摘要：近二十年来，生物炭作为一种低成本、可持续、有益的材料，在农业、环境和能源等领域得到了广泛的应用。为了及时阐明生物炭领域的研究现状和未来发展趋势，本文利用CiteSpace系统分析了2019年在Web of Science core collection中检索到的相关文献。基于关键词聚类分析，发现“生物炭生产”、“有机污染物去除”、“重金属固定化技术”、“生物修复”是目前生物炭研究的主要热点。“生物修复”是一个新兴的课题，因其对污染物去除具有高效、环境友好的特性而受到广泛关注。提高生物炭的植物修复效果、固定功能性微生物是生物炭辅助生物修复的常用方法。虽然对于“土壤质量与植物生长”和“生物炭与全球气候变化”的研究减少，但对于生物炭对土壤生物区系和反刍动物毒性的研究持续增加。绿色废弃物(主要是微藻)直接热解和催化热解用于制备生物燃料(生物油、生物柴油、合成气等)和生产生物炭的研究正在增多。将城市垃圾(如污泥、落叶)热解转化为生物炭是一种较好的城市垃圾处理方法，近年来已成为热门话题。此外，由这些城市垃圾产生的生物炭在去除废水和土壤污染物方面表现出优异的性能。本综述有助于确定生物炭研究和应用的未来方向。

生物炭是一种多孔的含碳固体材料，由农作物残渣、生物固体、动物粪便等生物质热解产生。生物炭生产工艺包括慢速和快速热解，闪速炭化，气化，水热炭化等。制备生物炭最常用的方法是慢速热解工艺和水热炭化工艺。生物炭具有高孔隙率、巨大的比表面积、丰富的含氧官能团和矿物质等特殊的性态特征。这种特性使得生物炭在缓解气候变化、可再生能源发电、土壤改良、处理废水和土壤修复方面具有广泛的应用。

目前研究表明工程生物炭可改善农业、环境以及能源的可持续性。制备工程生物炭的方法包括物理 (球磨、微波、气化)，化学（酸和碱、氧化剂、纳米颗粒等）和生物(厌氧消化、微生物固定化、生物积累生物质中目标金属)改性(图1)。通过物理或化学改性获得的工程生物炭在吸附、降解或固定废水和土壤中的污染物方面表现出优异的性能，降低了污染物的可溶性和生物可利用性。然而，通过生物改性合成工程生物炭的研究较少。研究表明，生物质通过厌氧消化然后热解生成的生物炭对重金属和阳离子染料去除效率高。从富含Mg的番茄组织中提取的生物炭对磷具有较高的吸附能力，可以作为一种有效的农田缓释磷肥。但在2018年之前，关于其他生物改性方法(即微生物固定生物炭)的研究还很少。基于生物炭的微生物固定化技术具有高效去除污染物、经济有效、不产生二次污染等优点。而在2018年之前，工程生物炭的实验室测试和实际应用还没有进行综合分析。

尽管过去20年里(1998-2018年)，生物炭在农业、环境和能源方面发挥了良好的环境生态效益，但有关生物炭应用的潜在风险还缺乏研究。即使生物炭中多环芳烃（PAHs），重金属和亲水性生物可降解物质含量低，但其释放也会存在环境风险。此外，热解过程中产生的生物炭持久性自由基(PFRs)对环境具有负面效应，因此也限制了生物炭的大规模应用。为了更好的利用生物炭，全面审查生物炭应用对环境健康的负面效应势在必行。

随着城市化和工业化的发展，可用于生产生物炭的原料种类越来越多。除了用于生产生物炭的常用生物质(主要是农业和林业废料)外，其他具有有益特性的固体生物质也可能适合生产用于农业、环境和能源领域的生物炭。此外，生物炭的应用也会随着农业、环境和能源的需求也会随着时间的推移而发生变化。     

因此，有必要对2019年生物炭的研究发展和未来趋势进一步总结。本研究的具体目标如下：（1）利用CiteSpace软件对生物炭的应用进行科学计量分析，可视化当前生物炭研究的热点和趋势；（2）识别生物炭应用的未来趋势和未发现的不良后果。本文对了解生物炭的研究热点和未来发展方向具有重要意义。

2.1 数据收集和处理

本文选择Web of Science (WOS) 核心期刊数据库，因其收集了大多数相关且有影响力的文章所记录的数据。检索主题为“生物炭”， 检索时间限定在2019年内。标题、摘要或关键词中包含“生物炭”的文章被认为是有效数据。收集数据后，同义词被合并，如“镉”和“Cd”，“重金属”和“重金属”，“二氧化氮”和“NO₂”。

