改性复合生物炭的潜在生态毒性及其对全氟辛酸污染沉积物生态毒性的控制

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沉积物是水生态系统的重要组成部分,既是各种持久性有机污染物的“汇”又是各污染物的“源”。发展高效率和低成本的污染沉积物的原位修复技术对于保护水生态系统显得至关重要。生物炭是一种重要的绿色原位修复材料。但直接采用原始生物炭作为修复剂存在污染物吸附量有限和吸附选择性差等局限性,而改性生物炭则显著提高或改进对污染物的吸附性能。目前关于改性生物炭的研究基本是基于单一生物炭。将活性污泥与含碳量较高的生物质材料混合并加以改性制备一种新的改性复合生物炭,既能充分利用活性污泥又可提高生物炭的吸附性能。本研究首次将不同混合比例的玉米秸秆和活性污泥在650℃下共热解制备KOH、H3PO4改性复合生物炭,并进行吸附性能测试和理化表征。选取吸附性能最佳的改性复合生物炭(KCA82)作为吸附剂,以铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)为测试生物,以全氟辛酸(PFOA)为目标污染物,在PFOA(10μg g-1)加标沉积物中添加不同比例(1%、3%和5%)、不同颗粒大小(100目和200目)的KCA82,采用30 d沉积物生物测试,考察KCA82对铜锈环棱螺的潜在生态毒性及其对沉积物中PFOA生态毒性的控制效力,以期获得制备基于玉米秸秆和活性污泥的改性复合生物炭的最佳工艺以及改性复合生物炭控制沉积物中PFOA生态毒性的优化条件,为将来利用改性复合生物炭修复PFOA污染沉积物的实践和改性复合生物炭的长期环境应用规范的制订提供科学依据。研究结果显示,改性复合生物炭的吸附能力很大程度上取决于玉米秸秆与活性污泥的配比、改性剂的种类和改性方法。炭化前KOH改性和炭化前H3PO4改性均可显著改善复合生物炭的吸附能力,而且KOH改性比H3PO4改性更有利于提高生物炭的吸附容量。炭化前KOH改性通过改善复合生物炭的表面纹理和表面特性、增加其含氧官能团和芳香性,从而显著提高复合生物炭的吸附能力。然而,炭化后改性则不能提高复合生物炭的吸附能力。复合材料中相对高比例的污泥不利于提高吸附能力,玉米秸秆与活性污泥的最佳配比为8:2(w:w)。在改性复合生物炭中,KCA82具有最大的碘吸附值(900.20 mg g-1),对亚甲基蓝(186.48 mg g-1)具有优异的吸附能力。KCA82吸附能力的增强主要受表面络合、静电吸引和表面性质的控制。因此,KCA82具有作为高效吸附剂用于污染修复的潜力。沉积物生物测试显示,KCA82可引起铜锈环棱螺肝胰脏DNA轻微损伤和氧化应激,可以认为KCA82具有较低的生态毒性风险,且随着KCA82添加比例的增加其效应增强,但与颗粒大小无关。在PFOA单独加标沉积物暴露下,PFOA能在铜锈环棱螺内脏团中显著积累,并造成DNA损伤和氧化损伤,PFOA对铜锈环棱螺具有明显毒性。在KCA82和PFOA联合加标沉积物暴露下,KCA82通过显著降低沉积物间隙水中PFOA的浓度而降低其在铜锈环棱螺体内的生物积累,从而降低PFOA对铜锈环棱螺的氧化胁迫。在试验浓度范围内(1%~5%),KCA82添加比例越高、颗粒越细,则降低PFOA毒性的能力越显著。综合考虑改性复合生物炭KCA82对铜锈环棱螺的毒性、及其对PFOA污染沉积物的生物有效性、生物积累和生态毒性的控制效力及其制备成本,建议KCA82用于PFOA污染沉积物修复的合适添加量为3%的小颗粒(200目)。
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