1 引言(Introduction)

生物炭是由植物残体、污泥、畜禽粪便等生物质原料在限供氧的密闭环境中经高温热解(＜700 ℃)形成的一类富碳(C含量≥60%)、稳定、高度芳香化的固态产物(杨启良等, 2015；邹照等, 2017).生物炭具有较大的比表面积、较高的pH值、较大的孔隙度、丰富的官能团等特点, 使其具有较强的污染物吸附性、抗降解性和抗氧化性, 可以改善土壤肥力、修复土壤污染、提高作物产量和土壤微生物种群丰度, 从而对土壤具有减污增效的功能(Vilvanathan et al., 2017; Ali El-Naggar et al., 2018; 唐行灿等, 2018).

作为一种黑色的碳材料, 生物炭施入土壤后很难将其从土壤中分离或检测出来, 从而较难追踪生物炭颗粒在土壤中的迁移行为及生物炭与重金属的相互作用关系等, 因此, 需要制备一种既具探针功能又不改变生物炭性质的材料.稳定同位素技术通过测定同位素丰度比来研究环境中某种物质的迁移过程或进行溯源分析, 具有灵敏度高、无放射性、监测方便快捷等优点(吴健等, 2018；王文峰等, 2019；Xi et al., 2019).例如, 荣广智(2018)根据不同光合类型植物所形成的具有¹³C差异的土壤有机碳, 进行定量有机碳的转化研究；金鑫鑫等(2017)借助稳定¹³C同位素示踪技术研究了农田土壤有机碳循环及固碳机理, 并提出¹³C同位素示踪技术是未来土壤碳循环的主要研究方向；冉珊珊等(2019)利用脉冲标记法对互花米草进行了¹³C标记, 经4次脉冲标记后, 互花米草各部位的¹³C丰度都明显上升, 且¹³C丰度随标记次数的增加而增加.

然而用脉冲法得到的具有¹³C标记的植物, 在热解成生物炭后是否仍具有¹³C标记功能？¹³C标记的生物炭是否改变了生物炭的基本理化性质, 是否具有与自然生物炭相同的对重金属的吸附效果和吸附机理？这些问题都亟需探明.因此, 本文通过脉冲标记法培养出具有较高δ¹³C值的玉米秸秆, 与自然条件培养的玉米秸秆在相同的热解条件下制备成生物炭, 并对比两种生物炭的基本理化性质及其对Cd²⁺和Cu²⁺的吸附效果和吸附机理, 探究¹³C标记的生物炭是否可以作为研究生物炭-土壤-污染物体系的探针材料, 以期为生物炭在土壤中的迁移转化行为研究提供新的思路与途径.

2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 ¹³C植物的培养

脉冲标记法是在植物生长发育的某个或整个周期中, 一次加入一定量的示踪物(¹³CO₂), 一次标记持续数小时, 进行多次标记.植物可以通过光合碳同化途径, 将示踪物(¹³CO₂)转化为自身的有机物质, 生成光合碳, 并通过植物自身的运输系统分配到植物各组织部位, 实现植株中¹³C的标记, 具有原理简单、操作性强、灵敏度高等优点(顾鑫等, 2014；于晓燕等, 2014；孙昭安等, 2018).目前, 国内利用¹³C脉冲标记法研究的植物多为玉米等C4植物, 这是因为C4植物具有较低的CO₂补偿点, 可提高¹³C的标记效率(邓扬悟等, 2017).

本文以玉米植株为标记对象, 在自制培养箱(图 1)中, 在装有Na₂¹³CO₃溶液的烧杯中加入盐酸, 产生¹³CO₂ (Na₂¹³CO₃+HCl→NaCl+H₂O+¹³CO₂), 通过光合作用将¹³C标记到植物体内, 经6次标记后, 获得具有较高δ¹³C值的玉米植株.

2.2 生物炭的制备

分别取¹³C标记的玉米秸秆和自然条件下生长的玉米秸秆, 烘干后粉碎, 在氮气氛围下550 ℃热解3 h, 制得生物炭并过100目筛后储存备用.自然条件下生长的玉米秸秆制备的生物炭记为BC, ¹³C标记的玉米秸秆制备的生物炭记为¹³C BC.

2.3 生物炭的表征

分别测定BC和¹³C BC的基本理化性质, 每个待测指标的生物炭设置5组平行样, 结果为5组样品的平均值(FT-IR、X射线分析除外).

