身的化学性质
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原料和热解过程决定了生物炭的组成和内在成分的含量
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Na+、可提取的铜和芳香族疏水性溶解有机物（DOM）被认为是主要的风险因素
引言
生物炭是一种富含碳的物质，通过在缺氧条件下热解生物质产生[1]。它被广泛认为是一种环保的改良剂，这得益于其独特的性质，如高孔隙率、大表面积和低体积密度[2]。这些特性使得生物炭在吸附污染物、改善土壤结构和减少土壤污染方面非常有效[3]。因此，它成为了废物利用和土壤修复研究的热点。将农业废弃物转化为生物炭等增值产品代表了一种有前景的碳高效升级策略[4]。更重要的是，生物炭具有稳定的碳结构，这使其能够以持久的形式储存碳，成为减缓气候变化的一种有前景的碳负技术[1],[5]。然而，最近的研究揭示了一个更复杂的情况。生物炭的化学组成变化很大，取决于原料特性和热解条件。土壤有机碳的动态表现出显著的空间异质性和尺度依赖性效应，这些效应受多种人为活动的影响[6]。因此，生物炭的一些内在化学成分可能会引起意外的环境影响[7],[8]。尽管生物炭的环境效益得到了广泛认可，但越来越多的证据表明其潜在的生态风险引发了对其安全性和长期可持续性的担忧[9]。因此，识别导致这些不良影响的内在化学因素对于将生物炭评价从主要关注效益的角度转向基于风险的材料选择和管理至关重要。
生物炭包含四类主要的内在化学成分，包括可溶性无机盐、重金属、多环芳烃（PAHs）和溶解有机物（DOM）[10],[11],[12]。这些成分可能带来不同的生态风险：可溶性盐会对植物造成渗透压胁迫，重金属可能导致毒性和生物累积[13],[14]，而PAHs作为一种持久性有机污染物，具有致癌、致畸和致突变性[15],[16],[17]。苯并[a]芘是一种代表性的高分子量PAH，已被证明通过多种机制（包括氧化应激和内分泌干扰）表现出显著的生殖毒性[18]。DOM也可能影响生态风险，因为其复杂的分子组成可以增强共存污染物的移动性，例如重金属[19]，而某些DOM成分可能直接抑制植物和微生物。在真实的环境条件下，这些成分在生物炭中共同存在，并可能产生协同或拮抗作用，使得仅基于单个成分难以解释整体的生态效应。然而，现有的研究大多孤立地考察了这些风险因素[20]。迄今为止，只有少数研究系统地评估了多种内在化学成分的综合风险[21],[22]，更少有研究确定了总体毒性的主要化学驱动因素。这一知识空白限制了对生物炭在实际应用中的环境安全性的准确评估。
在这种情况下，还有一些其他限制因素阻碍了人们对生物炭环境风险的系统理解。大多数研究集中在单一原料或热解温度上，限制了不同原料-温度组合之间的比较，使得难以确定生产参数如何影响化学风险特征[23],[24]。这一限制对于由木质纤维素原料（如稻草）制成的植物源生物炭尤为重要，因为原料特性和热解条件会显著影响PAH的形成和组成[25]。风险评估也常常是片面的：一些研究强调化学表征，而其他研究主要关注生物反应。很少有研究将详细的物理化学表征与从早期植物发育到土壤微生物群落的多层次生物终点结合起来[26]。此外，大多数研究仅在浓度水平上评估DOM。其分子组成和化学多样性——这些因素可能在塑造生物效应中起决定性作用——仍然知之甚少[27]。这一差距阻碍了对生物炭整体环境行为的准确预测。