2.2 科学计量学分析工具

本研究采用CiteSpace对数据进行分析，结果具有较高的客观性。CiteSpace是由Chen等人开发的基于JAVA的定量文献计量可视化工具。基于合著者、共词和聚类分析功能，CiteSpace可以找出作者之间的关系和关键词之间的相关性，并指出生物炭研究的新兴趋势、热点和空白。在网络图中，每个节点代表一个条目(例如关键字或作者)，节点的大小表示一个条目的频率或数量。两个节点之间的链接表示这两个节点之间的相关性。

3.1 出版产出的特征

2019年WOS核心文集收录的生物炭领域出版物共2843篇。与前几年相比，发表的论文数量大幅增加，说明生物炭仍是研究热点，值得研究人员持续关注。出版物主要有科学论文、综述、议事论文、书章、会议摘要、评论、编辑材料、新闻、信函九种类型。复杂的出版组成也揭示了生物炭领域的重要性。

3.2 主题类别共现分析

在所有记录中，“环境科学与生态”最受关注，其次是“环境科学”、“工程”、“农业”、“能源与燃料”、“化学”、“工程与环境”、“工程与化学”、“土壤科学”和“科学与技术-其他主题”。与之前20年(1998-2018年)相比，2019年生物炭领域研究对象的研究趋势略有变化。人们对“土壤科学”这门学科的兴趣有所下降，这表明生物炭对土壤质量的研究热度逐渐褪去。“化学” 学科获得了最高的关注度，而不是之前报道的“能源与燃料”，这意味着“化学”在生物炭研究中发挥了更关键的作用。

3.3 国家合作分析

2019年，中国在生物炭领域发表文章最多，其次是“美国”和“韩国”。在全球发表量前15位国家中，中国发表量占比由1998-2018年的25.56%提高到2019年的34.90%，表明中国在生物炭研究中发挥的作用越来越大。

3.4 作者被引分析

本文研究了基于CiteSpace的高产作者协作网络，并列举了2019年生物炭领域高产作者前15名及其发表量。中国科学家在前15名高产作者中占据8席，代表了中国作者在生物炭领域的重要贡献。此外，还有两位作者来自韩国，两位来自巴基斯坦，另有三位科学家分别来自美国，德国和斯里兰卡。在所有作者中，Yong Sik Ok是发文量最多的作家，共发表了55篇文章。此外，与之前的研究相比，Yong Sik Ok、Daniel C.W.Tsang、Guangming Zeng、Gao Bin、Vithanage Meththika和Yunguo Liu仍在最高产作家前15名之列。

3.5 研究热点

关键词分析进一步确定了2019年生物炭研究的热点和未来趋势(图2和表1)。网络地图上的节点可以分为四个研究主题，分别是“生物炭生产”、“有机污染物去除”、“重金属固定化”和“生物修复”(图2)。值得注意的是，“生物修复”是2019年上榜的新话题，而“生物炭与全球气候变化”和“土壤质量与植物生长”的文章发表频率大幅下降。这一趋势表明，2019年，研究人员更多的开始关注更高效、更环保的修复方法，如生物修复。

3.5.1 生物炭生产

绿色废弃物(主要是藻类)和树叶废弃物产生的生物炭获得了高度重视。近年来，海藻被认为是一种高脂、高氮含量且质量可观的环保、可再生、有价值的生物质，可用于生物能源和生物炭生产。藻类，尤其是微藻类的直接热解和催化热解用于制备生物燃料(生物油、生物柴油、合成气等)以及生产生物炭是2019年的主要研究热点。可再生的藻类生物燃料，是一种很有前景的化石燃料替代品。藻类生物燃料可以缓解化石燃料过度使用的问题。藻类热解产生的生物炭可以修复重金属和有机物污染。因此，藻类生物炼制生物燃料及通过热解生产生物炭可以实现能源和环境的可持续性。微波辅助藻类热解是一种备受关注的方法，因为它具有更快的加热速率和转移速度。

叶片垃圾，特别是落叶，因其每年产量大，且目前还没有合适的方法来处理大量的落叶，使得落叶成为农业与城市生态环境研究一个沉重的负担。通过热化学处理将树叶转化为生物炭是一种有机废物管理和避免温室气体排放的新方法。废弃物生物质衍生的生物炭具有去除污染物和改善土壤的有益特性。由叶片衍生的原始或改性生物炭也是有机污染物的优良吸附剂。此外，叶片衍生的生物炭可以作为一种很有前途的土壤改良剂来提高农业生产率。

