2025, Vol. 55
2. 中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100;
3. 寿光市海洋渔业发展中心，山东 潍坊 262700;
4. 自然资源部渤海生态预警与保护修复重点实验室，自然资源部北海生态中心，山东 青岛 266100;
5. 潍坊滨城建设集团有限公司，山东 潍坊 261108
河口是河流与海洋交汇的过渡带，淡水与海水的混合为河口带来了丰富的营养物质，使其成为了生产力最高的生态系统之一，具有重要的生态功能和社会功能[1-2]。河口地区石油资源储量丰富，在油田勘探、开采和储运过程中易发生石油产品泄漏事故[3-4]。在陆地与海洋的各种灾害事件(如陆源污染、海洋溢油、风暴潮等)的双重影响下，极易造成河口湿地多种污染物(石油烃、重金属、微塑料等)复合污染的状态，使得湿地生态系统的脆弱性暴露无遗。据统计，中国河口大部分处于亚健康状态[5-6]。
生物炭(Biochar，BC)是废弃生物质在缺氧条件下高温热解而成的一种含碳多孔材料[7]，具有孔隙度高、比表面积大、阳离子交换量高、结构稳定、吸附能力强、原料易得、成本低等优点[8-9]。生物炭作为理想的吸附材料已被广泛应用于水和土壤中各类污染物的去除[10]，如农药[11]、抗生素[12]、石油类[13]、重金属[14]等。Gheriany等[15]发现干橙皮生物炭对水中风化原油的吸附效果能达到4.7 g/g。Silvani等[16]发现用生物炭对被溢油污染的沉积物进行修复，其多环芳烃去除率达到90%以上。宋洋等[17]将生物炭施用于稻田土壤，六氯代苯的去除率达到30%。近年来，虽有学者对生物炭在水土介质的污染物修复进行了研究，但由于河口湿地沉积物与普通农田土壤相比具有含水率高、盐度大等特点，生物炭在湿地修复的性能和效果方面的研究尚且不足。芦苇是多年生的湿生禾草，是湿地标志性植被，具有止淤防蚀、净化水质、保持生物多样性等重要生态功能，在湿地生态系统的构建、运行和稳定上具有重要作用，被称为“第二森林”[18-19]。中国芦苇湿地面积1 000万亩，年产芦苇300万t[20]，如得不到有效利用不仅是对资源的浪费，其弃割后会倒伏、堆积、腐烂，会进一步加剧河口湿地的富营养化，造成环境污染[21]。因此，探索芦苇保护性综合利用的绿色新型产业，避免废弃芦苇秸秆的污染风险，对维护河口湿地生态系统健康稳定有重要作用。
本文利用芦苇生物炭对石油污染的湿地沉积物进行修复，探究了修复过程中湿地沉积物石油烃(TPH)含量和pH、电导率(EC)、有机质(SOM)等理化性质的变化，揭示了芦苇生物炭在提升河口湿地生态修复方面的潜力，为湿地植被的综合利用及河口湿地生态修复的可持续发展提供借鉴。
1 材料与方法 1.1 土培实验本实验所用沉积物取自小清河口湿地潮上带区域(119.02°E，37.26°N)，在通风避光处自然风干，后研磨并过1 mm筛，作为土培实验用沉积物。沉积物的TPH范围为(2 657.1±1 626.5) mg/kg，pH值为7.83±0.17，电导率为(1.44±1.26) mS/cm，有机质含量为(8.41±0.31)%。芦苇生物炭购自河南立泽环保有限公司，将芦苇秸秆于500 ℃下缺氧热解2 h。实验前，将芦苇生物炭于105 ℃烘干，研磨并过40目筛。按照质量比3%添加量，称量一定量原油，加入正己烷中完全溶解后，加入到已研磨过筛并称量的沉积物中，搅拌混匀后待沉积物中正己烷完全挥发(陈化3 d)，石油污染沉积物自然风干，备用。原油密度为0.877 4 g/m3(20 ℃)，杂质含量0.25%，含水0.3%，盐含量40.29 mg/L。
在口径12 cm，高10 cm的无孔花盆中，用制备好的芦苇生物炭对250 g未污染/石油污染沉积物进行90天的修复实验。本研究共设置18组实验，包括12组平行实验(添加5% BC组和添加10% BC组)和6组对照实验(未添加BC)，以修复沉积物的石油污染，每个处理重复3次。详细实验方案如表 1所示。未添加生物炭的对照实验为分别称取250 g自然风干并研磨过筛的沉积物(CK组)和已制备的添加质量比3%原油组沉积物(OCK组)于无孔花盆中。添加生物炭的实验组是将不同配比的生物炭分别与250 g未污染/石油污染沉积物混合均匀后装入无孔花盆中，即添加5% BC组为称取12.5 g生物炭与250 g沉积物混匀(BC5组和OBC5组)，添加10% BC组为称取25 g生物炭与250 g沉积物混匀(BC10组和OBC10组)。