生物炭对于镍(II)和锌(II)的固定以及受污染地区的植被重建的长期效应外文翻译资料

 2022-11-24 15:37:37

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生物炭对于镍(II)和锌(II)的固定以及受污染地区的植被重建的长期效应

Zhengtao Shen a,*, AmeliaMd Som b, Fei Wang a, Fei Jin a, Oliver McMillan a, Abir Al-Tabbaa a

摘要：为了检验生物炭对于金属固定的长期效应以及在英国卡斯尔福德受污染地区完成植被重建，研究人员在该地区进行了土地修复处理。在碳酸浸提液试验中，镍(II)和锌(II)被提取的含量在三年内减少了83-98%。处理三年后，镍(II)和锌(II)被提取的含量，与在同一地区以平行方式进行水泥基试验所提取的含量相当。分级抽提的结果显示，加入生物炭(0.5-2 %)后，通过竞争性吸附作用增加了土壤中镍(II)（从51%到61-66%）和锌(II)（从7%到27-35%）的残渣部分的含量，这可能导致在进行处理的三年后，加入生物炭的试验小区内镍(II)（从0.35%到0.12-0.15%）和锌(II)（从0.12%到0.01%）的可浸出性与没有加入生物炭的试验小区相比更低。该地试验小区内植被生长失败。更多的实验室研究指出在该地区成功进行植被重建需要更多的生物炭（5%或更多）和堆肥（5%或更多）。这项研究指出了生物炭应用在受污染地区的重金属固定方面的长期效应与潜能。

关键词：生物炭；重金属；可浸出性；分级抽提；植被重建；土壤修复

要点：1、碳酸渗滤液中镍(II)和锌(II)的含量减少。

2、分级抽提中的残渣部分因为加入生物炭而增加。

3、加入生物炭的试验小区内金属的可浸出性更低。

4、在该地区进行植被重建需要更多的生物炭和堆肥。

5、提出了生物炭对于金属固定的长期效应。

图片摘要：

1.介绍

生物炭是由生物残体在缺氧的情况下，经高温热解产生的一类富含碳素的固态物质。它被用于将碳以一种更加稳固的形式储存(Lehmann et al., 2008; Sohi, 2012)。它的原料通常来源于农业绿色废弃物（肥料、作物残茬、树、草等）、工业绿色废弃物和城市污泥(Beesley et al.,2011)。在高温热解时它的副产物（生物油和合成气）可以作为绿色能源使用(Lehmann et al.,2008)。此外，由于它高孔隙度的微结构，活性官能团，高pH、表面积和阳离子交换容量(CEC)，生物炭可以通过吸附作用，离子交换作用，表面络合和沉淀作用高效固定污染物(Beesley et al., 2011; Bian et al., 2014;Zhang et al., 2013)。与传统的修复材料（例如水泥，石灰和黏土）相比(Du et al., 2012; Jiang et al., 2014)，生物炭同样有助于植物重建和修复受污染的土地(Beesley et al., 2011)。上述对于土地的稳定性和可持续发展能力以及减少污染物对于人类和周围生态环境的长远风险而言，都是关键的过程(Arienzo et al.,2004; Ruttens et al., 2006)。因此，生物炭是一种前景良好的材料，由于其具有多重环境效益，它有可能被应用到土壤修复中。

