污泥碱热水解液是在线亚洲精品自拍,精品乱码一区二区三四区视频活性污泥在碱热水解处理过程中得到的高氮液体产品，富含多肽、氨基酸、腐殖质等有机养分以及Ca、Fe、Mg、Zn等植物生长所必需的微量元素，对其进行浓缩后，碱热水解液中具有生物刺激作用的物质含量显著提高，这种浓缩液即为微生营养激励素（MNS）。MNS对改善土壤质量、促进作物生长发育和改良品质具有积极作用，将MNS用于50%替代化肥后，小白菜叶片叶绿素含量提高了60.0%～63.9%，净光合速率较对照组提高85%。但MNS作为一种水溶性液体肥料，在施用过程中存在养分流失、利用效率低的缺点，如TOC淋溶损失高达48%（土柱试验）。此外，MNS中的大分子有机物和生物激励素成分需要通过土壤微生物的转化，这也会显著降低MNS养分利用效率。
生物炭是一类具有比表面积大、孔隙率高、吸附容量高等特点的富碳材料。有研究表明，添加生物炭有助于增加土壤团聚体中的有效磷含量，提高土壤氮、磷的利用率。生物炭与有机肥共同施用能够改善根际土壤微生物群落的多样性和群落结构。因此，生物炭有望作为MNS的载体并发挥协同效应，在留存水分和养分、提高养分利用率、保持土壤健康等方面具有潜力。
不同来源的生物炭对MNS中的养分及生物激励素物质具有不同的吸附固定特征。生物炭粒径对其吸附能力也有较大的影响，随着粒径的减小，生物炭对NH4+的吸附能力、初始吸附速率和解吸效率均有所提高，表明生物炭粒径减小有助于增强吸附能力，但是其缓释能力有所降低。Lian等研究了小牛胸腺DNA在纳米生物炭与块状生物炭上的吸附动力学，与块状生物炭相比，纳米生物炭的吸附速率和最大吸附容量都更高。尽管已有研究报道了生物炭粒径的吸附差异，但对MNS复杂组分（氨基酸、微量元素和植物激素等）的选择性吸附机制尚未明确。
基于此，选取三种粒径的木屑生物炭（40nm、45µm和150µm），分析不同粒径生物炭的理化性质；量化不同粒径生物炭对MNS中N、P、矿物元素和游离氨基酸（FAA）的吸附差异，探究其对MNS中生物激励素成分的吸附固定特征；分析了其吸附机理，以期为MNS炭基肥制备和实际应用提供指导。
1、材料和方法
1.1 试验材料
微生营养激励素购于山西某公司，其含水率为（41.23±2.06）%，pH为10.42±0.20，有机碳、速效磷、钙、镁、铁、蛋白质、游离氨基酸、总氮、NH4+-N、NO3--N含量分别为（72.30±7.80）、（0.12±0.01）、（19.52±1.26）、（0.15±0.01）、（0.68±0.13）、（296.30±5.00）、（31.85±5.00）、（47.40±0.80）、（0.84±0.01）、（6.10±0.07）g/kg。采用三种粒径的生物炭（40nm、45µm和150µm）对微生营养激励素进行养分和激励素物质的吸附，其均购自河南某公司，以木屑为原料，在450~550℃下制备。
1.2 生物炭理化性质测定
三种粒径的生物炭经干燥后，采用元素分析仪测定C、N、H、S含量。通过扫描电子显微镜对生物炭的表面形貌进行表征。取微量生物炭样品直接黏附到导电黏合剂上，并采用溅射镀膜仪喷金45s。用扫描电子显微镜拍摄样品形貌。将干燥后的生物炭与适量干燥的溴化钾粉末加入研钵中，充分研磨多次，然后放入压片机上压片。采用傅里叶变换红外光谱仪对样品的光谱特性进行检测。光谱在波数为4000~520cm-1的范围内连续扫描16次，分辨率为2cm-1。此外，通过表面积分析仪测定三种生物炭的比表面积，样品在110℃下解吸8h后，再进行N2吸附。
1.3 吸附试验
为了研究MNS营养物质与不同粒径生物炭吸附剂接触时间的影响，在300mLMNS（稀释800倍，pH=10.49）中分别加入1g不同粒径的生物炭样品，并在20℃和200r/min下振荡。在0、1、5、10、15、60min采集样品，每次采集1mL，通过0.45µm滤膜后采用总有机碳（TOC）表征三种粒径生物炭对MNS有机物的吸附能力。