在生物炭添加量方面本实验参考了前人的经验，例如Zhang等[22]利用蘑菇基质生物炭对石油污染土壤进行了60 d的修复实验，生物炭添加量为5%和10%，发现与未添加生物炭的对照组相比添加生物炭明显增加了石油烃的去除率，且10%添加组的石油烃去除率高于5%生物炭添加组。Cui等[23]利用小麦秸秆生物炭对有机氯污染的湿地沉积物进行修复，小麦秸秆生物炭的添加量分别为2%、4%、5%，发现随着生物炭添加量的增加湿地沉积物有机氯的浓度降低。综合考虑前人在生物炭添加量对污染物去除率的影响及实际应用中的经济成本，本实验设计生物炭添加量为5%和10%。同时根据河口湿地河海交汇的特点，分别配制盐度为10、20、30的人工海水作为实验用水。实验温度在(25±3) ℃，含水率保持在(23±5)%(每4天对花盆进行称重，按照需要添加人工海水)。在实验开始后的第10、20、30、60、90天各取样一次。
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表 1 土培修复实验设计 Table 1 Experimental design of culture restoration |
按照实验设计的时间节点对样品进行分析，将沉积物置于避光通风处自然风干，并研磨过1 mm筛，待测。
沉积物中残余TPH的测定[24]：称取2.0 g沉积物样品于50 mL离心管中，加入10 mL正己烷，超声萃取15 min，以4 000 r/min的速度离心10 min，收集上清液于25 mL比色管中，重复上述操作2次。用紫外法测定沉积物中TPH的含量。
计算公式：
| $ \omega=\frac{C \times V}{m \times(1-w)} 。$ | (1) |
式中：ω—沉积物中TPH的含量，mg/kg；C—石油烃标准曲线计算出的TPH浓度，mg/L；V—萃取液体积，mL；m—所称取的沉积物样品的质量，g; w—沉积物含水率，%。
沉积物的TPH去除率(d，%)按公式(2)计算：
| $ d=\frac{\omega_0-\omega_1}{\omega_0} \times 100 \%。$ | (2) |
式中：ω0为修复前沉积物的TPH含量，mg/kg；ω1为修复后沉积物的TPH含量，mg/kg。
pH的测定[25]：按照沉积物比水为1∶2.5的比例将10.0 g沉积物与25 mL去离子水混合均匀，于恒温振荡器25 ℃振荡15 min，静置1 h，用pH计测量上清液pH。
电导率(EC)的测定[26]：按照沉积物比水为1∶5的比例将10.0 g沉积物与50 mL去离子水混合均匀，于恒温振荡器25 ℃振荡15 min，以4 000 r/min的速度离心5 min，用电导率仪测量上清液EC。
有机质(SOM)含量的测定[27]：称取0.500 g沉积物于已干燥并恒重的坩埚中，称重为m1；于105 ℃烘干至恒重，称重为m2；转移至马弗炉中，600 ℃灼烧5 h，结束后在干燥器中冷却至恒重，称重为m3。计算式如下：
| $ S O M(\%)=\frac{m_2-m_3}{m_1-m_2} \times 100 \%。$ | (3) |
根据表 1所示的沉积物修复方式，得到对应修复组TPH去除率的变化情况，结果见图 1。
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图 1 修复中TPH去除率的变化 Fig. 1 Changes of TPH removal rates in the experiment |
由图 1可知，随着修复时间延长，未添加原油组(BC)与添加原油组(OBC)沉积物的TPH含量均不断减少，TPH去除率逐渐升高。其中BC组在0~10 d TPH的去除速率最快，而OBC组在10~20d TPH的去除速率最快。修复90 d之后，CK、BC5、BC10组沉积物TPH的去除率分别为3.06%~3.96%、77.87%~88.11%、79.91%~88.96%；OCK、OBC5、OBC10组沉积物TPH的去除率分别为2.52%~4.19%、35.67%~43.66%、40.20%~52.02%。