生物炭与矿物的相互作用会改变生物炭的性质，从而影响其对污染物的吸附能力。研究表明，改性后的生物炭与γ -Al₂O₃之间的相互作用可以显著影响Zn的固定（图3a）。经土壤矿物(蒙脱石、高岭石和针铁矿)改性可增大生物炭的SSA（比表面积）、孔径和供电子能力。矿物改性生物炭对磺胺甲恶唑的吸附能力与热解温度有关（图3b）。同样，也有报道称，纳米二氧化硅的加入增强了生物炭的稳定性、抗老化性和对四环素的吸附性能（图3c）。这些研究为更好地理解生物炭与矿物之间的相互作用及其环境行为具有重要意义。

2019年，关于生物炭应用对环境和健康造成负面效应的研究越来越多。大量研究报道了生物炭对土壤生物区系和水生生物的毒性，生物炭在这方面的负面效应通过生物回避行为测定、评估土壤生物区系的存活率、垂直分布、重量变化、超氧化物歧化酶(SOD)活性和蛋白质含量、水生生物的抑制率和致死率等方法确定。通过代谢组学研究了基因-环境相互作用，从而评估了生物炭对土壤微生物群落的毒性。生物炭的毒性很大程度上取决于原料、热解温度和生物炭的颗粒大小。生物炭输入土壤后导致pH值、多环芳烃和重金属含量、活性氧(ROS)水平升高是生物炭对土壤生物区系和水生生物产生毒性的主要原因。因此，未来生物炭利用所产生的生态安全问题仍是挑战(图4)。

3.5.2 去除有机污染物

2019年，有机污染物的去除研究仍备受关注；这种现象是由于生物炭广泛应用于农业、印染工业、能源等领域。生物炭催化降解有机污染物是2019年的主要研究课题和趋势之一，大部分相关研究论文发表在《化学工程杂志》上。在有机污染物中，抗生素因其(特别是磺胺类药物) 在养殖业、农业和人类医学中的广泛应用而备受关注。改性生物炭能够通过自由基(SO₄^·−、HO·、O₂^·−)氧化作用激活过硫酸盐/过氧化氢，从而有效降解有机污染物(表2)。图5总结了生物炭介导的有机污染物降解的机制。

图2中“dye”的节点非常显著，这意味着染料是2019年经常被讨论的另一种有机污染物。每年，超过28万吨因工业活动产生的合成染料被排放于全球的水体中，对环境构成严重威胁。吸附和光降解是最常用的染料废水处理方法。各种改性生物炭或藻类生物炭可作为有效去除染料废水的活性吸附剂。改性可以改变生物炭的结构，增加孔隙体积、比表面积、官能团、活性位点，强化生物炭和有机染料之间的静电吸引以及与染料的特定相互作用。藻类富含生物活性胺、硫酸盐、羧基和羟基化合物，这些特性有助于染料分子与藻类生物炭表面结合。另一种去除染料的方法是光降解。金属氧化物/生物炭纳米复合材料对染料具有高效的光催化活性，因为金属氧化物纳米颗粒介导了ROS、羟基自由基(HO·)和超氧阴离子自由基(O₂^·−)的产生。产生的ROS作为氧化剂可以将染料分解为多种中间体，在紫外光照射下进一步分解为CO₂和H₂O。

3.5.3 重金属固定化

由于重金属具有不可降解性和高积累性，对人体健康造成极大威胁，重金属污染的治理仍是目前研究的热点。Cd和Pb是包括中国和韩国在内的许多国家农业土壤中的主要污染物，因此受到极大关注。生物炭改性是最大限度发挥生物炭在水体净化和土壤重金属修复作用的有效途径。2019年，越来越多的研究关注于物理、化学和生物改性制备工程生物炭。磷酸盐改性是提高生物炭对Cd和Pb吸附性能的有效途径。磷酸盐改性生物炭和由富含磷的原料(如动物尸体)生产的生物炭可以通过形成稳定的沉淀显著降低Cd和Pb的生物利用性或生物可及性。研究还发现富磷生物炭(骨粉生物炭)可以有效降低Pb对小鼠的暴露风险，这为降低重金属对动物的暴露风险提供了一种有效的补救策略。在2019年，含铁生物炭仍在重金属修复中得到广泛应用。含铁生物炭表现出较强的重金属结合能力，并且引入了磁性颗粒，使其更容易从水溶液中分离再生。载锰生物炭在重金属固定化中的研究也在2019年受到了广泛的关注。制备锰铁氧化物-生物炭复合材料结合了Fe和Mn氧化物的优点，增加了生物炭对重金属的吸附能力。