1.4 营养成分分析
对MNS稀释800倍（1.25mg/mL），将1g不同粒径的生物炭分别与300mL的MNS稀释液在20℃和200r/min下振荡1h，随后自然沉淀24h，取上清液分析相关营养指标。采用pH计和便携式电导率仪测定pH和电导率；采用钼锑抗比色法测定总磷和磷酸盐；采用紫外分光光度计测定总氮、氨氮和硝态氮；采用总有机碳分析仪测定TOC；上清液经微波消解后采用电感耦合等离子体质谱仪测定矿物元素。采用日立F7000荧光分光光度计分析MNS溶液经三种粒径生物炭吸附前后的三维荧光特性，同时使用超纯水将MNS溶液稀释至TOC浓度低于1mg/L以扣除背景荧光：激发波长（λEx）为200~450nm，发射波长（λEm）为200~600nm，扫描速度为12000nm/min。最后采用荧光区域积分法，使用MATLAB2018b与DOMFluor工具箱对各个荧光区域进行积分，获得各组分的占比。
1.5 植物激素和化感物质测定
将0.4g生物炭与30mL的MNS稀释液（稀释200倍，5mg/mL）混合，在20℃和200r/min下振荡24h，随后静置2h，取上清液用于测定植物激素和化感物质。取500µL上清液和10µL肉豆蔻酸内标物（0.3mg/mL，SigmaAldrich，366889）混合，在0.8mL甲醇水溶液（体积比=3∶1）中溶解。样品涡旋5min后超声处理10min，在4℃下储存10min，然后在13500r/min下离心10min。随后将样品在室温下进行真空干燥。加入80µL甲氧基胺盐酸盐（溶于吡啶中，浓度为15mg/mL），剧烈涡旋2min，并在37℃下孵育90min。向混合物中加入80µLN-甲基-N-（三甲基硅基）三氟乙酰胺和20µL正己烷，剧烈涡旋2min，然后在70℃下衍生60min。之后将样品进行GC-MS分析，通过与内标峰面积比较，用半定量的方法计算植物激素和化感物质的浓度。
2、结果与讨论
2.1 生物炭理化性质
三种粒径生物炭的元素组成如表1所示。
三种生物炭的C、H、N元素含量差异较小，碳含量在54.05%~55.95%之间。45µm生物炭以较高的碳含量和最高的C/N显著区别于其他两种生物炭，表明其具有较高的有机质抗分解性，较低的C/N（20~30）更有利于土壤微生物的分解作用，表明45µm生物炭稳定性较好，较适用于土壤改良和长期固碳。150µm生物炭以最低的H/C原子比呈现高度芳香化特征，表明其热解程度高、化学性质稳定。而40nm生物炭具有最高的H/C原子比，表明其在短期碳循环中可能具有较高的反应活性。不同生物炭样品中均含有少量的N和S，说明生物炭作为土壤改良剂时存在养分限制的问题，需要将其与含氮肥料协同施用。
2.2 吸附容量和效率
以MNS（TOC=326.8mg/L）为研究对象，研究了三种粒径生物炭的TOC吸附特性。就总体而言，接触时间对三种生物炭的吸附效果影响并不大。相比较而言，40nm和45µm生物炭的吸附效果在60min时达到最高值，分别约为14.29、40.75mg/g；150µm生物炭的吸附量则在60min后依然有缓慢的提升（36.04~41.48mg/g），表明该生物炭能够在其表面吸附TOC并将TOC扩散到孔隙中。可见，45µm和150µm能够有效吸附MNS中的TOC，而40nm生物炭对于TOC的吸附效果不如前两者。
生物炭投加量对MNS吸附效果的影响如图1所示。当投加量逐渐增加到8g/L时，45µm与150µm生物炭的去除率增速趋缓，这可能是因为在MNS浓度不变的前提下，过量生物炭提供的吸附位点超出溶液中可吸附物质的总量，导致单位质量生物炭的吸附容量利用率下降。40nm、45µm和150µm生物炭对MNS中TOC的最大吸附率分别为46.57%、66.62%和68.70%，表明MNS中的某些物质不能被生物炭有效吸附。此外，45µm和150µm生物炭的TOC去除率均高于40nm生物炭。这可能是由于生物炭粒径减小到纳米级别后，其表面结构和孔隙通道与大粒径生物炭有较大差异。
