《Environmental Research》：The role of oxalic acid in nutrient solubilization, potentially toxic elements from sewage sludge biochar, and remineralizers for sustainable local fertilizers
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本研究评估了不同浓度氧化酸对300℃和500℃热解污泥炭（SSB）及两种钾岩（云母片岩和 phonolite）中营养元素（P、K、Ca、Mg、S）及潜在毒性元素（Al、Cd、Cr）溶出特性的影响，发现SSB与钾岩在中等氧化酸浓度下可协同释放更多必需元素而不显著增加毒性元素，为开发可持续多营养肥料提供理论依据。
马塞拉·格拉纳托·巴尔博萨·多斯桑托斯（Marcela Granato Barbosa dos Santos）| 安德烈莎·布拉西·帕伊瓦（Andressa Blasi Paiva）| 卡米拉·罗德里格斯·科斯塔（Camila Rodrigues Costa）| 马特乌斯·布拉西·帕伊瓦（Mateus Blasi Paiva）| 吉尔贝托·德·奥利维拉·门德斯（Gilberto de Oliveira Mendes）| 埃德尔·德·索萨·马丁斯（éder de Souza Martins）| 朱利亚诺·马尔基（Giuliano Marchi）| 约瑟·费雷拉·卢斯托萨·菲略（José Ferreira Lustosa Filho）| 西塞罗·塞利奥·德·菲格雷多（Cícero Célio de Figueiredo）
巴西利亚大学农学与兽医学院，邮编70910-970，巴西利亚联邦区
摘要
全球人口的增长对粮食安全和可持续农业生产提出了严峻挑战。大多数国家严重依赖进口的传统肥料来维持粮食生产。这种依赖性凸显了寻找本地且环保的肥料来源的重要性。在此背景下，污泥生物炭（SSB）和再矿化剂（REMs）成为有前景的营养源。然而，这些材料的天然溶解度较低，需要采用替代方法来提高养分释放率，使其适合用于生产可持续肥料。因此，本研究评估了草酸（OA）对在300°C（SSB300）和500°C（SSB500）下热解的污泥生物炭以及两种钾矿石（云母片岩和闪长岩）中养分（P、K、Ca、Mg和S）和潜在有毒元素（Al、Cd和Cr）溶解的影响。经过化学和矿物学表征后，将这些材料在不同浓度的草酸（0、0.33、0.67和1 mol L-1）中培养10天。结果表明，养分的溶解度取决于草酸浓度、生物炭的芳香性以及再矿化剂的矿物结构。主成分分析（PCA）显示，在中等草酸浓度（0.33和0.67 mol L-1）下，SSB300与云母片岩或闪长岩的混合物释放了更多对植物生长必需的元素（如P、K和Ca），同时没有显著增加潜在有毒元素，使其成为开发可持续多养分肥料的有希望的选择。未来应进一步研究这些材料在土壤-植物系统中的表现。
引言
联合国的最新预测显示，到2050年全球人口将增加约20%（联合国，2024年）。这将需要粮食产量增加约50%以满足新的全球需求（粮农组织；国际农业发展基金；联合国儿童基金会；世界粮食计划署；世界卫生组织，2020年）。为了满足这一需求，全球农业系统依赖于高溶解度的传统肥料（Pudhuvai等人，2024年）。然而，由于疫情和地缘政治危机导致的肥料供应暂时中断，肥料价格上升，限制了农业生产，提高了食品价格，并加剧了粮食安全问题（Vos等人，2025年）。这一事实对巴西农业生产产生了直接影响，因为该行业高度依赖这些投入品的进口。2024年，全国农业使用的肥料约90%来自外部市场（巴西肥料推广协会，2024年）。此外，数十年来传统肥料的不当使用对环境构成了重大威胁（Pudhuvai等人，2024年）。因此，寻找本地可用的养分来源对于改善现状、减少对肥料进口的依赖并促进粮食安全至关重要。
此外，城市人口的增长给废水收集和处理系统带来了挑战（联合国，2023年），导致需要妥善处理的污泥量增加。据估计，2020年市政废水的总量在360至380立方千米之间，预计到2030年将增加24%，到2050年增加51%（Di Giacomo和Romano，2022年）。污泥因其高含量的有机物和养分（主要是磷（P）、氮（N）、钙（Ca）和锌（Zn）而具有作为肥料的潜力（Li等人，2024年）。然而，原始污泥也具有不良特性，如含有可利用的重金属和病原微生物（Ben Hamed等人，2024年；Kirchmann等人，2017年；Malcheva等人，2022年）。另一种方法是将其通过热解转化为污泥生物炭（SSB）用于农业。这是一种在无氧条件下高温转化生物质的热化学过程（Fachini和de Figueiredo，2022年；Vali等人，2023年，2021年）。尽管SSB含有高浓度的养分（主要是P），但其水溶性较低（Santos等人，2024年；Steckenmesser等人，2017年），需要酸性介质来提高其溶解度。