Ren等[28]使用玉米芯生物炭对石油污染土壤修复30 d后，TPH的去除率为42%；Zhang等[22]利用蘑菇基质进行了为期60 d修复实验的研究结果为38.63%；Liu等[29]利用玉米秸秆生物炭对石油污染土壤修复80 d后，石油烃去除率为49.6%；Liu等[30]利用稻壳生物炭对石油污染土壤修复100 d后，石油烃去除率为52.6%，相比之下，本研究的结果表现出优势。研究显示，生物炭的添加可以增加沉积物中石油烃降解微生物的丰度[31]。生物炭的多孔结构，可以为微生物的生存和繁殖提供有利、适宜和稳定的环境，使其更充分的降解石油烃[32]。同时可以看出，被3%原油污染的沉积物的去除率明显低于未添加原油组的沉积物，首先是由于生物炭添加量相同的情况下，OBC组TPH含量约为BC组的25~30倍，相同修复时间内，生物炭的吸附量有限造成的。另一方面，推测是由于原油中含有较多的胶质、沥青质等，可能堵塞生物炭的孔口，使孔道变形，造成生物炭的吸附点位减少[33]，导致OBC组TPH去除率明显低于BC组。同时，微生物的降解作用也是不容忽视的，可能由于沉积物中的微生物对添加原油组高石油烃浓度的耐受机制，导致微生物降解石油烃的能力有所降低。另外，未添加原油的生物炭实验组在修复60 d时出现TPH去除率下降，而在修复90 d时TPH去除率又回升。生物炭对石油烃的去除主要是通过吸附作用实现的，而石油烃的降解作用是通过生物炭孔隙中及沉积物中的石油烃降解微生物实现的[34]。修复60 d时TPH去除率下降可能是由于微生物的耐受机制对污染物的响应，导致微生物降解石油烃的能力下降，聚糖能力降低造成的[35]。而生物炭的多孔结构，可以为微生物的生存和繁殖提供适宜、稳定的环境，并显著增加体系中石油烃降解微生物的丰度[31]，因此随着修复时间的延长TPH去除率又继续增加。通常，生物炭对污染物的吸附取决于生物炭的物理和表面化学性质。一方面，生物炭的孔径结构影响物理吸附，其中比表面积和介孔体积是最重要的因素。有研究显示，玉米生物炭的比表面积为11.67 m2/g，孔体积为0.017 cm3/g[36]；小麦生物炭的比表面积为53.15 m2/g[37]；而芦苇生物炭的比表面积为73.100 8 m2/g，孔容为0.047 139 cm3/g[38]。可以看出，与传统秸秆生物质相比芦苇生物炭表现出更佳的比较面积和孔体积。另一方面，生物炭的表面化学性质，如生物炭表面和表面官能团的电荷，在影响污染物的吸附方面也有重要作用。芦苇生物炭表面倾向于带负电荷，可以对正电荷表现出更大的亲和力。而盐度梯度对生物炭的老化作用能导致芦苇生物炭表面行成羧基团，其带负电荷较多，随修复时间延长显著提高TPH的吸附/去除效率。基于以上讨论，可以得出结论，芦苇生物炭对TPH污染湿地的修复效果较好，比传统生物质衍生的生物炭更有效。
从生物炭添加比例上看，两种处理方式下，TPH去除率都与生物炭添加量成正比，与修复时间成正比。首先，生物炭是生物质在缺氧条件下高温热解而成的多孔材料，污染物进入微孔空隙后会被阻拦，行成不可逆孔，吸附力强，吸附作用稳定[39]。同时，生物炭的多孔结构，可以为微生物的生存和繁殖提供适宜、稳定的环境，使其对石油烃的降解更充分[32]。有研究显示，生物炭的添加可以增加了沉积物中石油烃降解微生物的丰度[31]。这可归因于生物炭具有大的比表面积，它促进了土壤中可交换Na的吸附，并为微生物提供了有利的栖息地。同时，驻留在生物炭中的功能微生物可以更快地适应环境压力(例如TPH和盐胁迫)，以进一步促进TPH的降解。
对于人工海水盐度的影响，在BC组并未观察到明显的影响规律，可能是由于其去除率均处于较高水平，而盐度变化的影响相对于生物炭添加量的影响较弱。但通过对OBC组TPH的去除率进行分析，发现盐度对TPH去除率的影响与生物炭添加量有关。修复90 d后，BC5-10、BC5-20、BC5-30组TPH的去除率平均分别为40.97%、37.24%、37.62%；OBC10-10、OBC10-20、OBC10-30组TPH的去除率平均分别为46.66%、47.14%、48.38%。低生物炭添加组(5%)沉积物TPH的去除率随盐度的增加而降低。与前人的研究结果相似，随着盐度增加，负离子(如Cl-)强度增加，它们可以通过静电吸附占据生物炭表面阳性位点[40-41]，从而使TPH去除率有所降低。而高生物炭添加组(10%)沉积物TPH去除率在盐度升高的情况下，反而略有提升，即通过高生物炭添加量，减轻了高盐度带来的影响。研究证明，生物炭具有较高的吸盐能力，可缓解湿地沉积物的盐胁迫[42]，所以生物炭的添加在修复污染物的同时，对湿地沉积物的盐渍化也有一定的改善作用。因此，将芦苇生物炭应用于受石油烃污染的河口湿地的修复，既能做到湿地原生植被的可持续利用，又能实现湿地的有效生态修复，有一定的推广应用意义。
