海洋生物质类生物炭对近海典型抗生素环境行为的影响及作用机制

Occurrences of antibiotics (ATs), a class of emerging contaminants, in coastal water have caused global concerns due to their potential risks to the public health and environment. Biochar, with multiple benefits such as carbon sequestration, soil amelioration, pollution control and ecological remediation, provides an opportunity for ATs contamination control in costal water. However, the lack of information regarding the fate of antibiotics in coastal waters is possibly one of the main reasons for the difficulty of assessing and reducing their potential risks. Therefore, this project focuses on production and characterization of biochar produced from coastal wetland plants and seaweed at different temperatures (200-600 °C), and sorption and desorption of ATs in coastal water by these biochars. Moreover, the impacts of pH, salinity and dissolved organic matter (DOM) on ATs sorption and desorption by these biochars and the related mechanisms are examined. It can be seen that the result of this project will provide useful data to understand the mechanisms responsible for ATs sorption and desorption onto biochars produced from different marine biomass and environmental behavior of ATs in coastal water, and thus may help to develop the biochar-based technology of ATs control in coastal environment.

抗生素（Antibiotics，ATs）作为一种新型污染物，对近海环境的危害日趋明显。有关水环境中ATs污染物的去除已是环境领域的一个研究热点。具有较大的比表面积和微孔结构，表面官能团丰富的新型环保材料生物炭（Biochar，BC）的出现，为近海ATs污染的控制提供了可能。目前国际上还未见相关的研究报道。本项目利用自行研发的生物炭炭化炉，以滨海湿地植物和海藻等海洋自身丰富的生物质为原料，在不同热解温度（200-600℃）下制备BC，表征其物理化学特性，探明原料种类和热解条件对BC特性的影响机制；研究典型ATs在不同类型海洋生物质BC上的吸附和解吸行为，搞清海水pH、盐度、DOM等海洋水化学条件对ATs在BC上吸附和解吸的影响，揭示其作用机制，为客观评价近海环境ATs污染及控制提供必要的理论数据，为建立适用于海洋环境ATs污染的BC控制技术提供支撑。

近年来，抗生素（Antibiotics，ATs）作为一种新型污染物，对近海环境和生态系统的危害日趋明显。本课题以典型抗生素磺胺甲噁唑（SMX）为研究对象，以三种典型的海洋废弃生物质荻（SG）、海藻渣（SW）和浒苔（EM）为原料，在不同热解温度（200-600℃）下制备生物炭（biochar，BC），表征其物理化学特性，探明了原料和热解条件对BC特性的影响机制，并研究了海水环境条件下SMX在不同类型BC上的吸附行为和机制。研究发现：（1）随着热解温度升高，三种原料的BC产率不断降低，H、O含量逐渐减小，H/C逐渐降低，灰分含量和pH逐渐增加。（2）SMX在三种类型BC上的吸附不仅受限于颗粒内扩散过程，还受到SMX浓度和化学反应速率的影响。（3）Feundlich模型对BC吸附SMX的拟合效果最好（Radj2 = 0.9831~0.9988），Kd值的大小顺序为：SG300 > SG500 > SG700；SW700 > SW300 > SW500；EM700 > EM500 > EM300。三种类型BC对SMX的吸附具有很强的异质性，低浓度SMX溶液中，BC的吸附以表面吸附作用为主，而高浓度SMX溶液中，表面吸附位点逐渐达到饱和，分配作用逐渐占据主导地位。（4）SGBC对SMX的吸附主要是表面官能团结合和疏水性作用；SWBC和EMBC对SMX的吸附主要是灰分的作用和孔填充。π-π作用、负电荷辅助氢键也有利于SMX的吸附。盐度和HA对生物炭吸附SMX具有双重效果。海水中盐离子和HA增加能够与SMX产生竞争吸附，进而减小吸附，另一方面，盐离子增加能够屏蔽生物炭表面电荷，减小静电斥力，而HA能够为BC提供更多的吸附位点，进而促进吸附。本研究为近海环境中ATs污染的评估和控制提供必要的基础数据，为BC技术的应用提供理论和技术支持。这些研究结果有助于建立适用于海洋环境ATs污染的BC控制技术。项目资助发表SCI论文11篇，中文核心论文1篇，待发表论文2篇。培养硕士研究生4名，其中2名已获得硕士学位，2名在读。项目投入经费26万元，支出23.58万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费2.42万元，计划用于本项目研究的后续支出。