生物炭對土壤重金屬化學形態影響的作用機制研究進展

梅 闖，王 衡，蔡昆爭，徐美麗，黃 飛①

(1.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；2.廣東工業大學環境科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

根據2014年全國土壤污染狀況調查結果，土壤環境污染問題突出，其中重金屬污染主要以鎘、砷和鎳為主[1]。常見的重金屬污染土壤鈍化方法是通過添加鈍化劑，經沉淀、吸附和絡合等一系列反應降低土壤中有效態重金屬含量，從而減少重金屬的環境危害[2]。在眾多的鈍化劑中，生物炭作為一種環境友好型的土壤污染修復材料，是由不同來源生物質(如秸稈、動物糞便和污泥等)在完全或部分缺氧條件下熱解(<700 ℃)后得到的一種富碳固體物質[3]。生物炭來源豐富、成本低廉，具有豐富的孔隙結構、較大的比表面積以及復雜的表面官能團和礦物質元素等特點，在治理重金屬污染土壤中具有較好的應用前景，受到國內外學者們的廣泛關注[4-6]。

土壤中重金屬的毒害作用不僅與其總量有關，更大程度上取決于重金屬形態。國內外學者通過不同的提取劑，將環境樣品中不同形態的重金屬元素逐步提取出來，從而研究重金屬在土壤中的存在形態[7]。常用的提取方法有2種，一種是Tessier法，將重金屬形態分為可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態和殘渣態[8]。另一種是BCR法〔BCR為歐洲共同體參考物機構(European Community Bureau of Reference)的簡稱〕，分為弱酸提取態、可還原態、可氧化態、殘渣態。研究表明生物炭可以通過對重金屬的直接吸附固定或者間接作用改變土壤理化性質，影響土壤中重金屬形態[9-10]。CHEN等[11]研究發現花生殼生物炭通過沉淀和絡合作用顯著降低土壤中可交換態Cd含量。李永正等[12]報道了鴿糞基生物炭通過沉淀、絡合、離子交換和陽離子-π作用顯著降低土壤中可交換態Cu、Zn、Pb、Cd含量。XU等[10]采用玉米秸稈制備生物炭，發現這種生物炭通過離子交換和沉淀作用影響重金屬形態，但對土壤可交換態Cu含量的影響并不顯著。此外，李洪達等[13]發現稻殼生物炭可以間接提高土壤pH值和陽離子交換量(CEC值)，從而促進酸提取態Cd和Pb轉化為殘渣態。研究結果表明，不同種類生物炭對土壤可交換態重金屬含量的影響效果不一，且作用機制較為復雜。基于此，筆者首先介紹了不同類型生物炭對土壤重金屬化學形態變化的影響，在此基礎上重點從物理、化學、微生物3個方面闡述了生物炭對土壤重金屬形態的作用機制，并對未來可能發展的方向提出了展望。

1 生物炭對土壤重金屬形態變化的作用效果

生物炭通過直接吸附固定或間接作用改變土壤理化性質，影響土壤中重金屬形態的轉化，從而改變重金屬毒害作用。研究表明，生物炭可以利用其結構特性，通過不同作用機制來直接吸附固定土壤重金屬，進而有效降低重金屬的酸提取態含量[13-15]。劉丹[16]研究發現污泥生物炭表面富含—COOH、—OH等官能團以及CO32-、PO43-和SiO32-等離子，可以通過絡合、沉淀等作用將重金屬離子吸附固定，從而降低土壤重金屬酸提取態含量，增加殘渣態含量。劉瑞凡[17]研究表明，麥稈生物炭表面有大量的—OH、—COOH等含氧官能團，能夠與重金屬離子發生絡合作用，使土壤中弱酸提取態Pb含量下降，殘渣態Pb含量增加。以上研究表明，大多數生物炭表面富含的官能團和礦物成分等能夠促進由不穩定態重金屬離子向殘渣態轉化。

