生物碳对土壤中多环芳烃生物有效性的影响及调控机制

生物碳(Biochar)是秸秆等生物质限氧热解产生的富含碳颗粒，在土壤改良和"固碳"中应用潜力巨大，引起国际土壤和环境界极大关注；但有关生物碳在土壤有机污染过程、控制与修复中的作用急需研究。本项目旨在探明生物碳对土壤多环芳烃(PAHs)迁移转化行为特别是生物有效性的影响及调控机制。研究生物碳与土壤有机质、黏土矿物和微生物的相互作用，探讨其结构变化规律和稳定性；系统研究不同结构和组成的生物碳对土壤PAHs的吸附-锁定作用机理、构-效关系及其影响因素(如作用时间)；重点探讨生物碳对植物吸收积累土壤PAHs的阻控作用机制、稳定性及时效性，生物碳定植微生物颗粒对PAHs增强吸附-强化生物降解的协同作用机理，生物碳"增强吸附固定-阻控植物摄取-强化生物修复"一体化技术的工艺过程及生物有效性调控原理，试图为有机污染土壤地区生产安全农产品的同时，实现污染土壤高效、安全的原位修复提供理论依据和技术指导。

该项目研究了生物碳的结构特征与其炭化温度之间的关系，重点研究了生物碳吸附有机污染物、重金属、高氯酸根阴离子污染物、Al的性能、作用机理及构效关系，深入探讨了生物碳在土壤污染和土壤退化修复中的作用及机制。主要创新点如下：（1）率先发现生物碳中存在“快吸附”和“慢吸附”的两室区域，炭化温度是生物碳吸附动力学行为的关键调控因子；揭示了生物碳分配介质的极性大小和紧密度共同决定HOCs扩散系数，是产生慢吸附的本质原因；定量描述了快、慢吸附的相对贡献率。（2）发现慢吸附生物碳具有独特的吸附热力学行为和共溶质效应, 提高吸附溶液温度或共溶质存在下, 生物碳表面吸附和分配作用均提高, 不符合经典分配理论或表面吸附现象; 揭示了其微观机制为表面吸附的炭化组分和分配作用的非炭化组分不是单独隔离存在, 而相互交错包裹所致。（3）生物碳对高氯酸根的吸附作用取决于生物碳表面极性和有机组分，而非无机矿质组分；生物碳表面含氧官能团是高氯酸根主要的吸附位点，而氢键是除了静电引力外的主要作用机制，高温生物碳表面芳香特性和疏水性质使得表面吸附位点暴露并进一步强化了对高氯酸根的氢键作用。（4）率先发现生物碳对植物铝毒的高效缓解作用，揭示了其分子机理为生物碳的碱性石灰效应和吸附锁定共同作用所致，为生物碳用于土壤质量改善和持续缓解铝毒提供理论依据；生物碳对Al的吸附主要是通过羧基和Al(OH)2+/Al(OH)2+ 的表面络合作用，氧化生物碳表面引入了羧酸基团，而成为绑定Al3+新位点；发现生物碳上的有机组分和硅颗粒是吸附Al的两个主要点位。羟基和羧基官能团对Al的表面络合作用和硅颗粒对Al的沉淀作用（KAlSi3O8）是生物碳吸附Al的两个重要途径。（5）提出了土壤有机污染增强吸附固定-强化生物修复的一体化新方法，发现生物碳作为强吸附剂，可同时富集土壤中PAHs污染物和高效降解微生物，同步实现污染物的老化锁定和生物降解。.该项目已完成项目计划研究内容和各项指标。项目共发表或录用学术论文22篇，其中SCI收录论文20篇（6篇发表在ES&T）；1项成果获2013年国家自然科学二等奖（排名第2），1项成果获教育部科技进步一等奖(排名第3)；参加9次国内/国际学术交流，发表会议论文10篇。培养博士生、硕士生7人。