《Ecological Frontiers》：Meta-analysis compares the removal of heavy metals in water and soil by modified biochar from biomass solid waste
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本研究通过元分析系统评估了改性生物炭对重金属在水和土壤中的协同修复效果，发现其显著提升吸附能力（水208%，土65%）和去除效率（水110%，土113%），其中复合改性表现最优，机制因环境而异，为可持续污染治理提供科学依据。
王凤娟|高泽华|熊涛|毕军|张春红
中国云南省土壤侵蚀防治与绿色发展重点实验室，国际河流与生态安全研究所，云南大学，昆明650091
摘要
为应对日益增加的生物质废物和重金属污染这一双重挑战，改性生物炭作为一种具有协同修复效果的解决方案应运而生。通过元分析，本研究量化了改性生物炭在水中和土壤中对重金属吸附能力的增强作用。结果表明，改性显著提高了生物炭在水和土壤中的修复能力，但提升程度并不相同。由于环境复杂性，土壤中的提升效果较为温和，而在水环境中，改性生物炭的吸附能力提高了208%，去除率提高了110%。物理化学复合改性在多种环境条件下均表现出优异的性能，使水中重金属的吸附能力和去除效率分别提高了317%和383%。特别是对于水中的砷（As），其吸附能力提高了539%，去除率提高了535%。更有趣的是，改性生物炭在土壤中对砷的去除率提高了1100%。改性生物炭的最佳条件（改性浓度、类型、热解温度和原料）各不相同。这些差异的原因在于，改性生物炭在水中的主要吸附机制是沉淀、络合反应和离子交换，而在土壤中的固定机制则主要涉及静电相互作用、孔隙填充和官能团络合。最后，本元分析强调了改性生物炭作为可持续重金属修复材料的潜力及其仍存在的挑战，为开发更有效的污染控制策略提供了科学依据。
引言
目前，重金属作为具有显著毒性和生物累积潜力的持久性环境污染物，威胁着生态系统和人类健康，导致严重的全球性问题，如生态退化和不良健康影响[1]。在水体中，铅（Pb）、砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、镍（Ni）和钴（Co）等重金属的浓度经常超过国际允许限值，对健康构成重大风险[2]。例如，过量摄入铜（Cu）[3]、铅（Pb）和锰（Mn）[4]会分别损害肝脏、肾脏和中枢神经系统。此外，低浓度的重金属也对水生生物有害，例如对鱼类造成亚致死性毒性影响，威胁其生存[5,6]。重金属在土壤中的缓慢、持续且不可逆的富集过程不仅改变了土壤的物理化学性质，导致土壤退化[7]，还可能对地下水构成潜在风险[8,9]。因此，有必要对环境中的重金属进行处理，以减轻其对人类和环境的有害影响。随着城市化和工业化的快速发展，农业废弃物和城市固体废物的产生量也在增加[10]。全球每年产生约20.1亿吨城市固体废物[11,12]和50亿吨农业废物[13,14]，其中超过三分之一没有得到妥善管理。这些固体废物的积累将导致土地浪费和环境污染。此外，根据世界卫生组织的数据[13]，仅秸秆燃烧每年就导致700万人死亡。有效解决这两个问题的方法是大规模回收和利用生物质固体废物，并将其制成环保材料来修复重金属污染[15,16]。
从受污染环境中去除重金属通常采用离子交换[17]、膜分离[18]、沉淀[19]和吸附[20]等技术。其中，吸附因其成本效益高、效率高和操作简便而受到广泛青睐[21]。传统的吸附剂，包括活性炭、沸石和天然粘土，由于吸附能力较低、易受干扰且通常不具备选择性而受到限制[16,22]。然而，尽管新型材料（如工程纳米复合材料、磁性吸附剂和金属有机框架）性能优越，但在实际应用中仍存在合成过程复杂、生产成本高和稳定性问题未解决等缺点[23]。鉴于这些限制，寻找能够同时兼顾高性能、成本效益和环境可持续性的吸附剂至关重要。生物炭由于其异质表面、发达的孔结构和高吸附亲和力而成为一种有前景的吸附剂[24]。