2.3 营养物质吸附特性
2.3.1 矿物元素
在MNS溶液的pH为10.42±0.20、电导率为（15.20±0.7）µS/cm条件下，经40nm和150µm生物炭吸附后，溶液pH分别降至8.08和6.03，表明这两种生物炭可通过吸附作用中和MNS溶液的碱性。在低pH下生物炭表面带正电荷，具有更多的吸附位点，进而提升其吸附效率。经45µm生物炭吸附后，溶液pH基本没有变化（约为10.32），这可能是因为生物炭中矿物元素（K、Na、Ca、Mg等）溶出后呈弱碱性。经三种生物炭吸附后，MNS溶液的电导率分别升至347.07、382.50和324.16µS/cm，可能与生物炭添加后离子迁移过程有关。
三种粒径生物炭吸附前后MNS溶液中Al、Fe、Mg、P、S、K、Ca等矿物元素浓度的变化如表2所示。经过40nm、45µm和150µm生物炭吸附后，MNS溶液中Fe元素含量分别减少了63.66%、57.93%和66.25%，表明这三种生物炭能够有效固定Fe。经过150µm生物炭吸附后，MNS溶液中的P含量增加了26倍，这可能是由生物炭组分中P元素的释出所致。MNS经稀释后，其溶液中Ca元素含量较高，这是由于在碱热水解过程中投加了氧化钙以强化污泥破壁效果。生物炭吸附MNS后，Ca元素含量分别减少了34.77%、64.68%和70.48%。此外，经过40nm和45µm生物炭吸附后，MNS溶液中K元素浓度降低，而经150µm生物炭吸附后K元素浓度升高。这些结果表明，生物炭对MNS溶液中的矿物元素普遍具有较好的固定效果，生物炭粒径和组成结构在此过程中具有重要影响。
2.3.2 氮、磷物质吸附
在MNS溶液（稀释800倍）的初始TP、TN分别为（0.44±0.02）、（19.14±1.54）mg/L条件下，经40nm和45µm生物炭吸附后，TP浓度分别降至（0.26±0.04）、（0.12±0.01）mg/L，各减少了40.90%和72.72%；PO43--P浓度分别降至（0.23±0.02）、（0.21±0.02）mg/L，各减少了63.83%和67.02%。而经过150µm生物炭吸附后，TP和PO43--P含量显著增加至（26.80±0.56）、（29.12±1.18）mg/L，这可能因为生物炭中的PO43--P释放到溶液中。40nm和45µm生物炭可以固定MNS溶液中的磷，有望在施用于土壤后提高土壤微生物对磷的利用率。
三种粒径生物炭吸附前后MNS溶液中氮浓度的变化见图2，其中，a、b、c表示组间差异显著性，不同字母代表差异显著（P<0.05）。经40nm生物炭吸附后，NO3--N、NH4+-N和TN浓度分别降低46.73%、77.78%和60.39%。经45µm和150µm生物炭吸附后，三者浓度分别降低89.20%、77.78%、28.10%和90.36%、66.72%、18.12%。上述结果表明，40nm生物炭对TN的吸附能力强于其他两种生物炭，45µm和150µm生物炭对无机氮有较好的吸附固定效果。由于MNS中的氮多为有机氮，上述结果证明40nm生物炭能够较好地固定MNS中的有机氮养分。
经过三种粒径生物炭吸附后，MNS溶液中游离氨基酸浓度由（350.18±33.56）mg/L分别下降至（220.67±12.40）、（242.08±7.56）、（206.84±11.78）mg/L，分别下降了36.98%、30.86%和40.93%。150µm生物炭对FAA的吸附能力最强，其次是40nm生物炭。但是经生物炭吸附后，氨基酸组分和丰度的组成没有发生显著变化（见图3）。上述结果表明，生物炭对N、P养分具有较好的固定能力，氮、磷吸附呈现出较为显著的粒径特异性。将生物炭与MNS协同施用有望减少MNS中氮、磷养分的流失，且大粒径生物炭对无机氮的固定作用以及小粒径生物炭对有机氮的固定作用均能起到缓释效果，促进土壤微生物的繁殖。
