随着工业化和现代农业的快速发展，重金属（Heavy Metals, HMs）污染已成为全球性的严峻环境与健康挑战。据统计，全球约40%的河流和湖泊已受重金属污染，而土壤污染更是不容忽视，其中镉(Cd)、铅(Pb)等重金属超标问题尤为突出。这些污染物不仅破坏生态系统，还会通过食物链在人体内累积，引发包括心血管疾病、神经退行性疾病在内的多种健康问题。在特定地区，例如一些中药材（如川芎，Ligusticum chuanxiong ）的种植区，土壤中镉含量偏高，导致药材本身重金属超标，严重影响了药材的安全性和疗效。因此，开发高效、低成本且能同步实现污染修复与资源再生的技术迫在眉睫。
传统的中药药渣（Traditional Chinese medicinal herb residues, TCMHR）富含碳及纤维素等有机成分，是制备生物炭（Biochar, BC）的理想原料。生物炭因其成本低、效率高、技术门槛低等优点，在重金属吸附领域展现出巨大潜力。然而，未经改性的原始生物炭往往吸附容量有限，且对土壤肥力的提升作用不明显。近期研究指出，钾离子和磷酸盐对生物炭吸附重金属具有催化作用，而钾和磷本身又是植物生长的必需营养元素。那么，能否开发一种兼具高效重金属固化与土壤肥力提升双重功能的改性生物炭呢？
为此，研究团队开展了一项创新性研究。他们以丹参（Salvia miltiorrhiza ）药渣为原材料，通过磷酸钾改性，成功制备出磷改性生物炭（3K-BC），并系统评估了其对水溶液和土壤中Pb、Cd的去除效果、机制以及对土壤性质和植物生长的影响。该研究成果发表在环境科学与土壤修复领域的重要期刊《Biochar》上。
为了回答上述科学问题，研究人员主要采用了以下几类关键技术方法：首先，通过磷酸盐浸渍与高温热解制备了磷改性生物炭(3K-BC)，并利用31 P NMR（核磁共振）、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对材料进行了系统的表征。其次，通过批次吸附实验，研究了3K-BC对Pb和Cd的吸附动力学和等温线。第三，通过土壤培养实验，设置了不同重金属浓度（低浓度：Pb 200 mg·kg-1 , Cd 0.5 mg·kg-1 ；高浓度：Pb 500 mg·kg-1 , Cd 3 mg·kg-1 ）和不同3K-BC添加量（0%、1%、3%）的对照组与实验组，孵育60天后分析土壤酶活性、有效磷、持水性及重金属形态变化。第四，采用BCR（欧共体标准局）连续提取法和CaCl2 提取法评估了重金属的生物有效性和生态风险。最后，以川芎为模式植物进行了盆栽实验，考察了3K-BC对植物产量、重金属积累以及有效成分（如藁本内酯）含量的影响。实验土壤采自川芎道地产区四川省彭州市。
3.1 溶液中对Pb和Cd的吸附特性
研究人员首先探究了3K-BC在溶液中对Pb和Cd的吸附行为。吸附动力学研究表明，3K-BC对Pb和Cd的吸附过程更符合准二级动力学模型，表明其以化学吸附为主。吸附等温线则符合Langmuir模型，计算出其对Pb和Cd的最大吸附容量分别高达361.82 mg·g-1 和123.03 mg·g-1 ，优于多数已报道的磷改性生物炭。通过对吸附前后材料的表征（SEM-EDS、FT-IR、XPS），揭示了其吸附机制是物理吸附、沉淀作用（与磷酸盐形成Pb/Cd-磷酸盐沉淀）、与含氧官能团（如C=O, -COOH）的络合以及阳离子交换（K⁺与Pb²⁺/Cd²⁺交换）多种作用的协同结果。
3.2 对土壤性质的影响
将3K-BC施加到受Pb/Cd污染的土壤中后，研究人员评估了其对土壤健康指标的影响。结果显示，添加1%的3K-BC能有效缓解重金属对土壤脲酶和中性磷酸酶的抑制，甚至使其活性超过未污染对照(CK)组，但添加量增至3%时促进效果减弱或转为抑制。这表明适量施用有益于土壤微生物活性。此外，3K-BC能缓慢释放有效磷，经过4次提取后仍能保留初始含量的45%以上，显示出作为缓释磷肥的潜力。同时，3K-BC的添加在短期内（前10天）显著提高了土壤的持水能力。
3.3 土壤中重金属的形态分布
采用BCR连续提取法分析发现，未经处理的污染土壤中，Pb和Cd主要以酸溶态（最易被生物利用的形态）存在。施加3K-BC后，酸溶态比例显著降低，而稳定的残渣态比例相应增加。例如，在高浓度污染土壤中添加3% 3K-BC，使Cd的酸溶态比例降低了27%，残渣态比例增加了25%。这表明3K-BC成功将土壤中的活性重金属转化为更稳定、环境风险更低的形态。
3.4 土壤重金属生物有效性及潜在生态风险评估
通过CaCl2 提取评估生物有效性发现，3K-BC能显著降低土壤中Pb和Cd的生物可利用含量。在3%的添加量下，对低浓度和高浓度污染土壤中Cd的生物有效性降低率分别达到91%和93%，对Pb的降低率也分别达到81%和86%。毒性浸出程序(TCLP)测试结果也显示，3K-BC显著降低了Pb和Cd的浸出浓度。基于TCLP结果的潜在生态风险指数（PI ）和内梅罗综合污染指数（NPI ）计算表明，3K-BC的添加能有效降低土壤的污染水平和生态风险，特别是在低浓度污染条件下，土壤可从警戒水平恢复至较安全状态。2提取的生物有效性；B, C TCLP提取的浸出毒性">
3.5 川芎盆栽实验
最终的盆栽实验验证了3K-BC的实际应用效果。在重金属污染土壤中施用1%的3K-BC，使川芎的产量提高了61%。更重要的是，尽管土壤中存在重金属污染，施加3K-BC的实验组中，川芎对Pb和Cd的生物富集系数（BCF ）和转运因子（TF ）均显著降低，意味着重金属向植物地上部分的转移受到抑制。与此同时，药材的关键有效成分之一藁本内酯（ligustilide）的含量从24.24 mg·g-1 提升至29.63 mg·g-1 ，所有有效成分总量提升了22.1%。这实现了在保障中药材安全（低重金属积累）的同时，提升其产量和品质的双重目标。
结论与意义
本研究成功制备了一种基于丹参药渣的磷改性生物炭(3K-BC)。该材料对水溶液中的Pb和Cd具有卓越的吸附能力，其作用机制涉及物理吸附、沉淀、络合和离子交换等多种途径。将其应用于Pb/Cd污染土壤后，3K-BC能有效将重金属从活性高的酸溶态转化为稳定的残渣态，显著降低其生物有效性和浸出毒性，从而大幅削减生态风险。更为突出的是，3K-BC不仅固化重金属，还能通过提供钾、磷等养分、改善土壤酶活性和持水性来提升土壤肥力，最终在盆栽实验中使主要经济作物川芎实现增产、提质（有效成分含量增加）并降低重金属含量的“三赢”效果。
该研究的重大意义在于提出并验证了一种“以废治废、变废为宝”的闭环策略：将中药材生产过程中产生的大量药渣转化为高附加值的功能化生物炭，用于修复其自身种植区可能面临的土壤重金属污染，同时在修复过程中提升土壤肥力和作物产出质量。这为农业/医药废弃物的资源化利用和重金属污染土壤的安全、可持续修复提供了一条简单、高效且具有巨大应用潜力的新途径。
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