生物炭影响典型超富集植物吸收土壤Cd的作用机制

The removal of heavy metals in soil is a bottleneck in the application of biochar for heavy metals immobilization. In recent years, studies have found that the use of biochar does not reduce the accumulation of heavy metals in hyperaccumulators, which provides a new idea for the removal of heavy metals from soil after immobilization of heavy metals in biochar. In this study, biochar is to be prepared using different biomass materials and different pyrolysis conditions. The physical and chemical properties and structural characteristics of biochar will be determined. The effect of preparation conditions on the structure and properties of biochar will be investigated. Through the experiment of immobilization of Cd in soil with biochar, combining with the structure and properties of biochar and the effect of biochar on the physical and chemical properties of soil, the contribution of biochar to soil Cd immobilization will be clarified and the mechanism of immobilization will be figured out. To determine the effect of biochar on soil nutrient elements, plant growth and absorption of Cd by typical hyperaccumulators, combining with the adsorption and desorption characteristics and its bioavailability of Cd in the soil, biochar and plant root surface in different plant rhizospheres, the physical and chemical processes of Cd in the three-phase interface of soil, biochar and plant root surface will be clarified, and the mechanism of biochar effect on Cd uptake by typical hyperaccumulators will be revealed. The results provide a new way for the removal of heavy metals in soils after the rapid immobilization of heavy metals in biochar.

土壤重金属的去除是生物炭稳定化应用的一个瓶颈。近年有研究发现生物炭稳定化不会降低超富集植物对重金属的积累，这为生物炭稳定化后土壤重金属的清除提供了一种新思路。本项目拟采用不同生物质原料和不同热解条件制备生物炭，测定生物炭的理化性质和结构特征，明确制备条件对生物炭结构与性能的影响；通过生物炭对土壤Cd的稳定化作用实验，结合生物炭的结构与性能以及生物炭对土壤理化性质的影响，弄清生物炭各结构性能对土壤Cd稳定化的贡献，搞清生物炭对土壤Cd的稳定化作用机制；探索生物炭对土壤营养元素、植物生长以及吸收Cd的影响，结合典型超富集植物根系分泌物对Cd在土壤、生物炭以及超富集植物根表面的吸附解吸特征和生物可利用性的影响，阐明Cd在土壤、生物炭以及超富集植物根表面三相界面的物理化学过程，揭示生物炭影响典型超富集植物吸收土壤Cd的作用机制。研究结果为生物炭快速稳定化之后土壤重金属的清除提供一种新途径。

镉污染是中国农田污染中最广泛的一种污染。生物炭以其快速稳定重金属，但生物炭稳定的重金属存在二次释放的风险。植物修复可将土壤中重金属永久去除，然而，较长的修复周期限制了植物修复的实际应用。采用生物炭稳定化和植物联合修复的策略，进行边修复边生产，实现土地利用生态效益与经济效益的统一。本研究探讨了不同制备条件和生物炭用量对土壤Cd的稳定效果，并通过考察添加生物炭对Cd在植物各部位的积累及亚细胞分布特征探讨了生物炭的添加对Cd富集植物吸收Cd的影响及作用机理。主要研究结果如下：.（1）不同原料制备的生物炭中的C、N、P和K等元素含量存在较大差异，但不同生物炭的表面形貌特征和官能团种类差异不大。在350~550℃下热解制得的生物炭具有孔隙发达、官能团丰富。（2）添加生物炭虽然在一定程度上降低了土壤DTPA-Cd，但生物炭通过改善土壤理化性质、营养水平、微生物活性以及提高植物体内的营养水平，促进了植物的生长，从而显著提高了植物修复效率。（3）生物炭联合植物修复显著改变了土壤的pH、DTPA-Cd含量以及不同化学形态Cd的含量及比例。自然Cd污染土壤和人为污染土壤中Cd的化学形态存在较大差异，在人为污染的土壤中，Cd更易迁移，也更容易被植物提取。（4）添加生物炭显著提高了植物根、茎和叶中Cd浓度。Cd在植物中优先分布在细胞壁上，添加生物炭显著降低了各器官细胞壁中的Cd浓度，显著改变了Cd在植物不同器官中亚细胞组分的分布特征。生物炭的添加使茎中细胞壁的Cd更多地分配到可溶组分和细胞器中，这可能是添加生物炭对植物响应Cd胁迫的一种解毒机制。（5）果胶是植物根细胞壁中Cd最主要的汇，添加生物炭增加了细胞壁果胶和半纤维素1的糖醛酸含量，表明植物细胞壁为响应Cd的胁迫会进行积极的多糖组分的合成。