生物炭還可以通過間接作用影響土壤理化性質，比如土壤pH值、有機質(OM)含量、氧化還原電位(Eh)等來改變重金屬形態。由于生物炭多呈堿性，在添加生物炭后土壤的pH值會顯著提高，進而增加重金屬陽離子在生物炭上吸附和絡合作用，最終降低重金屬可交換態含量[20]。ABDELHAFEZ等[21]發現甘蔗渣生物炭可通過增加土壤有機質含量促進由不穩定態Pb向較穩定的有機結合態轉化。吳萍萍等[22]研究發現稻稈生物炭可以通過提高土壤OM含量減少穩定性較差的酸提取態重金屬含量。生物炭還可以降低Eh值，促進土壤非晶質態As的溶解[23]。張燕等[24]研究發現玉米秸稈生物炭通過降低土壤Eh值使土壤呈強還原狀態，進而促使土壤可溶態砷含量升高。以上這些研究表明，不同種類生物炭對土壤中酸提取態或殘渣態重金屬的影響效果存在較大差異。將近10 a生物炭對重金屬酸提取態和殘渣態含量影響研究的相關文獻[13-43]進行梳理并用箱形圖表示(圖1)，發現在不同種類生物炭作用下，對同一類型重金屬影響的波動范圍較為集中，但個別變化率出現離群點，說明大多數生物炭對重金屬酸提取態含量的影響效果集中在一個范圍內，只有個別生物炭效果顯著。另外，以水稻秸稈、雞糞、污泥為原材料制備得到的生物炭為例，總結同一類型生物炭對不同重金屬污染土壤的影響(表1)。綜上，生物炭作用下重金屬酸提取態(或可溶態)含量下降，殘渣態含量增加。但仍有個別生物炭促使重金屬酸提取態(或可溶態)含量增加，殘渣態含量下降。以上這些差異的來源除了由生物炭改變土壤理化性質所引起的之外，在很大程度上與生物炭對土壤重金屬作用機制的復雜性是分不開的。

表1 同一類型生物炭對不同重金屬污染土壤的作用效果Table 1 The effect of the same type of biochars on soils contaminated by different heavy metals

2 生物炭對土壤重金屬形態的作用機制

2.1 物理機制

物理機制是指生物炭利用自身的孔隙結構和比表面積，通過范德華力將重金屬離子吸附在表面或孔隙內[44]。一般情況下，生物炭具有的比表面積和孔隙結構越大，物理吸附作用則越強。DENG等[45]研究發現水稻秸稈生物炭具有較大比表面積，有利于通過物理作用來吸附固定土壤Cd和Ni。丁華毅[46]發現當生物炭具有較大的比表面積時，物理機制在吸附固定土壤Cd中起到重要作用。由于生物炭的物理作用主要以范德華力與重金屬離子發生相互作用，沒有發生化學變化，通常認為該作用對重金屬形態的影響較小。

2.2 化學機制

化學機制是指生物炭利用其自身表面富含的官能團和礦物質成分等直接對重金屬離子進行吸附固定的作用，主要包括靜電吸附、離子交換、官能團絡合、沉淀和陽離子-π等作用(圖2)，均在不同程度上促進土壤重金屬由不穩定態向穩定態轉化。當前多數研究表明，生物炭對土壤重金屬的吸附固定起到重要作用，其中不同作用機制均不同程度地影響重金屬由酸提取態向殘渣態之間相互轉化，但對于不同化學機制對重金屬形態的作用貢獻比例仍需深入研究。

2.2.1靜電吸附

靜電吸附指的是生物炭利用其表面的正負電荷與重金屬離子發生靜電吸引而吸附重金屬離子[38]。當生物炭零電荷的pHPZC小于土壤pH值時，生物炭表面攜帶負電荷可通過靜電吸引重金屬陽離子；反之，生物炭表面攜帶正電荷也可通過靜電吸引重金屬陰離子[39]。這表明生物炭不僅可以吸附固定帶正電的Cu2+、Zn2+和Cd2+等重金屬陽離子，而且對帶負電的AsOxn-和CrOxn-等離子也具有吸附作用[35]。

2.2.2離子交換

生物炭表面存在大量的K+、Ca2+、Na+和Mg2+等堿金屬離子，能夠與重金屬離子發生離子交換，進而吸附重金屬離子[41]。離子交換過程中具有電荷守恒和選擇性置換等特點，比如，ZAMA等[42]發現2 mol K+能和1 mol Pb2+發生離子交換，而且生物炭表面上以靜電力附著的離子容易被具有相同電荷且電荷密度較高的重金屬離子所取代。ZHANG等[47]研究發現生物炭釋放出來的K+、Ca2+、Na+等陽離子與Cd2+發生了離子交換作用。其反應通式可表示為：C—K++ M2+→C—M2++K+，C—Ca2++M2+→C—M2++Ca2+(M代表重金屬)。

