利用白酒蒸馏副产物中的水热碳化水相修复矿区农田土壤：实现金属解毒与土壤肥力提升的双重效益

《Environmental Research》：Remediation of mine farmland soil using hydrothermal carbonization aqueous phase from Baijiu distillers' grains: integrated benefits of metal detoxification and fertility enhancement

HTC-AP技术利用白酒糟制备的改良水相处理废弃矿山农田土壤，有效去除镉（46.6–53.2%）和铜（16.0–21.5%），并通过释放速效磷（174–629%）、铵态氮（174–629%）和速效钾（174–629%）提升土壤肥力，同时促进微生物多样性（Simpson指数增加30.65–61.05%）和番茄种子发芽（发芽指数提升21.2–82.5%）。相较于EDTA虽金属去除效率稍低（Cd 63.6%，Cu 37.5%），但HTC-AP兼具土壤改良功能且无营养流失问题。

　　

皮洋|刘涛|侯长兰|刘黎明|胡杰|黄成|邹伟|李彩霞|陈玉贵|罗红梅|翟云波|谢玲玲

湖南大学环境科学与工程学院，中国长沙410082

摘要

矿山农田土壤面临重金属污染和肥力低下等严重问题，因此恢复其生态功能成为当务之急。本研究采用白酒蒸馏残渣经过水热碳化处理得到的水相产物（HTC-AP）作为修复剂，将其效果与传统的螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA）进行比较，并对修复效果进行了全面的多方面评估。结果表明，HTC-AP利用其酸性和丰富的含氧官能团，有效去除了土壤中的镉（Cd）（46.6–53.2%）和铜（Cu）（16.0–21.5%）。更重要的是，HTC-AP主要去除了酸溶性和可还原性的镉和铜成分（这些是最活跃且生物可利用的形式），从而显著降低了它们的环境风险。同时，它还为土壤补充了必需的营养物质和腐殖质：有效磷、铵态氮和有效钾的含量分别增加了174–629%，土壤有机物的腐殖化指数和生物活性指数提高了88–355%。利用修复后的土壤进行栽培实验，并结合Mantel分析发现，HTC-AP通过降低镉浓度（Simpson指数提高了30.65–61.05%），促进了番茄种子的发芽和生长（发芽指数提高了21.2–82.5%）。相比之下，虽然EDTA的金属去除效率略高（镉为63.6%，铜为37.5%），但它会耗尽土壤养分并抑制番茄生长。总体而言，HTC-AP在修复矿山农田土壤方面展现出巨大潜力，同时也为生物质废物管理提供了一种新策略。

引言

采矿作业通常需要大规模的土地挖掘，这会导致植被破坏、土壤重金属污染和养分流失，从而给后续的生态恢复带来巨大障碍。在传统的修复技术中，土壤清洗因其高效、快速和适用范围广而受到重视。然而，其环境可持续性很大程度上取决于所选清洗剂。尽管传统的合成螯合剂如乙二胺四乙酸（EDTA）具有较高的去除效率，但其不可生物降解性、对土壤结构的破坏性以及导致养分流失的倾向限制了其应用（Xiao等人，2019年）。这促使研究人员转向可生物降解的替代品，包括[S, S]-乙二胺二琥珀酸（EDDS）（Zhang等人，2024年）和生物表面活性剂（如皂苷和鼠李糖脂）（Li等人，2023年）。然而，这些替代品仍面临成本高昂或对土壤质量产生不利影响的挑战，而低分子量有机酸（如柠檬酸）则存在螯合能力有限和去除效率不高的问题（Yang等人，2022年）。

利用农业或工业废弃物提取绿色清洗剂是实现可持续修复的一种有前景的方法（Yang等人，2025年）。这些基于生物质的清洗剂不仅成本低廉且可生物降解，研究还表明它们能够改善土壤肥力并去除重金属（Luo等人，2021年；Zhang等人，2019年）。然而，这类清洗剂的制备通常依赖于复杂的提取过程或漫长的堆肥时间，这限制了其大规模应用。最近，水热碳化（HTC）技术因能快速将废弃物生物质转化为富含腐殖质类似物质的产品而受到关注（Shao等人，2023年）。不过，目前大多数研究集中在固体产物（水碳）的修复能力上（Zhu等人，2023年）。而作为HTC过程中产生的液体产物——水热碳化水相（HTC-AP），主要被用于能源回收、藻类培养（Nguyen等人，2023年）或作为土壤改良剂（Feng等人，2025年）。因此，将HTC-AP作为土壤清洗剂进行系统研究仍然是一个相对较少探索的领域。