土壤再矿化剂（REMs）是富含养分的磨碎岩石，通常来源于采矿废弃物，是具有巨大潜力的本地可用养分来源。它们是通过机械粉碎岩石得到的材料，可以为作物提供大量和微量养分（Magalh?es等人，2024年）。然而，将REMs用作肥料的效果取决于所需的养分、应用地点和方法（Manning，2018年），以及所含矿物的溶解度和颗粒大小。由于REMs的溶解度相对较低（Manning和Theodoro，2020年），某些岩石中的养分可能牢固地结合在硅酸盐网络中，短期内无法被植物吸收（Van Straaten，2007年），因此可能无法有效作为养分来源。
因此，来自SSB和REMs的养分释放的关键机制是低分子量有机酸的存在，这些有机酸主要由微生物活动产生（Manning，2018年；Zhang等人，2020年）。根际中的低分子量有机酸在改善土壤化学和物理条件方面起着重要作用（Liu等人，2017年）。它们的主要来源是植物根系分泌物、有机物的分解和微生物代谢物（Liu等人，2017年；Zhang等人，2020年）。在有机酸中，草酸（OA）因其能溶解REMs中的P和K（Duarte等人，2022年；Mendes等人，2022年，2020年）以及从SSB中释放P（Santos等人，2024年）而受到关注。草酸是最简单的二羧酸（C2H2O4）之一（Schuler等人，2021年）。羧基的相互作用能力增强了其解离常数，从而增加了释放H+离子的倾向（Riemenschneider和Tanifuji，2011年）。这解释了其强大的溶解能力，类似于硫酸（Mendes等人，2020年）。
在将这些材料用作肥料复合物时，分析大量养分、微量养分和潜在有毒元素的释放动态至关重要，以防止使用过程中的污染。因此，了解草酸如何影响SSB和REMs中的养分释放对于开发更有效的肥料配方非常重要，这些配方可以在不溶解潜在污染物的同时增强养分释放。
部分内容摘录
生物炭的生产和再矿化剂的来源
污泥生物炭（SSB）是由巴西利亚联邦区环境卫生公司所属的梅尔基奥尔污水处理厂收集的污泥样本制成的。污泥样本被风干至约10%的含水量，然后研磨并通过4毫米筛网过滤。之后，在300°C（SSB300）和500°C（SSB500）下在马弗炉（Linn Elektro，Eschenfelden，德国）中进行热解。材料的化学、矿物学和光谱参数
结果表明，这些材料之间存在互补性，表明将SSB与REMs结合具有合成平衡多养分肥料的巨大潜力（表1）。虽然生物炭中的P、N、S、Cu、Zn和C含量较高（p < 0.05），但REMs中的K含量较高（p < 0.05）。具体来说，云母片岩中的Mg含量更高（p < 0.05），而闪长岩中的Mn含量更高（p < 0.05）。此外，闪长岩和SSB500中的Ca含量也较高。结论
结果表明，污泥生物炭（SSB）和再矿化剂（REMs）的结合在生产平衡多养分肥料方面具有巨大潜力。养分的溶解度直接受到草酸（OA）浓度和热解温度的影响。这些性质影响了生物炭的芳香性和吸附能力，以及REMs的矿物结构。多变量分析确定了理想的组合，特别是SSB300与...
CRediT作者贡献声明
约瑟·费雷拉·卢斯托萨·菲略（José Ferreira Lustosa Filho）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论。朱利亚诺·马尔基（Giuliano Marchi）：撰写 – 审稿与编辑。埃德尔·德·索萨·马丁斯（éder de Souza Martins）：撰写 – 审稿与编辑，概念化。吉尔贝托·德·奥利维拉·门德斯（Gilberto de Oliveira Mendes）：撰写 – 审稿与编辑，方法论。马塞拉·格拉纳托·巴尔博萨·多斯桑托斯（Marcela Granato Barbosa dos Santos）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析，概念化。西塞罗·塞利奥·德·菲格雷多（Cícero Célio de Figueiredo）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。未引用的参考文献
美国材料与试验协会，2013年；巴西肥料推广协会，2024年；巴西农业与畜牧业部，2023年；巴西农业、畜牧业和供应部，2017年。未列出的参考文献
粮农组织；国际农业发展基金；联合国儿童基金会；世界粮食计划署；世界卫生组织，2020年利益冲突声明
? 作者声明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。
