生物炭对土壤中典型抗生素吸附/解吸行为和生物可利用性的影响机制

Antibiotics are widely used for prevention and treatment of bacterially transmitted diseases. They are ubiquitous in the environment and recognized as environmental pollutants. In recent years, soil amendment with biochar has found extensive application in soil to improve soil quality, reduce greenhouse gas emission and remediate polluted environment. However, the impacts of biochar on the environmental behavior and bioavailability of ionizable organic compounds including antibiotics in soil are not well understood. The objective of this project is going to investigate the sorption/desorption and bioavailability of typical antibiotics in a variety of biochars (such as wheat stalk-, cotton stalk- and herb-residue derived biochars) and biochar-amended soil. Microscopic analytical technologies (including XPS, FTIR, NMR and TEM) and sorption/desorption experiments are applied to investigate the impacts of different factors such as composition, structure and carbonation of biochar, aging effect and soil environmental conditions on the sorption/desorption mechanisms of antibiotics to biochar. Besides, bioaccumulation/elimination experiments were conducted to elucidate the effects of biochar on the bioavailability of antibiotics in soil. The results of this study will provide scientific basis for evaluation of the environmental risks of antibiotics in soil as well as development and proper application of biochar products.

抗生素是一类使用广泛的治疗细菌性感染疾病的化学品，在环境介质中被广泛检出，已成为普遍存在的污染物。生物炭作为土壤添加剂近年来在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面表现出很大的应用潜力。然而，在生物炭改土固碳的同时，其对抗生素等离子型有机化合物在土壤中的环境行为以及生物可利用性的影响尚未搞清楚。本项目根据目前生物炭的施用情况以及我国土壤环境特点，选择不同类型的生物炭（如稻秆类、棉秆类、中药渣类等）和添加生物炭的土壤为研究对象，以典型抗生素为目标污染物，采用微观实验手段（包括XPS、FTIR、NMR、TEM等）与宏观吸附/解吸实验以及生物累积和排出实验相结合的方法，探讨生物炭的组成结构特性、碳化程度、老化效应、土壤环境条件等因素对生物炭吸附/解吸抗生素的影响机制，揭示生物炭对抗生素生物可利用性的调控作用，为科学评估土壤环境中抗生素的环境风险、生物炭产品的研发及合理利用提供科学依据。

本项目根据目前生物炭的利用情况以及我国土壤环境特点，选择了多种不同类型生物炭为研究对象，以典型抗生素为目标污染物，采用微观实验手段与宏观吸附-解吸实验以及生物累积实验相结合的方法，系统地研究了生物炭的组成结构特性、碳化程度、老化效应、土壤环境条件等因素对生物炭吸附-解吸抗生素的影响机制，以及生物炭对抗生素生物可利用性的调控作用，阶段性研究结果如下：（1）抗生素与多环芳烃相比在生物炭表面具有不同的吸附机制：低温炭材料对四环素的吸附能力明显小于萘，然而，对于高温炭材料，二者具有相似的吸附能力。这是因为低温炭中含有更多的有机未碳化组分，相比之下萘比四环素具有更强的疏水性，因而萘分子更容易分配到无定型有机碳组分中。然而随着温度的升高，炭表面形成了更多的芳构化结构，因而可以与四环素分子发生π-π电子供体受体作用所以对四环素的吸附能力显著增强。此外，在较大的pH范围内，铜离子和四环素能够相互促进在生物炭表面的吸附；然而，铜离子和萘相互抑制在低温生物炭上的吸附，而对于高温生物炭，二者互不影响对方的吸附行为。（2）MnOx负载的生物炭对铜就有较强的吸附能力，负载10%的MnOx对铜离子的吸附容量可达到160.3 mg/g，与未负载生物炭相比提高了8倍，同时也高于目前文献中报道的生物炭对铜的吸附量。铜离子主要通过与生物炭表面的MnOx以及含氧官能团发生内层络合作用而发生较强的吸附。（3）中药渣生物炭对磺胺类抗生素具有较强的吸附能力，其中负电荷辅助的氢键作用在低温生物炭吸附磺胺甲噁唑的过程中起到非常关键的控制作用。（4）研究了腐殖酸对生物炭吸附磺胺类抗生素的影响及内在机制。实验发现，腐殖酸对生物炭吸附的影响是一个较复杂的过程，其决定于生物炭、污染物、腐殖酸三者之间的作用关系。目前普遍接受的观点是腐殖酸抑制生物炭对有机污染物的吸附。本实验结果的创新之处在于，证明了在环境中腐殖酸对不同类型生物炭的表面修饰作用是不同的，进而对生物炭吸附有机污染物的影响也会发生相应的变化。（5）植物根系分泌物能够促进生物炭对抗生素的吸附能力。我们以苹果酸和柠檬酸为根系分泌物的代表，研究了它们对生物炭吸附磺胺甲噁唑的影响及机制。实验发现，用苹果酸或柠檬酸淋洗生物炭能够显著提高其对污染物的吸附亲和力，因为这些小分子有机酸能够将生物炭表面附着的可溶性有机质以及矿质元素淋洗出来，从而增加更多的吸附点位。