2.4 功能物质固定特性
2.4.1 激励素组分
MNS中检测到大量生物激励素物质，包括植物激素和化感物质等，它们具有营养和生物刺激的双重性质，是促进植物生长的关键成分。经三种粒径生物炭吸附后，MNS溶液中均未检测到羟基苯乙酸（HPAs），但检测到微量吲哚乙酸（IAAs），表明生物炭对植物激素有较好的固定效果（见图4）。
此外，经40nm、45µm和150µm生物炭吸附后，吲哚衍生物（IDDs）的浓度分别降低了64.55%、70.20%和58.42%，表明45µm生物炭对IDDs的固定能力更强。芳香族氨基酸（AAAs）的浓度分别降低了65.18%、68.54%和67.82%，说明这三种生物炭对其固定能力较为接近。上述结果表明，三种粒径的生物炭都对MNS中的植物激素和化感物质有较好的吸附固定作用，可显著提高污泥资源化效果。
2.4.2 荧光特征组分
在三种粒径生物炭吸附前后的MNS溶液中，均检出EEM数据集中的6类荧光成分，包括酪氨酸类蛋白质（C1）、色氨酸类蛋白质（C2）、富里酸类有机物（C3）、腐殖酸类有机物（C4）、可溶性微生物副产物（C5）和可见海洋腐殖酸类有机物（C6）。经三种粒径生物炭吸附后MNS溶液中各组分的荧光强度（FI）如图5（a）所示。
MNS溶液中含有较多的溶解性有机物，40nm、45µm和150µm生物炭对各类荧光组分的固定率分别可达到97.66%~99.94%、93.87%~98.73%和97.52%~99.64%，表明三种生物炭均能够较好地固定MNS中的荧光物质，对荧光组分的固定效率没有明显差异。三种粒径的生物炭对色氨酸类蛋白质的吸附率最高（98.54%~99.60%）。色氨酸是一种含吲哚环的芳香族氨基酸，侧链具有共轭的π电子体系，能够与生物炭通过π-π相互作用；吲哚环具有强疏水性，能与生物炭的疏水表面通过疏水相互作用形成强吸附力。此外，三种粒径生物炭吸附前后，MNS溶液中荧光组分的比例存在差异，40nm生物炭对色氨酸类蛋白质和酪氨酸类蛋白质的吸附能力稍弱于45µm和150µm生物炭，这可能与生物炭粒径、表面结构和孔隙通道有关。
2.5 吸附机理
2.5.1 FTIR分析
生物炭吸附MNS前后的FTIR光谱见图6，它揭示了其存在差异化吸附的机制。
对于40nm生物炭而言，吸附前的图谱几乎为一条平整的直线，特征峰峰强较弱，可能由于该生物炭在热解和后续破碎过程中经历了高温处理，炭化程度较高，这使得生物炭具有较高的稳定性和相对较少的官能团。在发生吸附后，3486cm-1处出现O-H的伸缩振动峰，3226cm-1处出现N-H的伸缩振动峰，表明40nm生物炭能够吸附MNS溶液中的氮类物质。位于2973/2903cm-（1C-H的反对称和对称伸缩振动峰）和2453/2285cm-1处（C-H的伸缩和弯曲伸缩振动峰）特征峰的出现，证实该生物炭能够吸附MNS中的碳氢化合物。1623和1130cm-1处分别出现了C=O和C-O的伸缩振动峰，表明生物炭能吸附酸或酯等结构。40nm生物炭能够吸附MNS溶液中某些化合物（如氨基酸、矿物质等），并且该吸附作用主要是通过生物炭表面与有机物间形成氢键作用。
