生物炭表面官能化改性及对土壤中多环麝香类污染物迁移的影响机制

Biochars can enhance the sorption and immobilization of hydrophobic organic contaminant (HOCs) in soils. The surface functional groups and microcellular structure can be changed by the surface modification technology, and the adsorption ability on special pollutants may be enhanced. However, there were few reports about the remediation polluted soil by adding surface modification biochars. Polycyclic musks (PCMs), which are new emerging contaminants have been determined in various environmental media and been considered as an important kind of pollutants in pharmaceutical and personal care products (PPCPs). Since these pollutants were hydrophobic and persistent, the pollution problem of PCMs has attracted remarkable attention. Thus, in this project, the biochars will be used as adsorbent to study the effect on the transport and fate of PCMs in soil. A series of biochars will be produced by using different surface modification technology. XPS, FTIR, SEM, etc. will be used to characterize the surface features of modified biochars. The impact of biochars on sorption/desorption behavior of PCMs will be studied to unveil the mechanisms governing the sorption of PCMs. The semipermeable membrane passive sampling method, earthworm uptake and plant uptake study will be applied to assess the bioavailability of PCMs in soil as affected by surface modified biochars. The overall objects of this project are to explore the environmental benefits of biochars as well as provide data to better understand the environmental fate and the control measures of PCMs in the contaminated soil.

生物炭作为土壤改良剂可以有效吸附和隔离土壤中的疏水性有机污染(HOCs)，借助适当表面改性手段，可以改变生物炭表面官能团和微观构造，从而加强特定污染物的吸附特性，但迄今为止，关于生物炭改性强化土壤中HOCs原位修复报道较少。多环麝香(PCMs)作为一类新兴污染物，具有疏水性和难降解性的特征，是药物与个人护理品污染物（PPCPs）重要组成部分。本项目拟以典型PCMs为目标污染物，借助不同改性方法改变生物炭表面物化性质，结合微观表征手段(XPS、FT-IR、SEM等)，从分子水平探讨改性化生物炭对土壤中PCMs吸附/解吸行为影响的微观机理。建立半透膜被动采样技术评价PCMs生物有效性方法，结合吸附特征探讨改性生物炭对PCMs生物有效性影响机制，重点探析改性生物炭对PCMs在土壤-植物系统迁移的调控作用。本项目有望对生物炭生态应用以及评价土壤中PCMs的环境行为和控制措施提供理论依据和技术支撑。

生物炭具有精致的孔隙结构和独特的表面理化性质，可以有效的吸附和隔离土壤中的疏水性有机污染物（HOCs）。借助适当表面改性手段，可以改变生物炭表面官能团和微观构造，从而加强特定污染物的吸附和适配机制，多环麝香（PCMs）作为一类新型污染物，具有疏水性和难降解性的特征，已成为药物与个人护理品污染物（PPCPs）重要组成部分。本项目通过利用不同原材料和不同改性方法，制备表面官能化生物炭，利用TECAMs、赤子爱胜蚓以及植物吸附等方式研究表面官能化改性生物炭对PCMs生物有效性的影响，取得的主要成果如下：.（1）选择松针、玉米芯和小麦秸秆作为原材料，在不同温度条件下（400℃和700℃）制备生物炭，对其元素组成和表面结构特征进行了全面分析。热解温度的升高使生物炭中碳元素含量显著增加，芳香性显著增强且极性减弱；随着热解温度升高，生物炭的比表面积明显增大。.（2）选取典型多环麝香（HHCB和AHTN）为研究目标物。对PCMs在生物炭上的吸附动力学和吸附等温线进行了研究，比较了不同原料和不同温度下制备生物炭对PCMs的吸附特征。不同原料制备的生物炭对HHCB和AHTN的吸附能力大小差异较大，其中比表面积是决定吸附量的重要因素，研究了不同表面官能化改性方式（酸化、碱化、N2改性和微波改性）对PCMs的吸附影响，其中N2改性能够增强吸附能力，主要是因为N2改性使得生物炭极性降低，孔径更为发达。.（3）利用TECAMs和赤子爱胜蚓研究制备改性生物炭对土壤中PCMs生物有效性的影响。结果表明TECAMs中HHCB和AHTN的含量与蚯蚓体内HHCB和AHTN含量呈显著的线性关系( p < 0.05; n = 5)，改性生物炭能够明显降低土壤中PCMs在TECAMs和蚯蚓中的富集。.（4）采用小油菜和樱桃萝卜为模式生物，研究了改性生物炭对PCMs在土壤-植物系统中迁移的调控作用。小油菜根部对PCMs的吸收远高于地上部分，通过添加制备的改性生物炭，能够明显降低植物土壤中PCMs的生物有效性，土壤中改性生物炭的含量越高，对PCMs的生物有效性影响作用越大。