大量的研究强调了生物炭对于消除水溶液中污染物的作用(Inyangetal.,2012; Kołodyńska et al., 2012; Meng et al., 2014)。最近的研究也指出了生物炭在土壤修复中的短期成功应用。比如说，Rees et al. (2014)观察到，在土壤中加入80%的松类和20%的硬木类生物炭，一周后，土壤中可提取的镉(Cd)(II)、铅(Pb)(II)、铜(Cu)(II)、镍(Ni)(II)和锌(Zn)(II)的含量减少了。同样地,Uchimiya et al. (2012)观察到，在受污染土壤中加入棉籽壳生物炭后的一周内，进行固体废物毒性浸出试验(TCLP)，铅(II)、铜(II)和锌(II)的含量减少了。Beesley and Marmiroli (2011)也观察到，用硬木类生物炭处理，八周后，柱渗滤液中的金属含量减少了。Houben et al. (2013)发现，用芒草生物炭修复土壤，56天后，用CaCl2提取的镉(II)、铅(II)和锌(II)的含量减少了。这些短期的发现说明，生物炭在土壤修复方面的应用是可行的，然而很少有长期研究被付诸实践。Bian et al. (2014)使用小麦秸秆生物炭处理一块农用土地，这块土地受到镉(II) (0.2 mg/kg)和铅(II) (12.9 mg/kg)的轻微污染。他发现用CaCl2和DTPA提取的镉(II)和铅(II)的含量减少了，同时作物的生物量也减少了。然而Lucchini et al. (2014a)，用木屑生物炭处理一个轻度污染的农用土地（8–9mg/kg的镍(II)以及33–38mg/kg的锌(II)），三年后，他没有观察到土壤或植物中所有金属的含量有任何明显的改变。因此，用生物炭处理过的受重金属污染的土壤中的重金属固定的长期稳定性，仍旧不清晰，需要更多的调查研究，而这恰好对于证实生物炭在实践修复工程中的应用可行性十分关键。在目前的研究中，2011年，由英国阔叶硬木制成的Salisbury生物炭被应用于英国的一个受污染的地区。为了帮助植被重建,研究人员在土壤中加入了少量堆肥为植被的生长提供营养。三年后，研究人员研究了处理对于该地区的土壤中的镍(II)和锌(II)的可浸出性及物种形成的效果。最后，由于这段时间内植被重建的程度可以忽略不计，研究人员在实验室内研究了生物炭和堆肥的处理水平对于该地区土壤的植被重建的影响。

2.材料与方法

2.1.试验地点信息

该项研究选用的田块面积大约为2公顷，位于Castleford, West Yorkshire, UK。根据国家气象局提供的信息，该地区年平均降水量为600-700毫米。其他文献(Wang et al., 2015)已经指出了该地区的土层与污染物信息。总的来说，该地区展现了第一次世界大战中以及第二次世界大战前的这段时间内建立的各种化学工厂导致的高度土壤异质性以及高度污染物水平。在生物炭应用区域，“一穴一试验”的研究说明了主要的镍(II) (200–740mg/kg)和锌(II) (150–810mg/kg)(该项研究的主要关注点)以及其他若干污染物（铜(II)，铅(II)，铬(III or XI)和石油烃）的存在。

2.2.生物炭、堆肥和处理

源于英国阔叶硬木的Salisbury生物炭被应用到该项研究中，因为它在英国硬木类生物炭中具有较高的的可用性和可持续性(Shen et al., 2015)。Salisbury生物炭产于Southern Woodland products (Salisbury, UK)。它是在600℃的热解温度下，在长达13.5个小时的反流时间生成的。反流时盖子被盖上，但是在生成过程中没有额外的保护气体被加入其中。每次燃烧要消耗600kg生的硬木。其他文献(Shen et al.,2015)已经指出了这种生物炭的理化性质和吸附特性。总的来说，生物炭样本性质如下：pH6.96，比表面积5.30m2/g，阳离子交换量7.20cmol/kg,含碳量79.91%，含氮量0.73%以及镍(II)和锌(II)含量都低于0.01%。堆肥购买自Biogran Natural (Bath, UK)。由供应商提供代表性成分说明，堆肥大约由50%的pH7.2的有机质组成。它的代表性元素包括3.4%氮，4.4%磷和0.3%钾。

2011年5月该地区应用处理。野外试验设计包括四个试验小区，小区的计划面积是每块1m2，宽2m，小区之间互相间隔大约0.5m。在考虑了该地区的污染物水平、生物炭的吸附能力和工程费用之后(Shen et al., 2015)，试验小区内生物炭的用量被定为0%，0.5%，1%和2%(W/W)，试验小区分别标记为TP0、TP1、TP2和TP3(Table A1)。此外，正如Beesley et al. (2011)所建议的，0.5%(W/W)的堆肥被添加至每一个小区，为植被重建提供营养。试验小区首次翻耕时，用搅拌器将土壤、生物炭和堆肥彻底混合。每个试验小区播种100g草种,在之后的15天内，试验小区每两天灌溉一次，直到其对外部环境开放。该草种被命名为“快速生长草种”，由50%紫草茅和50%黑麦草混合而成，购买自Westland Garden Health, UK。