生物炭通过孔隙捕获[25]、与官能团（-COOH、C-O和-OH）的表面络合[26]以及其负电荷表面促进的静电作用[27]等机制吸附重金属。此外，生物炭通常呈中性或碱性，并具有较高的阳离子交换容量（CEC），能够通过沉淀和表面相互作用有效固定金属阳离子[[28], [29], [30]]。然而，原始生物炭有限的吸附位点限制了其对重金属的吸附性能。改性改善了生物炭的物理化学性质，提高了其吸附能力[31]。常用的生物炭改性方法包括物理[32]、化学[33]、微生物[34]和物理化学复合[35]改性。物理改性提高了生物炭的亲水性、结晶碳结构和孔隙特性，从而改善了其吸附性能[36]。同时，它还增加了生物炭的孔隙率、零电荷点和CEC，通过静电作用、表面络合和离子交换增强了其吸附能力[37]。化学改性，如金属改性[38,39]和碱改性[40]，通过增加含氧官能团（OFGs）的数量和类型、孔径大小和比表面积来提高生物炭的吸附性能。特别是金属改性通过提高CEC[41]和引入额外的金属氧化物[42]，增强了静电作用、络合和化学吸附。
先前的综述总结了改性生物炭在水生和陆地环境中固定重金属的应用研究进展，其中修复效率受到原料选择、改性方法、热解温度和比表面积等因素的显著影响[[43], [44], [45], [46], [47], [48]]。然而，这些综述具有主观性，未能提供特定改性策略对吸附性能影响的定量效应估计。元分析方法可以通过统计整合个别观察结果，得出改性参数如何调节生物炭效果的稳健定量指标。Pathy等人[49]使用元分析研究了活化对生物炭重金属去除能力的影响，但他们没有区分应用环境（水或土壤）。应用环境（水或土壤）通过土壤性质、水环境条件和复合污染特性影响改性生物炭的重金属吸附模式和机制。本研究首次进行了定量的跨环境比较，探讨了改性对生物炭重金属修复性能的影响。这种基于数据的比较方法弥补了传统定性比较和试错实验的不足。这些发现为生物炭的精确设计奠定了科学基础，这对于将实验室研究成果转化为高效、可扩展的环境技术至关重要。
数据来源
改性对不同环境中重金属去除的影响
改性生物炭显著提高了其在水和土壤中的重金属去除效果（图1）。与原始生物炭相比，改性生物炭在水中的去除率和吸附能力分别提高了100%和208%。同样，在土壤中，去除率和吸附量以及固定量分别提高了113%和65%。
改性类型对重金属去除的影响
不同的改性类型显著提高了生物炭的重金属修复效率。讨论
改性显著增强了生物炭在水和土壤环境中对重金属的修复能力。其中，改性生物炭修复重金属的机制主要包括：(1) 物理吸附[55]，改性生物炭出色的表面积和更高的孔隙率通过增加可用位点和促进动态扩散来提高重金属吸附效率；(2) 静电作用[56,57]，改性生物炭的负电荷表面结论
本元分析提供了有力的定量证据，表明改性显著增强了生物炭的重金属修复能力，且这种效果强烈依赖于环境条件。总体而言，与原始生物炭相比，改性使水中的重金属吸附能力提高了208%，去除率提高了110%；而在土壤中，相应的提高幅度分别为65%和113%。尤其是对于砷，其吸附能力
作者贡献
所有作者都对研究的构思和设计做出了贡献。数据整理、调查和正式分析由高泽华和熊涛完成。毕军负责资金获取、资源调配和监督工作。王凤娟负责软件开发、数据可视化和验证。第一稿由王凤娟撰写，张春红进行了关键修订。所有作者都对草稿提出了意见，并阅读并批准了最终稿件。
作者贡献声明
王凤娟：撰写——原始稿件、数据可视化、验证、软件开发、方法论、概念构建。高泽华：方法论、正式分析、数据整理、概念构建。熊涛：方法论、正式分析、数据整理、概念构建。毕军：监督、资源调配、资金获取、概念构建。张春红：撰写——审稿与编辑、资源调配、方法论、资金获取、概念构建。
资助
本工作得到了云南省基础研究项目（资助编号[202302d4040076）、云天华有限公司项目（资助编号[YTH-YF-2025-122）和云南省社会发展专项项目（资助编号[202503AT100004）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