采用pH计(美国安莱立公司, pH400标准型台式)测定pH, 灼烧法测定灰分, 氯化钡-硫酸强制交换法测阳离子交换量(CEC).采用全自动比表面积测定仪(北京金埃普科技有限公司, V-sorb2800)测定比表面积和孔径结构, 利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM, 日本Hitachi公司SU8010型)对生物炭表观结构进行观察, 采用傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR, Thermo 6700)表征材料表面的官能团种类, 利用X射线衍射分析仪(Diffraction of X-rays德国布鲁克X)对材料表面矿物质种类进行分析.

稳定同位素测定及计算：采用Thermo Scientific的MAT 253 Plus同位素比质谱仪对玉米及生物炭的¹³C/¹²C进行测定.一般情况下, 未标记植物的自然丰度用δ¹³C表示, 而标记植物一般采用ATOM表示, 公式分别如下：

(1)

(2)

式中, R_样为被测样品的¹³C与¹²C的稳定同位素丰度比值；R_PDB为标准物质的¹³C与¹²C的稳定同位素丰度比值, 为常数0.0112372.本文为使标记样品与未标记样品在数值上有较大区分, 均采用δ¹³C表示.

2.4 生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附 2.4.1 吸附动力学

分别准确称取0.1 g ¹³C BC和BC并置于50 mL聚乙烯离心管中, 加入40 mL浓度为5 mmol·L^-1的Cd(NO₃)₂溶液或4 mmol·L^-1的Cu(NO₃)₂溶液, 以0.01 mol·L^-1 NaNO₃溶液作为电解质, 用0.01 mol·L^-1 NaOH和0.01 mol·L^-1 HNO₃作为缓冲液, 调节溶液pH为5.

将离心管置于摇床中以250 r·min^-1、25 ℃条件恒温振荡, 分别在5 min、15 min、30 min、1 h、4 h、8 h、12 h的时间节点取样, 在3000 r·min^-1下离心5 min, 过0.45 μm滤膜, 采用AAS(火焰原子吸收法)测定滤液中Cd²⁺、Cu²⁺浓度, 每个处理设置3个平行样和空白(加去离子水).

本实验采用的吸附动力学模型分别为准一级动力学方程和准二级动力学方程, 其中, 准一级动力学方程(式(3))可用于描述通过边界扩散完成的单层吸附(常春等, 2016), 准二级动力学方程(式(4))可用于描述发生在物理-化学复合过程的吸附动力学机制(Ho, 2005).

(3)

(4)

式中, Q_t为t时刻的吸附量(mg·g^-1), Q_e为吸附平衡时的吸附量(mg·g^-1), k₁为准一级吸附速率常数(min^-1), k₂为准二级吸附速率常数(g·mg^-1min^-1).

2.4.2 等温吸附

分别准确称取0.1 g的¹³C BC和BC于50 mL聚乙烯离心管中, 加入40 mL浓度分别为0、0.25、0.5、0.75、1、2 mmol·L^-1的Cd(NO₃)₂或Cu(NO₃)₂溶液, 以0.01 mol·L^-1 NaNO₃溶液作为电解质, 用0.01 mol·L^-1 NaOH和0.01 mol·L^-1 HNO₃为缓冲液, 调节溶液pH为5.

将离心管置于恒温振荡箱中以25 ℃、250 r·min^-1的条件振荡24 h后, 在3000 r·min^-1下离心5 min, 过0.45 μm滤膜, 采用AAS(火焰原子吸收法)测定滤液中Cd²⁺、Cu²⁺浓度, 每个处理设置3个平行样和空白(加去离子水).

等温吸附模型采用Langmuir等温吸附方程和Freundlich等温吸附方程, 其中, Langmuir等温吸附方程(式(5))可用来模拟理想条件下, 吸附剂表面的吸附物分布均匀且为单分子层吸附情况下的吸附行为, 当达到吸附稳定状态时, 即为该吸附剂对吸附质的最大吸附量(Fang et al., 2014).

(5)

式中, Q_m为吸附饱和时吸附剂对吸附质的最大吸附量(mg·g^-1)；b为Langmuir吸附特征常数(L·g^-1), C_e为平衡时溶液中吸附质的浓度(mg·L^-1)；Q_e为在C_e浓度下平衡时吸附剂吸附的吸附质的量(mg·g^-1).