2.2 修复过程中沉积物理化性质的变化根据表 1所示的沉积物修复方式，得到对应修复组的pH、EC、SOM的变化情况，结果分别见图 2、图 3和图 4。
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图 2 修复过程中pH的变化 Fig. 2 Changes of pH during the experiment |
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图 3 修复过程中电导率(EC)的变化 Fig. 3 Changes of EC during the experiment |
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图 4 修复过程中有机质SOM的变化 Fig. 4 Changes of SOM during the experiment |
由图 2可知，BC组与OBC组沉积物的pH值在修复过程中与未修复时相比，整体均呈下降趋势，且随着修复时间延长趋向于接近中性值。BC组的pH值在第0天时为7.82±0.01，修复过程中CK组pH值为7.27~7.57(平均7.40)，BC5组为7.21~7.49(平均7.33)，BC10组为7.09~7.57(平均7.36)。OBC组的pH值在第0天时为7.79±0.05，修复过程中OCK组pH值为7.15~7.54(平均7.39)，OBC5组为7.07~7.51(平均7.24)，OBC10组为7.08~7.49(平均7.23)。可以看出，低生物炭添加组(5%)与高生物炭添加组(10%)的pH值差别并不明显。而OBC组的pH值低于BC组，这可能是由于石油烃等有机物分解产生一些有机酸类物质的积累，导致pH值降低[43]。也可能是由于微生物可以将石油烃等作为营养物质，使得微生物繁殖代谢加快，而微生物的呼吸作用产生的CO2也会对沉积物pH值的降低起到促进作用[44]。
与自然修复组相比，添加BC组沉积物的pH值整体上均随人工海水盐度的增加而明显降低。与前人的研究结果相反，有对盐渍化土壤的研究显示，随着盐分的增加，土壤pH值显著升高[45]。我们推测这是由于生物炭具有沉积物调理剂的作用，能够改善和稳定沉积环境。从时间上整体来看，各个处理组沉积物的pH值随修复时间的延长出现先逐渐升高后降低的趋势，这在OBC组表现的尤为明显。pH值最大值均出现在第60天，之后出现降低趋势，可能是由于随修复时间的延长，沉积物中营养物质减少，微生物代谢及呼吸强度减弱，使pH值逐渐趋于稳定[24]。
2.2.2 修复过程中沉积物EC的变化BC组的EC在第0天时为0.62~0.67 mS/cm，修复过程中CK组EC为1.52~23.50 mS/cm(平均6.54 mS/cm)，BC5组为1.74~14.92 mS/cm(平均5.80 mS/cm)，BC10组为2.10~17.95 mS/cm(平均6.11 mS/cm)。OBC组的EC值在第0天时为0.39~0.42 mS/cm，修复过程中OCK组EC值为1.15~15.08 mS/cm(平均5.66 mS/cm)，OBC5组为1.62~19.63 mS/cm(平均6.08 mS/cm)，OBC10组为2.03~23.40 mS/cm(平均6.73 mS/cm)。由图 3可以看出，随修复时间延长和随人工海水盐度增加，各处理组EC均呈明显升高趋势，且在修复后期(60、90 d)增幅较大。OBC组的各盐度组，随生物炭添加量增加，EC升高。OCK、OBC5、OBC10的EC平均值在盐度10组分别为3.11、3.29、3.63 mS/cm；在盐度20组分别为5.35、5.32、5.65 mS/cm；在盐度30组分别为6.84、7.63、8.82 mS/cm。BC组，盐度10人工海水处理组呈现同样的变化趋势(CK、BC5、BC10的EC平均值分别为3.07、3.25、3.41 mS/cm)。这与前人的研究结果一致，有研究显示，添加生物炭虽然能够改善土壤环境，但会增加土壤的电导率[46]，推测主要是由于生物炭的电导率相对较高。因此，在未来的研究中可以考虑在添加之前对生物炭进行预处理，降低其电导率，这可能会进一步提升生物炭的修复效果。而未添加原油组添加生物炭之后，EC较添加原油组相对稳定。推测可能是由于石油烃可以作为微生物的营养物质，且生物炭的多孔结构也可为微生物提供良好的生存环境，使得添加原油组沉积物微生物数量有所增加，有研究显示，土壤中微生物表面带有很多负电荷，电导率也可用来反映土壤微生物的生存状况[47]。
