生物质炭的氧化还原特性对稻田土壤中砷迁移转化的影响机制

The application of carbonized crop straw back to soil is reported to trigger potential environmental risk by mobilizing arsenic in flooded paddy soil due to its redox property. Therefore, understanding the mechanisms of biochar redox property in regulating arsenic mobilization will direct the development and modification of biochar properties toward minimized arsenic-mobilizing potential, which helps safe and sustainable application of crop straw biochar in modern agriculture. In this project, the heteroatom doped- and metal oxides loaded-biochars are prepared. The state-of-the-art characterizations such as materials, electrochemical, microbiological measurements combined with density functional theory calculations are employed to unravel the inherent mechanisms for regulating of redox property and microbial reduction of ferrihydrite by these biochars. Furthermore, the arsenic sorption capacity by the biochars, the effect of biochar on the fate of arsenic, and the short-term stability of the biochars during microbial reduction of arsenic-bearing ferrihydrite are evaluated. Additionally, the long-term stability of the biochars when they are applied to the soil during the redox cycling of arsenic contaminated paddy soil and the rice cultivation is investigated. The understanding of the fate of arsenic in the presence of biochars from the perspectives of biochar redox property and iron biogeochemistry will help maximizing the environmental benefits while minimizing potential environmental risks when crop straw derived biochars are applied to arsenic contaminated paddy soil as an soil conditioner.

尽管炭化还田是秸秆资源化利用的途径，但研究发现生物质炭会加速还原条件下土壤中砷的释放，而该过程与生物质炭的氧化还原特性密切相关。因此，解析生物质炭氧化还原特性的调控机制，并从氧化还原的角度寻求生物质炭改性方法，以阻止砷的释放，是当前秸秆炭化还田迫切需要解决的问题。基于此，本项目拟结合材料学、电化学、微生物学和密度泛函理论计算等方法探明生物质炭中的掺杂非金属和负载金属氧化物对其氧化还原特性的调控机制及其与微生物还原铁矿过程的耦合关系；研究生物质炭介导微生物还原铁矿过程中对砷迁移转化的影响及其自身的稳定性；开展稻田土壤厌氧/好氧培养实验和水稻盆栽实验，评估生物质炭对砷的阻控能力及其长效性。本研究将从生物质炭的氧化还原特性和铁的生物地球化学循环的角度，识别生物质炭引发砷释放的机制，探寻秸秆炭化还田的安全利用方式，为实现稻田土壤砷污染的阻控提供理论支持。

尽管炭化还田是秸秆资源化利用的途径，但研究发现生物质炭会加速还原条件下土壤中砷的释放，而该过程与生物质炭的氧化还原特性密切相关。因此，解析生物质炭氧化还原特性的调控机制，并从氧化还原的角度寻求生物质炭改性方法，以阻止砷的释放，是当前秸秆炭化还田迫切需要解决的问题。本项目首先建立了电化学、化学试剂法和微生物-化学试剂法表征生物质炭和复杂土壤样品氧化还原特性的方法。探明了生物质炭中的非金属掺杂对生物质炭氧化还原特性的调控策略：生物质炭中吡啶氮和吡咯氮含量的增加，可以提升生物质炭的得失电子容量，从而加速微生物还原铁矿，并且生物质炭中吡啶氮和吡咯氮比醌类基团具有更快的电子传递速率；生物质炭中的磷掺杂不能明显提升其氧化还原特性；生物质炭中的硫掺杂可以显著提升生物质炭的氧化还原特性，在介导含砷铁矿厌氧还原的同时，可以固定厌氧释放的砷。论证了生物质炭在不同生境中调控砷环境行为的机制。在好氧环境中：低温生物质炭的砷氧化能力主要要具有失电子能力的酚类官能团调控；氮掺杂可以提升高温生物质炭的比表面积和引进含氮杂原子增大其比表面积比电容，促进三价砷的氧化。在铁还原环境中，解析了氧化还原波动环境中不同金属氧化物负载对其砷固定能力的影响：生物质炭中负载的铁氧化物在还原条件下会发生还原溶解，进而影响其厌氧砷固定能力；而生物质炭中的二氧化钛可以在氧化还原波动环境中稳定固定砷。在砷还原环境中：生物质炭可以通过竞争微生物代谢产生电子抑制厌氧泥浆中砷的还原；生物质炭的得失电子容量和生物质炭的比电容越高，抑制砷还原的能力越强。在硫酸盐还原环境中：微生物可以介导硫离子与三价砷在生物质炭的微孔孔道中生成无定型的三硫化二砷，实现硫酸盐还原环境中砷的高效固定。孔改性生物质炭既可以抑制土壤中砷的释放，阻控稻米中砷的累积，又可以在硫酸盐还原环境中高效固定砷，在稻田砷污染阻控方面具有广阔的应用前景。