为了解决这些差距，本研究采用了一种综合方法，系统地将生物炭的化学特征与其多层次的环境影响联系起来。我们假设原料类型决定了不同的化学风险特征，而热解温度改变了内在成分的丰度和组成，从而导致不同的植物毒性和土壤生态反应。具体来说，我们预计可溶性盐、重金属、PAHs和结构不同的DOM成分会对这些反应产生不同的影响。选择了三种代表性的原料——厨房废弃物（Kit）、猪粪污泥（Pms）和稻草（Ris）在两种热解温度（400和600 ℃）下生产生物炭。通过量化可溶性无机盐和可提取金属、分析PAH的组成以及使用超高压傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）进行DOM的分子级表征，对所得生物炭进行了全面表征。进行了短期植物毒性测试和长期土壤微宇宙培养，以评估不同时间尺度上的生态反应。进一步采用相关分析和结构方程建模（SEM）来确定主要化学风险因素，并探讨它们对生物反应的影响途径。总体而言，这一综合框架旨在厘清生物炭内在成分对植物毒性和土壤生态效应的贡献，为针对特定原料的风险评估和有针对性的生物炭管理提供科学依据。
章节片段
原材料和生物炭制备
本研究选择了三种废弃物生物质：厨房废弃物（Kit）、猪粪污泥（Pms）和稻草（Ris）。稻草和猪粪污泥分别来自浙江省的一个水稻种植区和一个大型畜牧业农场，而厨房废弃物则来自浙江科技学院小荷山校区的食堂。萝卜（Raphanus sativus L.，品种‘Seoyue’）购自大义瑞翰国际种子公司
可溶性无机盐和重金属
原料类型和热解温度显著影响了生物炭中可溶性盐和DTPA可提取重金属的含量和形式（图1a；表S3）。在400 ℃时，总Na+K含量排序如下：PmsBC400（43,172 mg/kg）> KitBC400（33,778 mg/kg）> RisBC400（20,996 mg/kg）。KitBC400以Na为主（Na/K约为2.91）。在600 ℃时，KitBC600的总Na+K增加了132.5%，仍然以Na为主（Na/K约为2.78）。这反映了Kit中NaCl和K盐的富集
原料和温度对生物炭内在成分的影响
生物炭的环境行为从根本上受其内在物理和化学性质的控制，这些性质在生产和热解过程中由原料类型和热解温度共同决定[54]。本研究证实原料是决定生物炭特性的主要因素，而温度则是其特性的关键修饰因素。KitBC的特点是可溶性盐含量特别高，尤其是Na和K
结论
本研究系统评估了废弃物衍生生物炭的内在成分如何影响环境风险。这些性质共同由原料类型和热解温度决定。通过综合化学分析、生态毒理学试验和统计建模，我们确定了四个主要风险因素，包括可溶性盐、可提取重金属、PAHs和结构不同的DOM成分。它们共同塑造了观察到的响应
环境意义
生物炭含有多种共存的化学物质，这些物质可能在植物-土壤系统中引发生态风险。本研究揭示了可溶性盐、可提取铜和疏水性溶解有机物（DOM）是主要的毒性驱动因素，它们会引起渗透压胁迫、氧化损伤和膜破坏。这些效应强烈依赖于原料类型和热解条件。因此，水溶性Na和K以及与盐度相关的指标（如电导率）等
环境意义
生物炭含有多种共存的化学物质，这些物质可能在植物-土壤系统中引发生态风险。本研究揭示了可溶性盐、可提取铜和疏水性溶解有机物（DOM）是主要的毒性驱动因素，它们会引起渗透压胁迫、氧化损伤和膜破坏。这些效应强烈依赖于原料类型和热解条件。存在一种权衡：高温热解可以减少有机污染物，但会浓缩盐分
CRediT作者贡献声明
王民燕：撰写——原始草案，调查，正式分析，数据管理。张瑾：撰写——审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，正式分析。Nicholas Clarke：撰写——审稿与编辑，正式分析。黄鸣鸿：撰写——审稿与编辑，正式分析。周 Hao：资源管理，调查，正式分析。胡小飘：调查，数据管理。黄俊豪：调查，正式分析。齐嘉敏：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22276174、21906148）、浙江省的“先锋”和“领头雁”研发计划（项目编号2025C04017）以及挪威外交部（Sinograin III，CHN 2152-22/0013）的资助。
支持信息包括文本S1–S2，描述了分析方法；图S1–S6展示了分子表征、幼苗反应和微生物群落组成；表S1–S10总结了原始数据
王民燕|边浩浩|黄俊豪|齐嘉敏|周 Hao|胡小飘|Nicholas Clarke|黄鸣鸿|张瑾