2.2.3 修复过程中沉积物有机质(SOM)的变化添加生物炭可以提高沉积物有机质，且与生物炭添加量成正比(见图 4)。BC组，与第0天相比，修复后BC5、BC10组沉积物有机质分别提高了77.68%、127.18%。OBC组，修复后OBC5、OBC10组沉积物有机质分别提高了64.05%、92.94%。有研究表明，添加生物炭后土壤的有机质含量提高了63.1%[48]，相比之下本研究的结果是令人满意的。由于生物炭本身碳含量较高，且浓缩芳香族碳组分的稳定性较强，这可能导致沉积物有机质含量增加[49]。同时，有研究显示生物炭的添加比例显著影响沉积物有机质，且随添加比例的升高而升高，可归因于生物炭自身的芳香度，这通常意味着较好的化学稳定性，有助于碳素在沉积物中的稳定性[50]。秸秆生物炭作为外源有机物料自身含有丰富的有机质，添加至沉积物后可增加沉积物有机质含量，且外源有机质的输入还可以提高微生物及其活性，进而增加有机质含量[51]。此外，生物炭含有微量的K、Ca、Mg、Fe等矿物，添加入沉积物后可以补充部分矿物养分[52]，它们可以与有机质相结合，同时生物炭的多孔结构和吸附性能可以延缓养分流失，增加沉积物的养分保持能力[53]，也会导致有机质的积累。与之相似的观点，杨玲等[54]的研究发现，生物炭显著提高土壤有机质含量，且随生物炭添加量的增加而增加。另外，生物炭可以改变沉积物的微生物群落结构，并将天然沉积有机质成分转移到更大比例的顽固有机质，这可能会随着长期生物炭改良而改变沉积物有机质周转率[55]。由此可知，生物炭的添加不仅提高了沉积物有机质含量，而且导致矿物元素引入沉积物，从而提高了沉积物的pH值和电导率，这与我们前文的讨论结果一致。有机质在沉积物碳循环中起着重要作用，可为微生物生长和代谢提供碳源和营养物质[56-57]，因此，生物炭的施用能在一定程度上改善沉积环境和提高其碳储量。同时，沉积物中的有机质包含腐植酸，可以通过配体交换、静电吸引、疏水性和氢键等过程使沉积物形成带负电的胶体表面，使更高的电流强度和更快的电渗流过沉积物[58]。腐植酸含有大分子疏水性内部基团(脂肪族和芳香族)和亲水性外部基团(羧基、酚羟基、蛋白质和多糖)，可以充当表面活性剂促进石油烃在沉积物中的降解[59]。因此，生物炭的施用能提高沉积物中有机质的含量，有利于提高石油烃污染物的去除率。
3 结论(1) 将芦苇生物炭用于湿地沉积物生态修复90 d后，对照组添加5%生物炭的沉积物TPH的去除率达到88.11%，添加10%生物炭的沉积物TPH的去除率达到88.96%；3%原油污染组，添加5%生物炭的沉积物TPH的去除率达到43.66%，添加10%生物炭的沉积物TPH的去除率达到52.02%。
(2) 高生物炭添加量可以减轻湿地沉积物高盐度对修复效率的影响，生物炭的添加在修复污染物的同时，对湿地沉积物的盐渍化也有一定的改善作用。
(3) 添加生物炭可以改善并稳定沉积物的pH值，并提高沉积环境的有机质含量，未添加原油的对照组，添加5%和10%生物炭后沉积物的有机质含量分别提高了77.68%和127.18%；3%原油污染组，添加5%和10%生物炭后沉积物的有机质分别提高了64.05%和92.94%。但从电导率的变化情况来看，生物炭的添加对沉积环境有一定的负面影响，生物炭虽然能改善沉积环境，但会增加其电导率，这可能是由生物炭的电导率相对较高造成的，在未来的应用中可以考虑在添加之前对生物炭进行预处理，降低其电导率，以综合提升生物炭的生态修复效果。
因此，将芦苇生物炭应用于受石油烃污染的河口湿地的修复，既能做到湿地原生植被的可持续利用，又能实现湿地的有效生态修复，有深入研究的潜力和广泛推广应用的前景。
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