生物炭对重金属镉的吸附固化研究开题报告

课题的意义、国内外研究进展、应用前景等（列出主要参考文献）

课题意义：生物炭能固化污染中的Cd、Pb、Zn、Cu等多种重金属，还能提高土壤pH值，此外在自然条件下的氧化老化会增加其表面负电基团而进一步提高其吸附能力，但是土壤动物-蚯蚓在生活代谢过程中对生物炭有着消化降解过程以及对重金属的活化过程，从而研究蚯蚓对生物炭的固化效果是否存在着不可预知的影响。

国内外研究进展：生物炭具有相对较大的比表面积、较高pH值和阳离子交换量，表面富含有含氧官能团，可以通过与重金属形成表面络合物增加土壤对重金属的专性吸附量，降低重金属迁移率，从而减小重金属对植物的毒害作用。施用生物炭可以通过提高土壤pH 值，改变土壤氧化还原电位，从而达到降低重金属生物有效性的目的。另外生物炭能够提高土壤有机质水平，一方面生物炭能吸附土壤有机分子，通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成SOM，另一方面生物炭本身极为缓慢的分解有助于腐殖质的形成，通过长期作用促进土壤肥力的提高。生物炭的多孔性和表面特性能够为微生物生存提供附着位点和较大空间，调控土壤微环境的理化性质，促进有益微生物繁殖及活性。

有研究报导施用生物炭能显著提高土壤pH，由此降低Al、Cu、Fe 等金属可交换态的含量，与此同时增加N、P、K、Ca 和Mg 等植物必需元素的可利用性^[1]。Jiang等^[2]研究发现，在铜、铅和镉复合污染土壤中添加3%和5%的水稻秸秆生物炭后，土壤酸提取态铜、铅和镉浓度分别降低19.7%-100%、18.8%-77%和5.6%-14%。镉污染（50mg/kg）土壤添加桉树和小麦壳制成的生物炭后，土壤有效态镉含量从11mg/kg降至0.5mg/kg^[3]。Fellet等^[4]发现，添加3%的果树枝条生物炭能使矿山尾渣的DTPA 提取态和水取态镉含量分别降低71%和85%,添加10%果树枝条生物炭后，其DTPA可提取态铅含量由39.2mg/kg降至24.2mg/kg，TCLP铅浓度由60mg/L 降至40mg/L。Park 等^[5]研究发现，镉污染土壤（5mg/kg）添加5%的鸡粪生物炭后，土壤可提取态镉含量降低约94%。Houben等^[6]研究发现，添加生物质能降低土壤有效态镉的含量，而且土壤有效态镉含量与pH呈负相关关系，此外通过淋滤试验发现，铅污染土壤（3110mg/kg）添加1%、5%和10%生物炭后，土壤淋滤液中铅的含量分别降低19%、52%和77%。与对照相比，种植在5%和10%生物炭土壤的黑麦草地上部分铅的含量分别降低30%和50%。

蚯蚓是属于环节动物门寡毛纲(Oligochaeta)的一类低等动物，是土壤中最常见的杂食性陆生环节动物。蚯蚓消化能力强、食性广，在生态系统中担当着分解者的角色，人们也利用蚯蚓来处理城市生活垃圾，工业污泥、废渣，以及农作物秸秆、沼气废渣等有机废物。自20世纪90年代以来蚯蚓已经被普遍的用来监测土壤污染的变化以及用于土壤重金属污染修复^[7]。有些蚯蚓种类能存活于重金属污染土壤(包括一些金属矿区)，并能在体内富集一定量的重金属而不受伤害或伤害较^[8]。Hendriks 和Ma^[9]通过室内模拟试验和田间试验，均证明了蚯蚓对Cd 具有极强的富集能力，这与寇永纲等^[10]的研究结论一致，随着Pb 浓度的增加，蚯蚓体内的富集量也增加；单位质量蚯蚓培养期内吸收Pb 量与Pb 浓度梯度表现出极显著差异。同时，蚯蚓对重金属的忍耐和富集能力是有选择性的，对不同重金属最大富集量的出现时间也不相同，对各种重金属的富集量随着培养时间的增加而变化。牛明芬和崔玉珍^[11]通过蚯蚓处理垃圾及纳污河流底泥实验研究发现，蚯蚓可选择吸收并富集垃圾及底泥中的Cd，但对其他重金属元素Pb，Cu，Zn 等并无此种富集吸收现象。

