| 朱致远,吴松,郭睿智,施维林,王玉军.二氧化钛负载生物质炭加速铁还原过程中降低三价砷释放风险[J].农业环境科学学报,2026,45(3):664-673. |
| 二氧化钛负载生物质炭加速铁还原过程中降低三价砷释放风险 |
| Titanium dioxide loaded biochar alleviates arsenite release during facilitating microbial reduction of arsenitebearing ferrihydrite |
| 投稿时间：2025-03-02 |
| DOI：10.11654/jaes.2025-0203 |
| 中文关键词: 生物质炭 二氧化钛 砷 铁矿 电子穿梭 厌氧 |
| 英文关键词: biochar titanium dioxide arsenic ferrihydrite electron shuttle anaerobic |
| 基金项目:国家自然科学基金项目（42225701，42477039） |
| 作者 | 单位 | E-mail | | 朱致远 | 苏州科技大学环境科学与工程学院, 江苏 苏州 215009
土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 中国科学院南京土壤研究所, 南京 211135 | | | 吴松 | 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 中国科学院南京土壤研究所, 南京 211135 | songwu@issas.ac.cn | | 郭睿智 | 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044 | | | 施维林 | 苏州科技大学环境科学与工程学院, 江苏 苏州 215009 | | | 王玉军 | 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 中国科学院南京土壤研究所, 南京 211135
中国科学院大学, 北京 100049 | |
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| 中文摘要: |
| 生物质炭具有氧化还原活性，可作为电子穿梭体加速铁矿还原，从而加剧了铁矿中三价砷[As（Ⅲ）]的释放风险。本研究制备负载二氧化钛（TiO2）改性生物质炭，选用铁还原模式菌、硫酸盐还原和产甲烷富集菌液为微生物菌种模拟稻田的厌氧铁还原、硫酸盐还原和产甲烷环境，评估TiO2负载生物质炭在不同还原环境下吸附As（Ⅲ）的稳定性，探究其加速含As（Ⅲ）的水铁矿[As（Ⅲ）-FH]还原过程中对As（Ⅲ）释放的影响。结果表明：TiO2负载赋予了生物质炭吸附As（Ⅲ）的能力，有氧环境中，不同温度制备的TiO2负载生物质炭对As（Ⅲ）的吸附量为1.35~1.73 mg·g-1；当转化为厌氧微生物和阴离子共存的铁还原、硫酸盐还原和产甲烷环境时，仍然保持39.4%~70.4%的As（Ⅲ）吸附能力；砷吸附容量随着氧化还原电位的降低而减小。厌氧微生物还原As（Ⅲ）-FH培养实验结果表明：不同温度下制备的TiO2负载生物质炭依然具有电子穿梭能力，但介导亚铁生成的效率比常规生物质炭低（0.207~0.542 mmol·h-1 vs.0.301~0.918 mmol·h-1）；TiO2负载生物质炭通过吸附磷酸根，减少蓝铁矿生成量，加速菱铁矿的生成；TiO2负载可有效降低As（Ⅲ）-FH还原过程中As（Ⅲ）的释放速度和最大释放量，降低As（Ⅲ）的释放风险。研究表明，利用TiO2吸附As（Ⅲ）抗干扰能力强的特点，通过负载TiO2改性生物质炭，可在模拟的厌氧铁还原、硫酸盐还原和产甲烷环境中降低As（Ⅲ）的释放风险，有助于推动TiO2负载生物质炭应用于稻田砷污染修复。 |
| 英文摘要: |
| Remediation of arsenic-contaminated paddy soils gained numerous scientific attentions in agronomic and environmental studies. Biochar was widely applied for paddy soil pollution remediation, carbon sequestration, and fertility enhancement. However, redox-active biochar can act as an electron shuttle to accelerate the reductive dissolution of arsenite As（Ⅲ）-bearing iron mineral, which exacerbate the environmental risk of arsenic. In this study, modelling iron-reducing, sulfate-reducing, and methanogenesis conditions were constructed by inoculating microbial pure culture or acclimated mix culture. The efficacy of titanium dioxide（TiO2）-loaded biochar immobilizing soluble and ferrihydrite immobilized As（Ⅲ）under these conditions were investigated. TiO2-loaded biochars prepared at 400-700 ℃ exhibited As （Ⅲ）adsorption capacities of 1.35-1.73 mg·g-1 under aerobic conditions. The shift redox environment to iron-reducing, sulfate-reducing, and methanogenesis conditions led to the successive attenuation of As（Ⅲ）adsorption capacity, with 39.4%-70.4% of the capacity was retained. During TiO2-loaded biochars mediating microbial reduction of As（Ⅲ）-bearing ferrihydrite, loading of TiO2 reduced the electron shuttling efficiency as compared to pristine biochars（0.207-0.542 mmol·h-1 vs. 0.301-0.918 mmol·h-1）, but promoted the precipitation of siderite. More importantly, loading of TiO2 on biochars effectively reduced both the rate and extent of As（Ⅲ）release during ferrihydrite reduction. The immobilization of As（Ⅲ）by loading TiO2 on biochars presents a novel strategy to reduce environmental risk of As（Ⅲ） under reducing environment, promoting the application of TiO2-loaded biochar for remediation of arsenic-contaminated paddy soil. |
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