2.3.该地区土壤的化学分析

处理三年后，研究人员采集土壤样品来验证该处理的长期效应。三个样品（分别取自0-10cm深度的土壤）分别取自每个小区的不同位点。土壤在40℃的烘箱中烘48个小时，然后经过均质处理组成每个小区的代表性样品。土壤至少过2mm筛，然后用样品袋密封保存，以供日后的分析使用。根据全自动粒径检测仪(lt;2mm) (Particle Sizing Systems, California,USA)的粒度分析，该小区有97%的土壤的粒径为0.05-2mm。

2.3.1.该地区土壤的碳酸浸提

标准的浸提试验被广泛使用，起到评估有毒有害元素从固体废弃物中释放的潜力的指示作用(Wang et al., 2014)。该项研究中运用了碳酸浸提（以BS EN12457-2为基准）。首先将10g烘干土样与100mL碳酸混合(pH=5.6)，然后以20rpm的转速离心24个小时。然后将混合物用0.45mu;m的滤膜过滤，再用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)检测渗滤液中的金属含量(Perkin-Elmer, 7000DV)。

2.3.2.该地区土壤的分级抽提

再将土样用五步分级抽提法进行分析（以Li et al. (1995, 2001); Tessier et al. (1979) 和Wang et al. (2014)为基础），从而决定处理三年后土壤中重金属的种类。金属通过下列步骤被分段进入五种操作性定义的部分：

步骤1-可变部分（无特殊吸附性）：土样(1g)被pH为7的8mL 0.5M MgCl2提取，通过在室温下连续搅拌20分钟的方式；

步骤2-被CO32-/PO42-吸附的部分（特异性吸附）：步骤1的残渣被8mL 1M NaOAc（用HOAc调节pH至5.0）提取，通过在室温下连续搅拌5个小时的方式；

步骤3-被铁/锰氧化物吸附的部分：步骤2的残渣在25%(V/V) HOAc作用下用20mL 0.04M NH2·OH·HCl提取，然后在96℃下偶尔搅拌，如此持续6个小时；

步骤4-与有机物吸附的部分:步骤3的残渣用3mL 0.02M HNO3和5mL 30%H2O2（用70%HNO3调节pH至2.0）提取。随后将混合物在85℃条件下加热2个小时，偶尔搅拌。冷却后，加入3mL 30% H2O2（用70% H2O2调节pH至2.0），萃取物在85℃条件下加热3个小时，偶尔搅拌。冷却后，在20% H2O2条件下加入5mL 3.2M NH4OAc，然后连续搅拌混合物30分钟；

步骤5-残渣部分：步骤4的残渣用9mL 36% HCl和3mL 70% HNO3在室温下分解16个小时，然后在95℃的条件下加热2个小时。

研究人员使用转速200rpm的搅拌器进行连续搅拌。每个步骤之后，样本都要在室温条件下在3000rpm的转速下离心10分钟。然后收集上清液，用0.45mu;m的滤膜过滤，如果有需要，则在用ICP-OES分析前酸化或稀释滤液。剩余的固体样本在下个提取步骤之前用8mL去离子水冲洗，然后洗涤液在经过10分钟的3000rpm转速的离心之后丢弃。

将分级抽提的每一个步骤提取所得的重金属含量求和可得土壤中重金属的总量。该项研究的所有试验分析都在温度控制在20plusmn;1℃，湿度控制在50plusmn;2%的实验室中进行，以部门实验室水平为基准。

2.4.植被生长试验

视觉评估显示四个试验小区内没有任何植被生长的迹象。研究人员进行了更多的实验室试验，他们在从该地区采集的土壤中加入一系列生物炭和额外的堆肥。包含0-20%(W/W)生物炭和0-40%(W/W)堆肥的混合土样(50g)被放入发芽罐。罐子被覆盖以防止土壤干燥，然后进行一整晚的培育。之后在每个罐子内播种1g草种（与该地区应用的处理一样），每天浇水10mL。罐子被放在台面上，置于荧光下，保持温度为20plusmn;1℃，保持相对湿度为50plusmn;2%。四周后收获，将其放在有辅助风扇的烘箱内，80℃条件下烘三天，然后称重。

2.5.质量保证和质量控制

根据Perera et al. (2005)的研究结果，一个先进的质量保证(QA)和质量控制(QC)系统正在发展和实行。该项工程中关于QA和QC的细节在SMiRT工程最终报告中得以体现(Al-Tabbaa and Liska, 2012)。总的来说，在应用前，市面上可以买到的并且质量受控的生物炭和堆肥源于Southern Woodland products (Salisbury, UK)以及Biogran Natural

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