蚯蚓在重金属污染土壤修复中的作用，一方面体现在蚯蚓自身对重金属的耐性及富集吸收，另一方面则可归结为蚯蚓活动对土壤重金属的活化作用。蚯蚓的取食、作穴和代谢等生命活动能大大提高土壤中重金属元素的生物有效性，进而促进植物吸收。同时，蚯蚓还能改善土壤条件，促进土壤养分循环，提高植物产量，进而影响植物对重金属的修复效率。Devliegher 和Verstraete^[12]研究发现蚯蚓通过肠道消化和养分富集两个过程可以提高土壤中植物养分(Mg、Ca、Fe、Mn)和金属元素(Cr、Co)的有效性。Maboeta^[13]在用某Pb、Zn 尾矿土壤培养蚯蚓，发现蚯蚓活动使土壤有效态Pb、Zn 含量分别提高48.2%、24.8%。

Gomez-Eyles等^[14]研究表明蚯蚓的添加增加了土壤中重金属的有效性。蚯蚓活动可以改变土壤的酸碱度，土壤pH也是影响重金属生物有效性的重要因素。Cheng和Wong^[15]研究表明，红壤接种蚯蚓后，土壤pH降低0.03 ~ 0.18，而高砂土的pH则略有升高，不同类型土壤引入不同种类蚯蚓后，土壤pH 改变有一定差异。同时，蚯蚓活动可以分泌大量含有-COOH、-NH2、-C=O 等活性基团的胶黏物质，能络合、螯合重金属，提高土壤中重金属的活性，同时胶黏物质又是微生物的生活基质，会不断被微生物分解。胶粘物质处于不断分泌-不断络合、螯合重金属-不断分解的动态过程中，这将比静态过程更为有力地推动土壤重金属的活化

虽然生物炭的稳定性较好，但是长期的环境作用会导致其理化性质发生一定的改变。经研究发现在水的长期淋洗后，生物炭碱性下降，且长期酸雨淋洗生物炭会由强碱性变成酸性，降低了其修复能力。但也存在生物炭氧化老化后表面C和O含量变化较大，表面官能团的种类和数量也会发生变化，但是不同老化条件下，官能团变化差异比较大，从而影响生物炭对重金属的吸附。另外土壤生物的存在更加为生物炭的固化效果产生了不可控性。大量的研究证明了蚯蚓的活动代谢能提高土壤中重金属的活性，加上生物炭固定重金属的机制类似于土壤有机和无机成分固定金属（即阳离子交换），因此蚯蚓可能会从生物炭表面引起金属解吸。因此有学者提出了生物他在实际修复是需要考虑的的个问题：土壤生物体摄取生物炭吗？蚯蚓对吸附在生物炭表面的金属的生物有效性有什么影响^[16]？有相当多的证据表明，热带地蚯蚓Pontoscolex corethrurus在与炭混合的土壤中吞食生物炭颗粒，但蚯蚓摄取生物炭和矿物土壤颗粒的混合物，而不是单独摄取生物炭颗粒^[17-18]。也有报导土壤动物Collembola能够将生物炭作为食物来完成生命的历程^[19]。而Sizmur等研究发现堆肥能固化土壤中的Cu、Zn和Pb，但增加了As生物炭活性，而蚯蚓的引入减弱了堆肥对Pb和Zn的固化效果^[20]。但也有研究发现蚯蚓对于生物炭和堆肥修复Cu、Pb和Zn污染土壤并没有显著性的影响^[21]。

参考文献：

[1]袁金华等，2012；Yao et al.，2012；李力等，2011；高德才等，2014.

[2]Jiang J, Xu R, Jiang T, et al. Immobilization of Cu (II), Pb (II) and Cd (II) by the addition of rice straw derived biochar to a simulated polluted Ultisol[J]. Journal of hazardous materials, 2012, 229: 145-150.

[3]ZHANG Z, Jun M, Shu D, et al. Effect of biochar on relieving cadmium stress and reducing accumulation in super japonica rice[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(3): 547-553.

