椰纤维生物质炭对土壤中铅的吸附：地球化学和光谱学研究

　　生物质炭作为环境友好的钝化剂在土壤重金属污染修复研究领域受到广泛关注。土壤中的矿质氧化物（如氧化铁）、粘土矿物和有机质等组分在重金属固定方面能发挥重要作用，诸多研究发现添加生物质炭可显著提高酸性土壤对重金属的吸附能力。然而，生物质炭改性土壤中生物质炭颗粒、矿质氧化物、粘土矿物和有机物对土壤中重金属吸附能力的强弱及其钝化重金属的机理仍未研究清楚。海南大学和佛山科学技术学院一个合作研究组对椰纤维生物质炭（CFB）增强土壤钝化铅（Pb）能力的动态行为及其机理进行了深入研究，相关研究成果发表在2019年9月15日的《Geoderma》上。 

　　上图是椰纤维生物质炭（CFB）增强土壤钝化铅（Pb）能力的动态行为及其机理的概要图。原始土壤颗粒(无生物炭)能提供-FeO(OH)、SiO₃^2-、Al₂O₃和有机官能团的结合位点来固定Pb，但是CFB颗粒可以提供大量吸附Pb能力更强的PO₄^3-和羧基官能团的结合位点。 

　　该组通过地球化学方法研究发现，将CFB按2%和4%（w/w）添加到土壤中老化培养后，混合土壤对Pb（600 mg kg^-1）的有效固定量（EDTA不可提取态Pb）随着CFB添加量的增加而显著提升，即添加CFB能显著增强土壤钝化Pb的能力。Pb污染土壤培养90天时，CFB增强土壤钝化Pb的效果达到最佳并趋于稳定，而培养150天时，添加2%和4% CFB的混合土壤样品中有机质结合态Pb含量较对照土壤分别增加了29.5%和33.5%。 

　　利用北京同步辐射装置4W1B-X射线荧光微分析实验站开展的微X射线荧光（μ-XRF）测试分析，结果显示，在混合土壤样品微区中CFB颗粒比土壤颗粒吸附富集Pb的量更多；利用北京同步辐射装置1W1B-XAFS实验站开展的X射线吸收谱实验分析结果表明，与对照土壤相比，培养150天时混合土壤（添加2% CFB）样品中腐植酸（HA）结合Pb以及Pb₃(PO₄)₂组分分别增加了12.5%和6.1%，而腐植酸（HA）结合Pb组分中Pb(C₂H₃O₂)₂相（含类似于C-O-Pb-O-C结构的羧酸Pb）约占71.3%。总体而言，当CFB改性土壤受到Pb污染时，原始土壤颗粒(无生物炭)能提供-FeO(OH)、SiO₃^2-、Al₂O₃和有机官能团的结合位点来固定Pb，但是CFB颗粒可以提供大量吸附Pb能力更强的羧基官能团和PO₄^3-的结合位点，因此CFB改性土壤比对照土壤具有更强的Pb钝化能力。 

　　该研究为理解添加生物质炭对钝化污染土壤中Pb的动态行为与机理提供了科学线索。在此类研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组测定了重金属在生物质炭颗粒和土壤颗粒上的空间分布状况，以及土壤各组分固定重金属的分子形态。据研究组组长、海南大学热带作物学院教授吴蔚东介绍，生物质炭对重金属等污染物的吸附、沉淀、络合及螯合等理化反应主要发生在生物质炭的表壁，因此，在生物质炭基修复剂推广应用之前，生物质炭及其改性材料在吸附钝化重金属等污染物过程中的界面反应机理有待进一步研究。更精细的同步辐射光斑将必定会有助于微区原位解析生物质炭基修复剂材料吸附固定重金属等污染物的分子机理。 

　　发表文章： 

　　Jianhong Li ^#, Shan-Li Wang^#, Lirong Zheng, Dongliang Chen, Zhipeng Wu, Yu Xie, Weidong Wu^*, Nabeel Khan Niazi, Yong Sik Ok, J？rg Rinklebe, Hailong Wang^* Sorption of lead in soil amended with coconut fiber biochar: Geochemical and spectroscopic investigations. Geoderma 350(2019), 52–60.