2.2.3官能團絡合

生物炭表面富含羧基、羥基和氨基等官能團，它們可以與重金屬離子發生絡合作用[43]，從而影響重金屬形態。研究發現，生物炭表面—OH和—COOH 等含氧官能團容易和Cd2+、Hg2+和Cu2+形成穩定的絡合物[48-49]。另外，生物炭表面的官能團還能以間接方式與重金屬離子發生絡合作用，進而改變重金屬形態。段靖禹等[50]發現生物炭表面豐富的含氧官能團可以先與土壤中的Fe、Mn結合形成鐵錳氧化態物質，再與土壤環境中的As發生絡合作用。其通式可表示為：>C—OH+M2++H2O→>C—COM++H3O+，>C—COOH+M2++H2O→>C—COOM++H3O+。

近年來流行的翻轉課堂（The fl ipped classroom or flipping the classroom）取向，其實就是在使用這個原理，把學與教的程序逆轉，把本來要講的東西讓學生在實踐與自我主導的情況中自我發現。例如，本來要教授北京的歷史建筑，教師可以先不教，而是把它變成一個小研究，將學生分組，讓各組學生找一個有興趣的歷史建筑（實踐式）去研究（發現式）與自學（自主學習），將學習成果繪成海報，以報告的形式與其他組分享。這個倒轉的方法，便可達到實踐、發現與學生主導的目的。

2.2.4沉淀作用

生物炭含有CaCO3、Mg2PO4OH和Mg3(SO4)2(OH)2等礦質成分，能夠釋放CO32-、PO43-和OH-等離子，這些陰離子可與重金屬結合形成沉淀物，從而改變重金屬形態[44]。YIN等[51]發現水葫蘆生物炭表面的CO32-和PO43-等通過與土壤中As5+形成較為復雜的Ca5(AsO4)3OH和Ca4(OH)2(AsO4)2(H2O)4等沉淀組分，進而改變重金屬形態。其反應式可表示為：M2++CO32-→MCO3(s)，3M2++2PO43-→M3(PO4)2(s)，M2++ 2OH-→M(OH)2(s)。

2.2.5陽離子-π配位

2.2.6氧化還原

生物炭可以通過影響土壤中氧化還原電位來改變土壤重金屬形態[43]。在還原條件下，土壤中碳酸鹽態重金屬易向難溶的硫化物轉化；而在氧化條件下，重金屬主要以難溶氧化物或有機結合態存在[56]。ZHOU等[57]發現苧麻生物炭通過先將土壤中Cr6+還原成Cr3+，然后再與羥基和羧基發生官能團絡合，進而影響重金屬形態。CHOPPALA等[58]發現雞糞生物炭能夠促進As5+還原成As3+，從而改變其形態。在這里以Cr為例，其反應式可以表示為3C + Cr2O72-+8H+=3CO(g)+ 2Cr3++4H2O 。

2.3 微生物機制

生物炭對土壤微生物的生長繁殖等生命活動產生一定的影響(圖3)，主要表現：(1)生物炭利用其自身較大孔隙結構為微生物提供棲息空間，還能影響土壤理化性質，改善微生物的生存環境[59]；(2)生物炭表面富含N、P和K等礦質元素，可被微生物吸收利用，進而增強微生物的代謝能力[60]；(3)生物炭通過吸附污染土壤中部分重金屬離子，降低重金屬對微生物群落的毒害作用，還能吸附土壤酶分子，通過改變酶活性來影響微生物生命活動[61]；(4)生物炭通過吸附調節微生物基因表達的信號分子，抑制微生物細胞間的信息交流，影響微生物生長繁殖[62]；(5)生物炭含有一定量的重金屬和多環芳烴等潛在的有毒物質，這可能會對微生物造成一定毒害作用，引起微生物豐度下降[63]。此外，生物炭作用下部分微生物也能吸附固定土壤重金屬，主要表現在：(1)微生物可以吸收利用生物炭表面的N、P和K等營養元素，增大對重金屬離子的吸附量[62]；(2)微生物將生物炭作為電子傳遞介質，促進細胞間的電子轉移，加快重金屬遷移轉化速率[63]；(3)微生物細胞還可以通過呼吸作用，將重金屬離子轉運到細胞內部進行固定轉化，改變重金屬形態[64]。

