土壤中生物碳的老化过程与复合污染控制的耦合作用及机理

Biochar is the product of thermal degradation of organic materials in the absence of air. Biochar has been described as possible means to improve soil fertility as well as other ecosystem services and sequester carbon to mitigate climate change. Production of biochar by pyrolysis of biomass and its storage in soils is of great potential in carbon sequestration and remediation of contaminated soils, which are the hot topic in the fields of Environmental Science and Soil Science. However, their coupled effects and mechanisms are not elucidated so far. The main objective of the current project is to elucidate the "weathering" of biochar in soils (i.e., aging) and its co-action with the remediation process of polluted soil with combined heavy metal and organic pollutant. To this end, the biotic and abiotic oxidation of biochar, especially the interaction with soil components (i.e., dissolved organic matters, dissolved aluminum, and silica), microorganisms, root exudes, and plant-microbe signal molecules are determined to explore the physical, chemical and biological stability of biochar. The dependence of biochar stabilities on the structural features and conformation of aging biochars are illustrated. Sorption of heavy metal and organics by various aged biochars (generated from different pyrolytic temperature and precursor materials) are measured thereafter, and the molecular interaction mechanisms are discussed by correlating the sorption capacity and affinity parameters with the structural characteristics of the sorbent. Colonization of microorganisms on the surface of biochar and its effect on the transport and transformation of heavy metal - organic pollutants are specially investigated to reveal the synergy mechanism of carbon sequestration and contamination remediating process. These results would provide theoretical guidance and technology support to achieve carbon sequestration, heavy metal-organic polluted soil remediation, revegetation and restoration simultaneously, which help protect the soil environmental quality and safety in China, and keep sustainable and high-efficient use of soil resource.

由于特殊结构和功能，生物碳在土壤固碳、污染控制与修复中具有巨大的应用潜力，引起国际环境和土壤领域的极大关注。本项目旨在探明土壤中生物碳的老化过程与复合污染控制的耦合作用及机理。研究土壤中生物碳的非生物和生物氧化作用，特别是生物碳与土壤组分(如DOM、Al、Si)、微生物、根系分泌物、植物-微生物信号分子的相互作用，从微观尺度和分子水平上探讨生物碳的物理化学-生物稳定性与结构特征和存在状态之间的关系；系统研究不同老化特征的生物碳与土壤中重金属、有机污染物的相互作用、分子机理、构-效关系及其影响因素(如生物碳制备工艺及前体物质)；重点探究土壤中生物碳的老化过程-内源生物活性物质诱导-外源复合污染物修复的耦合作用及机理，阐明定植于老化生物碳的趋向性微生物的原位修复功能及时效性。试图为同步实现土壤复合污染控制-土壤固碳双目标提供理论指导，为保障我国土壤环境质量安全和可持续高效利用提供技术支撑。

该项目研究了生物碳的分子结构、表面性质及表征方法，生物碳与有机污染物的相互作用及分子机理，碳质材料石墨烯与污染物的相互作用及分子机理，生物碳缓解铝毒作用机理及土壤改良方法，生物碳与微生物的相互作用及土壤污染修复应用。主要创新点如下：（1）建立生物碳的表面含氧官能团及其离解常数的定量研究方法，生物碳颗粒表面主要含有四类酸/碱基团，其pKa值为1.44-2.51、5.15-6.47、7.36-9.51和10.1-12.5，对应的官能团分别为质子化羧基、羧基、酯化或（成氢键）的羧基（或羟基）和羟基。（2）揭示了生物碳的多级精细纳米结构、模型及其原位表征方法，首次观察到了原子级生物碳的芳香性原子簇结构，其尺寸大部分小于5 nm。提出了生物碳从宏观到微观、从相态到原子的四级结构：非均相结构  类石墨烯团聚体  纳米尺寸的芳香原子簇  原子排布，为生物碳的功能化改性和应用提供原子级层面的指导。（3）探明了生物碳中碳和硅的结构、形貌演变及溶出特征，首次提出了水稻秸秆生物碳的C-Si结构演变模型，用以解释生物碳随温度变化过程C-Si溶出和形态变化的现象。（4）发现生物碳中碳质稳定性的碳-硅耦合保护机制。（5）建立了生物炭的芳香性结构、吸附性能的预测方法与定量模型，为简单预测生物碳的结构和吸附行为提供了一种新思路。（6）生物碳对高氯酸根的主要吸附位点为其表面有机含氧官能团，高温生物碳表面芳香特性和疏水性质则诱导产生氢键强相互作用。（7）揭示了碳质材料石墨烯对有机污染物的吸附作用和分子机理，率先揭示了碳质表面的纳米结构、表面褶皱、表面氧化碎片纳米颗粒的调控作用。（8）首先揭示了生物碳长期缓解铝的植物毒性的新机制，即生物碳溶出的生物硅在植物体内与Al形成的复合物，该效应具有长期性，为选择合适生物碳并用于酸性土壤改良提供重要理论依据。.该项目已完成项目计划研究内容和各项指标。项目共发表SCI论文26篇，其中25篇论文IF>5、15篇发表ES&T；5篇入选ESI高被引论文、1篇入选亮点论文；出版英文专著1章。1项成果获2013年国家自然科学二等奖（排名第2）；参加国际/国内会议31人次。培养博士/硕士研究生12人、博士后1人。陈宝梁入选2014年国家杰出青年基金获得者、2015年农业部“土壤污染缓解与控制”创新团队、2016年教育部长江学者特聘教授。