[4]Lu K, Yang X, Gielen G, et al. Effect of bamboo and rice straw biochars on the mobility and redistribution of heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn) in contaminated soil[J]. Journal of environmental management, 2017, 186: 285-292.

[5]Fellet G, Marmiroli M, Marchiol L. Elements uptake by metal accumulator species grown on mine tailings amended with three types of biochar[J]. Science of the Total Environment, 2014, 468: 598-608.

[6]Park J H, Choppala G, Lee S J, et al. Comparative sorption of Pb and Cd by biochars and its implication for metal immobilization in soils[J]. Water, Air, Soil Pollution, 2013, 224(12): 1711.

[7]Vasseur P, Cossu LC. Biomarkers and community indices as complementary tools for environmental safety[J]. Environment International, 2003, 28(8): 711717.

[8] Langdon CJ, Piearce TG, Meharg AA, Semple KT. Survival and behavior of the earthworms Lumbricus rubellus and Dendrodrilus rubidus from arsenatecontaminated and non-contaminated sites[J]. Soil Biol. Biochem., 2001, 33: 1 2391 244.

[9]Hendriks AJ, Ma WC. Modelling and monitoring organochlorine and heavy metal accumulation in soils,earthworms and shrews in Rhinedelta Floodplains[J]. Arch Environ. Contam. Toxicol., 1999, 37(1): 7077.

[10]寇永纲, 伏小勇, 侯培强, 展宗城, 白炜, 姚毅. 蚯蚓对重金属污染土壤中铅的富集研究[J]. 环境科学与管理,2008, 33(1): 6264.

[11]牛明芬, 崔玉珍. 蚯蚓对垃圾与底泥中镉的富集现象[J].农村生态环境, 1997, 13(3): 5354.

[12]Devliegher W, Verstraete W. Lumbricus terrestris in a soil core experiment: Effect of nutrient enrichment processes(NEP) and gut-associated processes (GAP) on the availability of plant nutrients and heavy metals[J]. Soil Biol.Biochem., 1996, 28: 489496.

[13]Maboeta MS. The effects of low lead levels on the growth and reproduction of the African earthworm Eudrilus eugeniae (Oligochaeta)[J]. Biol. Fertil. Soils, 1999(30): 113116.

[14]Gomez-Eyles, J.L., T. Sizmur, C.D. Collins and M.E. Hodson 2011. Effects of biochar and the 1100 earthworm Eisenia fetida on the bioavailability of polycyclic aromatic hydrocarbons and potentially 1101 toxic elements. Environ. Pollut. 159: 616-622.

[15]Cheng JM, Wong MH. Effects of earthworms on Znfractionation in soils[J]. Bio. Fertil. Soils, 2002, 36: 7278.

[16]Beesley L, Moreno-Jimenez E, Fellet G, et al. Biochar and heavy metals[J]. 2015.

[17]Ponge, J.-F., Topoliantz, S., Ballof, S., Rossi, J.-P., Lavelle, P., Betsch, J.-M., Gaucher, P., 2006.1281 Ingestion of charcoal by the Amazonian earthworm Pontoscolex corethrurus: A potential for tropical 1282 soil fertility. Soil Biology and Biochemistry 38, 2008-2009.

[18]Topoliantz, S., Ponge, J.-F., 2003. Burrowing activity of the geophagous earthworm Pontoscolex 1363 corethrurus (Oligochaeta: Glossoscolecidae) in the presence of charcoal. Applied Soil Ecology 23,1364 267-271.

[19]Salem, M., Kohler, J., Rillig, M.C., 2013. Palatability of carbonized materials to Collembola. Applied 1304 Soil Ecology 64, 63-69.

[20]Sizmur T, Palumbo-Roe B, Hodson M E. Impact of earthworms on trace element solubility in contaminated mine soils amended with green waste compost[J]. Environmental pollution, 2011, 159(7): 1852-1860.

[21]Sizmur T, Wingate J, Hutchings T, et al. Lumbricus terrestris L. does not impact on the remediation efficiency of compost and biochar amendments[J]. Pedobiologia, 2011, 54: S211-S216.