Freundlich等温吸附方程(式(6))可用来模拟在吸附剂表面不均匀情况下的吸附行为, 其吸附中心的吸附热呈指数下降(Salah et al., 2011).

(6)

式中, K_F和n是Freundlich常数, 分别表征吸附剂的吸附能力和强度.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 玉米及生物炭的¹³C丰度

图 2为两种玉米(自然条件生长的玉米和脉冲标记条件培养的玉米)不同部位的δ¹³C值.自然土壤(取自苏州市东山农业示范区)中δ¹³C值约为-23.5‰.玉米生物炭(BC)的δ¹³C值约为-25.7‰, 与土壤背景值相似, 因此, 自然生物炭较难通过δ¹³C值的变化来示踪其在土壤中的迁移.自然条件生长的玉米叶、茎、根的δ¹³C值分别为-26.5‰、-25.9‰、-21.8‰, 而用脉冲标记法培养的玉米叶、茎、根的δ¹³C值分别为225.9‰、284.2‰、382.4‰, 较自然条件生长的玉米分别提高了952%、1197%和1652%, 且根部积累的δ¹³C丰度最高.将¹³C标记的玉米制备成生物炭后, ¹³C BC的δ¹³C值为249.3‰, 显著高于土壤背景值(-23.5‰), 因此, ¹³C标记的生物炭(¹³C BC)可用δ¹³C作为评价指标, 并作为生物炭在土壤中迁移转化行为的示踪材料.

3.2 同位素标记对生物炭基本理化性质的影响

生物炭的主要理化性质如表 1所示.由表可知, ¹³C BC和BC的pH均值分别为9.67和9.55, 灰分含量分别为29.5%和28.5%, CEC分别为115.0 cmol·kg^-1和110.7 cmol·kg^-1, 比表面积分别为32.7 m²·g^-1和26.4 m²·g^-1.扫描电镜结果(图 3)表明, ¹³C BC和BC表面均有大量的微孔结构, 表面比较粗糙, 结构疏松.FT-IR图谱(图 4)表明, 二者表面官能团均存在羟基(—OH)(3439 cm^-1)、羧基(—COOH)(1604 cm^-1)、π共轭芳香结构(1500~1300 cm^-1)、NH₄⁺(1396 cm^-1)、Si—O—Si(786 cm^-1)、芳香类化合物(500~900 cm^-1)等；¹³C BC的Si—O—Si波峰振幅较大, 主要原因是在¹³C BC制备过程中, 原材料中加入了较多的玉米根部, 玉米是主动吸硅植物, 易在根部积累硅元素(李晓艳等, 2014).综上所述, ¹³C标记并未显著影响生物炭的基本理化性质.

3.3 同位素标记对生物炭吸附Cd²⁺、Cu²⁺性能的影响 3.3.1 两种生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附动力学

采用准一级、准二级动力学模型对生物炭(BC)和¹³C标记的生物炭(¹³C BC)对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附量随时间的变化进行拟合, 结果见图 5.由图可知, 两种生物炭对Cd²⁺的吸附均在6 h左右达到平衡, 对Cu²⁺的吸附在4 h左右达到吸附平衡.吸附速率先快后慢, 这与周丹丹等(2016)的研究结论相似, 主要原因是吸附初期生物炭表面吸附点位较多, 基本不存在竞争吸附, 随着吸附点位达到饱和, 金属离子进入吸附剂内部的速率逐渐变慢.

由表 2可知, BC与¹³C BC的吸附动力学拟合参数Q_e(最大平衡吸附量)、k₁和k₂(吸附速率常数)均相似, 不具有明显差异性.两种生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附过程更符合准二级动力学方程, 接近于物理-化学复合的过程, 吸附过程包括外部液膜扩散、颗粒内部扩散和表面吸附.综上, ¹³C标记生物炭不会改变生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附动力学特征.

