外源生物炭对典型除草剂环境行为及毒性效应的调控

The extensive use of herbicides in agriculture causes the contamination and ecological risk in groundwater and rivers due to leaching and surface runoff of the hebicides. Biochar has unique physicochemical properties, resulting in its capacity to sequestrate organic pollutants. Thus biochar is widely used as soil conditioner to regulate the migration, transformation and bioavailability of pesticides. On the other hand, biochar may inhibit microbial degradation of pollutants in soil, and it is still not clear how biochar contributing to the reduction of bioavailability. Additionally, information on the impact of biochar on toxic effect of herbicides to aquatic organisms is scarce. Accordingly, this project plans to prepare and screen biochar to achieve specific adsorption to the representative herbicides with the consideration of re-utilization of agricultural wastes. The effect of biochar on the migration and transformation of herbicides in soil-water system will also be investigated to understand the mechanism. Finally, the impact of biochar on herbicide toxicity to aquatic organisms will be studied by using aquatic invertebrates Chironomus dilutus as the test organism. Multiple toxic endpoints will be used in the bioassays. To study the impacts of biochar on the fate and toxicity of herbicides at the same time, the relationship between the sorption characteristics of biochar and the bioavailability of the target herbicide will be better elucidated, and subsequently providing the supporting data for using biochar for remediation of agricultural non-point source pollution.

农业生产中施用的除草剂可通过淋溶和地表径流进入地下水和河流，引起水体的污染，及潜在的生态风险。生物炭独特的理化特性具备“锁控”有机污染物的作用，在农业和环境科学领域中常被作为土壤改良剂来调控农药在环境介质中的迁移转化和生物有效性。然而生物炭输入也会抑制微生物对污染物的降解作用，对降低生物有效性的贡献目前仍不明确，生物炭对除草剂对水生生物毒性调控的研究也相当匮乏。据此，本项目在农业废弃物资源化再利用的背景下，制备和筛选针对典型除草剂具有特定吸附效果的生物炭，研究外源生物炭调控除草剂在土壤－水体中迁移转化、降解与归趋的作用机制。同时选取水生动物摇蚊作为模式生物，以多种生物测定指标为毒性终点评价生物炭输入对除草剂毒性效应的影响。通过研究生物炭调控除草剂环境行为和毒性效应两方面相结合，有助于阐明其吸附特性和污染物生物有效性之间的关系，为生物炭修复农业面源污染提供支撑数据。

农业生产中施用的除草剂可通过淋溶和地表径流进入地下水和河流，引起水体的污染，及潜在的生态风险。生物炭独特的理化特性具备“锁控”有机污染物的作用，在农业和环境科学领域中常被作为土壤改良剂来调控农药在环境介质中的迁移转化和生物有效性。本项目在农业废弃物资源化再利用的背景下，制备和筛选针对典型除草剂具有特定吸附效果的生物炭，研究外源生物炭调控除草剂在土壤－水体中迁移转化、降解与归趋的作用机制。同时选取水生动物摇蚊作为模式生物，以多种生物测定指标为毒性终点评价生物炭输入对除草剂毒性效应的影响。通过研究生物炭调控除草剂环境行为和毒性效应两方面相结合，有助于阐明其吸附特性和污染物生物有效性之间的关系，为生物炭修复农业面源污染提供支撑数据。项目研究表明：（1）温度和生物质原材料是影响生物炭理化性质和吸附特性的主要因素，植物源生物炭富含纤维素等成分，热解中生成一次性挥发分，故产率较动物源生物炭低，随裂解温度升高生物炭呈芳香性增强、亲水性和极性减弱的过程，植物源生物炭的pH、C、灰分、Cl、P和K 等元素含量升高，H、O、N、S等元素含量下降，而动物源生物炭的C含量呈下降趋势，其灰分含量和养分含量大于植物源生物炭。（2）温度越高制备的生物炭对异丙隆的吸附效果越好，温度达到750 ºC时的生物炭对异丙隆的吸附率均接近100%，自筛菌种B-16对异丙隆的降解效果好于购买的恶臭假单胞菌，在5天内降解率达到39.3%。（3）毒理实验结果显示生物炭毒性对摇蚊的影响非常有限，只有添加0.2%的350 ºC中药渣生物炭组，摇蚊的死亡率超过20%，对摇蚊产生毒性可能是成分极其复杂的中药渣中含有酚羟基或醇羟基等基团的物质，在高温中发生裂解，而水稻壳生物炭能有效改变异丙隆对摇蚊的毒性，生物炭比例越高，摇蚊死亡率越低。（4）野外实验表明，生物炭显著提高了土壤 pH值和有机质含量，其提升幅度随施用量的增加而升高，而土壤CEC随生物炭施用量的增加先升高后降低。生物炭施用量为30 t/hm2时，土壤速效钾含量是CK处理的3.1倍，但不同生物炭处理对土壤碱解氮含量的影响则没有显著性差异。生物炭通过提高土壤pH值和有机质含量，实现了对南方酸性土壤的改良。对玉米的生长发育和产量均有促进作用，同时考虑到污染程度、经济成本以及农业生产的实际需求，应该因地制宜地选择合适的生物炭种类和施用量。