微生物廣泛存在于自然界中，不僅種類繁多，數量極大，對環境適應能力較強等特點，幾乎參與到自然界中所有的生化反應中，對重金屬也具有一定的抗性和解毒作用(圖4)，可以吸附和轉化重金屬[65]。其中大多數微生物可以通過表面吸附或官能團絡合作用在其表面對重金屬進行富集。微生物還能通過主動運輸過程將重金屬離子排出到細胞外部[65]。還有一些微生物，比如藻類、真菌等將重金屬離子先累積于胞內某些特殊細胞器中，并轉化成毒性較小的化合物，供細胞正常生命活動[67]。某些微生物可以通過分泌一些化合物與重金屬結合形成沉淀，并對重金屬產生一定的抗性。比如一些真菌可以分泌草酸鹽形成草酸鹽-重金屬復合物，起到保護細胞的目的[65]。此外，微生物還能夠通過氧化還原等過程將重金屬離子轉化成無毒或者低毒狀態。比如芽孢桿菌、大腸桿菌和假單胞菌等菌株可以在好氧條件下將Cr6+還原成Cr3+[68]。

目前的相關研究主要集中在外源菌株與生物炭聯合修復重金屬污染土壤(表2)，多數研究發現兩者結合施用能夠顯著降低了土壤有效態重金屬含量，提高殘渣態含量。LIU等[69]利用小麥秸稈生物炭和叢枝菌根真菌結合施用，可使土壤中弱酸提取態Cd含量下降51.99%，殘渣態Cd含量增加77.83%。同樣地，劉玉玲等[70]發現玉米秸稈生物炭和戴爾福特菌的共同作用可以降低土壤中13.36%的酸提取態Cd含量，增加10.35%的殘渣態Cd含量。這些研究進一步說明，將生物炭與外源功能菌株聯合作用可以進一步提高對重金屬污染土壤的修復效果，但生物炭與外源功能菌株對重金屬形態影響過程中土壤微生物的作用機理尚不清楚。

表2 生物炭與微生物共同作用對土壤重金屬形態的影響效果Table 2 The effect of the combined function of biochar and microbe on the form of heavy metals in soil

3 結論與展望

目前大多數研究成果表明，生物炭在吸附固定土壤重金屬方面表現出較好的效果，具有較大的應用前景。生物炭施入土壤后，不僅可以通過不同作用機制，比如通過范德華力的物理吸附、離子交換、官能團螯合和共沉淀等化學作用，以及與微生物結合，利用微生物的表面吸附和體內轉化作用等直接影響重金屬的存在形態，還能夠間接改變土壤環境，比如土壤pH值、有機質含量及其微生物群落結構等來影響重金屬形態。通過研究分析發現，當前生物炭修復重金屬污染土壤的研究多集中于室內或短期現場實驗，而且作用效果受到制備生物炭的原材料、污染土壤和重金屬種類等多方面因素的影響。

鑒于此，在未來研究中可能有待解決的一些問題：

(1)不同的生物炭對重金屬的吸附固定受到多種作用機理的共同影響，而當前對于多種作用機理的定量化研究較少。另外，在不同生物炭對重金屬吸附的作用機制與重金屬形態變化之間的是否存在一定的關系，值得進一步探討。

(2)生物炭施入土壤后是否會對土壤環境產生一定負面影響？如果有，那么這種負面影響是短期作用還是長期效應？一方面考慮到生物炭在高溫熱解過程中可能會產生一些污染物，比如二噁英、多環芳烴等都會一并帶入到土壤環境中，另一方面也考慮到生物炭所吸附固定的重金屬是否會存在二次釋放的風險，仍待進一步探討。

(3)某些生物炭對重金屬的吸附固定的效果可能受到生物炭本身的影響，導致生物炭對重金屬離子的吸附效果不佳，現有學者將生物炭結合功能性微生物聯用修復重金屬污染土壤，發現接種微生物的生物炭可以進一步提高對重金屬的吸附固定作用。然而，生物炭和功能性菌株的聯合作用對重金屬形態影響過程中土壤微生物作用機理尚不清楚，可以嘗試通過建立“生物炭-微生物-重金屬”體系，借助多組學手段，深入研究聯合作用對重金屬形態的影響機理。