3.3.2 两种生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的等温吸附

根据生物炭吸附Cd²⁺、Cu²⁺的等温吸附线(图 6)及拟合参数(表 3)分析可知, Freundlich方程和Langmuir方程都可以较好地拟合BC和¹³C BC对Cd²⁺和Cu²⁺的吸附过程, 但Langmuir方程具有更高的拟合度, 说明BC和¹³C BC对Cd²⁺和Cu²⁺吸附以单分子层吸附为主(王彤彤等, 2017).¹³C BC和BC对Cd²⁺的最大吸附量(Q_m)分别为35.19 mg·g^-1和35.06 mg·g^-1, 对Cu²⁺的最大吸附量分别为20.76 mg·g^-1和22.12 mg·g^-1, 两种生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的最大吸附量相对标准偏差(RSD)分别为0.26%和4.49%, 以上结果表明¹³C标记基本不改变生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附效果.

3.4 同位素标记对生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺吸附机理的影响 3.4.1 生物炭吸附前后XRD分析

根据¹³C BC和BC吸附Cd²⁺、Cu²⁺前后的XRD图谱(图 7)分析可知, 重金属吸附前后, ¹³C BC和BC的波峰种类和振幅基本相同, 主要为KCl、SiO₂、CaCl₂的特征峰；重金属吸附后, 两种生物炭的表面矿物相分析均未出现Cd和Cu化合物的特征峰, 说明两种生物炭吸附Cd和Cu主要形成无定形态物质, 沉淀作用未明显体现在本次吸附过程中, 沉淀作用更多的体现在生物炭对Pb的吸附中(Chen et al., 2019).

3.4.2 生物炭吸附前后FT-IR图谱变化

根据2种生物炭吸附Cd²⁺、Cu²⁺前后的FT-IR图谱(图 8)分析可知, ¹³C BC和BC的FT-IR图谱中羟基(—OH)、羧基(—COOH)、π共轭芳香结构、NH₄⁺、芳香类化合物等的官能团波峰变化基本一致, 主要是峰强降低, 振幅下降, 说明两种生物炭中对Cd²⁺和Cu²⁺起到吸附作用的官能团类型及吸附机理基本相同.

与吸附前相比, 吸附Cd²⁺和Cu²⁺后BC和¹³C BC在3439cm^-1处的羟基(—OH)和1604 cm^-1处的羧基(—COOH)振幅明显减弱, 主要是由于—OH、—COOH能够提供氢键, 使生物炭表面的含氧官能团可以与Cd²⁺、Cu²⁺结合形成Cd(H₂O)₆²⁺、Cu(H₂O)₆²⁺(郭文娟等, 2013；谢超然等, 2016)；生物炭表面的NH₄⁺(1396 cm^-1)振幅减弱, 这是因为NH₄⁺可以提供H⁺, 与Cd²⁺、Cu²⁺发生离子交换(王震宇等, 2014).吸附后, 生物炭表面π共轭芳香结构(1500~1300 cm^-1)、芳香结构化合物(500~900 cm^-1)部分峰消失, 这两类官能团在重金属吸附过程中可以提供π电子, 与重金属形成稳定的阳离子-π键结构, 而阳离子-π作用的本质比较复杂, 其中有一定的静电作用成分, 生物炭表面的芳香程度越强, π共轭芳香结构越多, 给电子能力越强, 则该作用越明显(李力等, 2012).

综上, ¹³C BC和BC吸附Cd²⁺、Cu²⁺的机理主要为配体/离子交换作用、阳离子-π键作用和静电作用, 且¹³C标记并未改变生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的主要吸附作用机制.

4 结论(Conclusions)

1) 脉冲标记法可显著提高玉米植株根、茎、叶的δ¹³C值, 以¹³C植物为原料热解制成的¹³C标记生物炭的δ¹³C值显著高于原始生物炭和土壤.

2) 与生物炭相比, 采用稳定同位素标记法制备的¹³C标记的生物炭基本不改变生物炭的pH、CEC、比表面积、表面官能团等基本理化性质.

3) 生物炭和¹³C标记的生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺具有相同的吸附行为, 均更符合准二级动力模型和Langmuir吸附等温模型, 接近单分子层吸附, 吸附过程为物理-化学复合过程；¹³C标记的生物炭不改变生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的最大吸附量和吸附机理.

4) 针对生物炭对镉、铜的主要吸附作用机制中, 在后续研究中, 可采取更加全面的吸附模型, 考虑镉、铜的赋存形态, 进行更为深入的研究探讨.

综上所述, 可以将¹³C标记生物炭作为探针来研究土壤中生物炭的迁移行为及生物炭与重金属的相互作用行为.