本研究提出利用白酒蒸馏残渣（BDGs）制备HTC-AP作为一种多功能清洗剂。BDGs是中国白酒产业的主要副产品，年产量超过1亿吨，含有蛋白质、膳食纤维、还原糖、维生素、矿物质和脂类等多种营养物质（Shin等人，2018年；Xu等人，2023年）。然而，如果处理不当，其高水分含量和酸性会对环境造成威胁（Dong等人，2025年）。因此，BDGs独特的化学组成可能使其衍生的HTC-AP含有更多的含氧官能团和有机酸，从而增强金属螯合能力。与需要复杂预处理的传统提取方法相比，HTC技术为BDGs的利用提供了更简洁高效的途径。更重要的是，以往关于清洗剂的研究主要集中在重金属去除效率或微生物活性这一单一指标上（Liu等人，2022年；Wei等人，2023年），而往往忽视了修复后土壤肥力和生态毒性的关键方面。土壤肥力是维持微生物活性和植被生产力的基础，对其的全面评估应涵盖养分有效性、有机物特性和生物响应等多个维度（Du和Zhou，2009年；Li等人，2024年）。

因此，本研究旨在系统评估BDGs衍生的HTC-AP作为土壤清洗剂在重金属修复方面的综合性能。我们的工作不仅关注其重金属去除效率，还通过土壤养分分析、有机物组成以及微生物群落和植物生长的响应来评估其更广泛的环境影响。具体目标如下：（1）表征和分析HTC-AP作为清洗剂的特性和优势；（2）研究清洗条件对重金属去除效率的影响；（3）使用BCR序贯提取法和激发-发射矩阵-平行因子分析（EEM–PARAFAC）方法，比较HTC-AP和EDTA对重金属形态和土壤有机物（SOM）组成的影响；（4）通过观察土壤培养后微生物群落和植物生长的变化，全面评估HTC-AP的土壤修复效果。

部分内容摘录

土壤和BDGs样品的物理化学性质

土壤样品采集自中国湖南省长沙一个矿区附近的废弃农田（23.2730°N, 113.9340°E）。为确保代表性并考虑空间异质性，采用随机多点采样方法获得了代表性复合样品。从地块内随机选定的9个点采集了表层土壤（0–30厘米），避开道路和田埂等明显受干扰的区域。样品在实验室中充分混合后进行后续分析。

HTC-AP的不同元素组成分析

HTC-AP的详细元素组成见表S2。HTC-AP的pH值在3.42到3.65之间，低于原始BDGs的pH值。HTC-AP中的总碳（TOC）含量为16.1至21.5克/升，并且随温度升高而逐渐降低。养分分析显示，在水热处理过程中，NH₄⁺-N和磷逐渐释放到液相中。

结论

本研究探讨了利用BDGs制备的HTC-AP作为土壤清洗剂的可行性，重点关注其对重金属去除、养分动态、微生物群落变化以及种子发芽/生长的综合影响。主要结论如下：

(1)

作为一种含有高度腐殖化有机物的酸性液体，HTC-AP通过去除土壤中的Cd和Cu的F1和F2组分有效降低了金属毒性。具体而言，HTC-AP180对镉的去除率为53.2%，对铜的去除率为21.5%。

CRediT作者贡献声明

翟云波：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。罗红梅：监督。刘涛：数据分析。谢玲玲：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。皮洋：撰写 – 初稿撰写，方法学设计，数据管理，概念构思。侯长兰：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。胡杰：数据可视化。刘黎明：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。邹伟：验证。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金（2024JJ8253）、湖南省生态环境研究项目（HBKYXM-2024010）、自然资源部南方丘陵地区自然资源监测与监督重点实验室开放基金（NRMSSHR2023Y14）以及生态环境部重金属污染监测重点实验室开放基金（KLMHM202428）的支持。