对于45µm生物炭而言，吸附MNS溶液后的红外光谱与吸附前相比，3432cm-1处的O-H峰的峰宽更宽、峰强减弱，位置产生偏移；吸附后位于1256和1134cm-1处的C-O、C-O-C伸缩振动峰峰强明显增加，表明被吸附的MNS类物质主要以分子间的作用力与生物炭相结合，N的吸附以物理吸附为主，与NH4⁺-N吸附率一致。吸附MNS溶液后，150µm生物炭中的O-H官能团由3384cm-1偏移至3424cm-1处，并且1173cm-1处C-O和1062cm-1处C-O-C的伸缩振动峰峰强明显增加。1558cm-1处C=O的伸缩振动峰明显增强，对应P释放导致的pH下降，表明150µm生物炭能够有效吸附MNS溶液中的有机物。上述结果表明，40nm生物炭对氮有较好的固定效果，45µm和150µm生物炭能够较好地固定MNS溶液中的大分子有机物，光谱结果与吸附结果相对应，为生物炭粒径筛选提供了分子层面的证据。
2.5.2 孔隙结构分析
揭示生物炭对MNS中养分的吸附机制对于制备不同功能的生物炭基肥至关重要。吸附行为受生物炭的表面基团、多孔结构和矿物成分等特性影响，涉及物理吸附、表面沉淀、静电吸引和离子交换等多重相互作用。为此，通过分析三种粒径生物炭吸附MNS前后的孔隙结构变化来揭示粒径特异性的潜在吸附机制，结果见表3。生物炭吸附MNS后，40nm、45µm和150µm生物炭的比表面积分别减少56.88%、18.03%和8.96%，表明随着生物炭尺寸增大，吸附MNS后的比表面积下降幅度减小。先前的研究表明，生物炭对氮、磷的吸附能力受其表面积的影响。如表3所示，生物炭的粒径越大，其吸附MNS后的比表面积也越大，但其对总氮和磷的吸附效果越差，这与Kizito等有关氮吸附率与表面积呈负相关的研究结果一致。此外，40nm生物炭吸附MNS后总孔体积下降20.19%（从1.04cm3/g到0.83cm3/g），这进一步证明小粒径生物炭主要通过物理吸附固定MNS中的N、P、小分子有机物及激励素类物质，导致总孔体积减少。
SEM分析进一步验证了不同粒径生物炭的吸附特性（见图7）。相较于吸附前，40nm生物炭吸附MNS后表面更为致密，而大粒径生物炭（45µm和150µm）吸附后表面粗糙度增加，这可能是由官能团（-OH、C=O）介导的氢键、共价键交联及π-π相互作用增强，促进了大分子有机质的富集吸附。综上所述，生物炭的粒径决定了其对MNS中营养物质和激励素类物质的吸附机制。小粒径生物炭主要依赖物理吸附，高效固定N、P养分，符合其增强P在酸性土壤中保留的特点，而大粒径生物炭则依靠表面官能团作用和大孔径结构富集大分子有机质。总体而言，这一尺寸效应为基于作物养分需求优化生物炭基肥提供了科学依据。
3、结论
①三种粒径生物炭的含碳量较高（54.05%~55.95%），但N和S含量较低、芳香化程度较高，表明其作为土壤改良剂的养分补充能力有限。因此，建议与含氮肥料协同施用，以弥补营养缺陷。40nm和150µm生物炭吸附导致MNS溶液pH下降，所有粒径生物炭均引起电导率升高，表明生物炭吸附MNS有助于改良碱性土壤。
②40nm生物炭对氮素（TN、FAA）和P具有较强的吸附能力，而150µm生物炭促进了MNS中P和K的释放，显示其对养分缓释的潜力。此外，40nm、45µm和150µm生物炭对MNS中TOC的吸附率分别为46.57%、66.62%和68.70%，表明微米级生物炭在有机碳截留方面更具优势。同时，三种生物炭均能高效固定荧光组分（色氨酸类蛋白质，98.54%~99.60%）、植物激素、化感物质及Ca和Fe等微量元素，表明其作为有机养分载体的普适性。
③纳米级生物炭（40nm）主要依赖物理吸附高效固定N、P养分和激励素类物质；微米级生物炭（45µm和150µm）则通过表面官能团介导的氢键、共价键交联及π-π相互作用和大孔径结构富集大分子有机质；45µm生物炭在养分的吸附-释放动态平衡方面表现最佳。生物炭可通过尺寸效应调控MNS中养分的吸附固定与缓释行为。（来源：江南大学环境与生态学院江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏省高校水处理技术与材料协同创新中心）
