渤海大学鄂涛教授/季承STOTEN: 废皮屑生物炭原位生成CaSO4抑制土壤有机碳矿化

第一作者：季承

通讯作者：鄂涛

通讯单位：渤海大学

DOI：10.1016/j.scitotenv.2022.158776

图形摘要

研究背景

据统计，我国每年将产生约140万吨制革废皮屑（WD），若用传统方法直接焚烧不仅会产生约230万吨温室气体CO₂，而且造成严重的资源浪费。因此，如何实现WD的资源化利用，减少CO₂排放，实现国际“碳达峰”和“碳中和”的目标，成为皮革生产行业的重点难题。然而，以往的研究主要集中在利用WD中的胶原蛋白制备明胶制备、多肽和粘合剂等产品，而关于利用浸渍法和热解技术，将WD制备成改性生物炭的同时，在其表面上原位生成目标产物，并应用到土壤固碳降碳的应用研究还鲜有报道。此外，浸渍和热解过程对生物炭的碳固存的影响机制还需详细研究。因此，将WD制备成改性生物炭，并详细研究生物炭在热解过程中碳稳定性和碳保留以及其对土壤有机碳矿化的影响机制、WD的资源化处置和土壤固碳领域具有十分重要的意义。

文章简介

近日，渤海大学化学与材料工程学院化学工艺专业季承硕士研究生为第一作者，鄂涛教授为通讯作者的研究成果《In situ formed CaSO₄ on waste dander biochar to inhibit the mineralization of soil organic carbon》在环境领域国际著名期刊《Science of The Total Environment》（中科院升级版 环境科学类1区，IF=10.753）发表。文中通过浸渍和缓慢热解的方法，成功将WD制备成钙改性生物炭(Ca-BC)，并在其原位生成了CaSO₄，减少了生物炭在热解过程中CO₂和SO₂的排放，使生物炭的碳固存含量升高至21.70%。土壤培养实验和生物信息学分析表明，Ca-BC使土壤TOC含量从22.43%提高到47.19%，增强了土壤固碳能力，这项研究在WD的资源化处置和土壤固碳领域具有巨大的应用潜力。

本文要点

要点一：生物炭的表征

图1：(a)和(b) BC的SEM图像；

(c)和(d) Ca-BC的SEM图像；

(e)和(f) BC的TEM图像；

(g)和(h) Ca-BC的TEM图像；

(j)和(k) Ca-BC的EDS-mapping；

(l)和(m) BC Ca-BC的XPS光谱；

(n) BC和Ca-BC的XRD光谱。

要点二：密度泛函理论（DFT）计算

图 2. (a) CaSO₄生成示意图；

(b) CaO-SO₂、(c) CaSO₃-O₂、(d) Ca-羧基、(e) Ca-羟基和(f) CaSO₄优化后的几何结构； (g) Ca-羟基、(h) Ca-羧基和 (i) CaSO₄ 的能带结构。

要点三：BC和Ca-BC的碳固存能力

图3. BC和Ca-BC 在热解过程中的(a) 碳保留和(b) 碳稳定性；

(c)和(d) BC和Ca-BC的拉曼光谱和FTIR光谱；

(e) C 1s、(f) O 1s、(g) N 1s、(h) S 2p和(i) Ca 2p的高分辨率XPS光谱；

(j) BC和Ca-BC中C 损失、氧化 C 和 C 封存的含量；

(k) Ca-BC的热解过程示意图。

要点四：生物炭对SOC矿化的影响

图4. 培养60天(a) SOC矿化累积量和(b) SOC矿化率的动态变化；

培养60天后不同土壤的(c) pH和(d) 含水量；

(e) 不同处理培养前后土壤TOC含量；

(f-h) 含水量丰度、pH值与土壤TOC含量和SOC 矿化速率的关系。

实线表示基于使用普通最小二乘法估计的线性回归，预测的关系是显著的（p<0.01）。

要点五：微生物群落和多样性分析

图 5. (a) 花瓣图；

(b) 维恩图；

(c) 基于物种单元(OTU)级别的非度量多维尺度(NMDS)的Bray-Curtis (应力<0.001)；

(d-g) 细菌门的Alpha多样性指数；

(h) 细菌门的相对丰度；

(i) 细菌门的热图；

(j)和(k) 两个最丰富的门和土壤的理化性质之间和SOC矿化率的冗余分析(RDA)。

要点六：生物炭对土壤微生物群落结构和组成的影响示意图

结论

本研究通过浸渍和热解法成功制备了Ca-BC，并在其表面原位生成了CaSO₄，以增加土壤的固碳能力。表征分析Ca-BC在热解过程中，可以减少CO₂和SO₂的释放，进而增加了Ca-BC的碳保留，在保持原始生物炭稳定性的基础上，使Ca-BC的碳固存含量增加到21.7%。土壤培养实验结果和生物信息学分析表明，Ca-BC通过可以有效提高土壤含水率和pH值，从而使得微生物向稳定碳优势菌Firmicutes转化，导致不稳定碳优势菌门减少，使得SOC的矿化率降低至0.451 mg CO₂ / (g·d)，土壤总有机碳（TOC）含量升高至47.2%，从而提高土壤固碳能力。

作者简介

通讯作者 鄂涛：博士，教授，渤海大学环境工程专业带头人，硕士研究生导师。辽宁省毛皮绿色制造产业技术创新战略联盟理事长，渤海大学环境研究院副院长，锦州市金属材料产业创新联盟专家委员，渤海大学环保产业技术研究所所长。研究兴趣：化工清洁生产工艺，土壤与水污染修复技术、低碳减碳工艺技术开发及钛基功能材料的制备工艺及应用。在ACS Appl Mater Interfaces，J Hazard Mater，Sep Purif Technol，J CLEAN PROD，Mater. Today Chem， J. Environ. Chem. Eng等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI收录论文27篇，主持24项科研项目，以第一发明人获得授权发明专利13项，单项专利转化额度超100万，近三年科技成果转化合同金额623万。

电子邮箱：etao@bhu.edu.cn

第二作者 杨姝宜：渤海大学环境工程专业副教授，硕士生导师。研究兴趣：土壤修复技术和固体废物资源化。在J Hazard Mater，ACS Appl Mater Interfaces, Sep Purif Technol, J. Alloys Compd等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI收录论文16篇，担任《Journal of Alloys and Compounds》，《Journal of Polymers and the Environment》SCI期刊审稿人。

电子邮箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

第一作者 季承：渤海大学化学工艺专业硕士研究生。研究兴趣：土壤固碳及功能吸附材料的研究。目前在J. Environ. Chem. Eng.和Sci. Total. Environ.期刊上发表SCI收录论文2篇。

电子邮箱：939564227@qq.com

文章信息

10. C.Ji, S. Yang, Y. Cheng, L. Liu, D. Wang, S. Zhu, Tao E^*, Y. Li^**. In situ formed CaSO₄ on waste dander biochar to inhibit the mineralization of soil organic carbon. Science of the Total Environment. DOI: 1016/j.scitotenv.2022.158776

供稿人：渤海大学：季承