值得注意的是，“污泥”这一关键词在有关生物炭的出版物中出现频率很高。在中国，污水处理厂每年将间接产生约6000万吨的污水污泥，处理这些污泥将消耗巨大的成本。将污泥转化为生物炭(即污泥炭)将大大降低污泥中重金属的风险和处置成本。此外，污泥衍生的生物炭是重金属的高效吸附剂。因此，污泥生物炭已在2019年广泛应用于土壤和废水中重金属修复。然而，污泥生物炭中重金属浸出的浓度和潜在风险高度依赖于热解温度。随着热解温度的升高，污泥生物炭中重金属对环境的浸出潜力普遍降低。而当污泥生物炭的热解温度≥700℃时，Mn、Zn、Cu的浸出效率显著提高，甚至超过了原始污水污泥的浸出量，给环境带来了风险。从污水泥浆中提取的生物炭也被报道对小麦生长有毒性作用。因此，在广泛应用污泥炭之前评估其负面效果是必要的。

改性生物炭也常用于去除As和Cr，降低它们在水体和土壤中的毒性。铁氧化生物炭被普遍的用于去除水体中和土壤中As和Cr。生物炭中的铁氧化物主要通过络合或与As形成沉淀促进As的去除。铁氧化物改性生物炭能够将As(III)氧化成As(V)，然后将As(V)吸附到生物炭上从而降低As毒性。崔等研究表明，静电吸附、氧化和固定是铁氧化物生物炭去除As毒性的三个主要途径。

鉴于生物炭在去除As中的重要作用，目前对氧化铁改性方法进行了进一步改善，以提高生物炭对As的去除性能，使生物炭具有高利用率、高速率、对水生生物的毒性低的特点。更重要的是，改性生物炭去除As的研究比以往更多地关注天然地下水/废水和水稻土，表明改性生物炭的工程应用是一个研究趋势。越来越多的研究集中在纳米级零价铁(nZVI)改性的生物炭在降低Cr(VI)方面的应用。

3.5.4 生物修复

2019年，网络图上出现了“生物修复”的多个分支，表明生物修复获得重点关注。生物修复包括微生物修复和植物修复，是对各种有机和无机污染物有效且生态友好的处理方法，添加生物炭可以进一步提高其环境修复性能。从2019年发表的所有论文来看，直接将生物炭应用于土壤以提高植物修复效果和将微生物固定在生物炭上以提高其污染物去除效率是生物炭辅助生物修复的主要方法。

生物炭还可以通过促进植物生长从而促进植物修复效应。有研究发现水稻秸秆生物炭可以通过加速As的吸收降低土壤中As的浓度。此外，由粪肥废弃物和茶叶废弃物制备的生物炭也可以通过促进植物生长和减轻氧化应激来提高对污染土壤或沉积物中的重金属植物修复效果。同时，添加生物炭有利于改善微生物群落和酶活性，从而有助于恢复重金属污染土壤或沉积物中土壤功能。除重金属外，生物炭还可以通过促进植物生长来改善石油烃污染土壤的植物修复效果。

生物炭固定微生物可以直接或间接地缓解有机和无机污染物对环境的污染。生物炭原料范围广、孔隙率高、表面积大、矿物成分丰富、表面官能团丰富，为微生物提供了有价值的栖息地和矿物质，是一种适合微生物固定和繁殖的载体。将生物炭上固定的细菌应用于土壤中，可以通过促进植物生长间接提高Cd的去除率，从而提高植物修复效果。改性生物炭固定的异养硝化细菌或光合细菌通过吸附与生物降解相结合，对废水中的铵、磷酸盐和COD具有较好的去除率，对铵、磷酸盐和COD的去除率分别达到87.5%、92.1%和75.5%以上。

以微生物为原料生产生物炭处理重金属污染是另一种生物修复方法。由于培养时间短、数量多、有机配体和官能团丰富，死亡生物源生物炭被认为是处理重金属的优良生物材料。去除机制包括矿物的表面沉淀、离子交换、表面络合和阳离子-氢化物相互作用。

本文利用文献计量学的关键词聚类分析方法对2019年生物炭研究的热点和趋势进行了综述，对今后的研究方向有一定的指导意义。生物修复是环境修复领域未来的研究趋势之一，因为它具有成本效益高、无二次污染和环境友好等特点。基于生物炭的微生物固定化技术是一种很有前途的废水和土壤污染物处理技术，特别是有机污染物的降解。然而，在生物炭上固定微生物对抗生素、亚甲基蓝染料、多环芳烃等高分子有机污染物的降解研究还很少。有机污染物在化学降解过程中产生的自由基会引起生态毒理学风险。因此，生物降解在降解有机污染物中发挥着更加关键的作用，进一步探索基于生物炭的新型微生物固定化技术，用于有机污染物的生物降解是非常必要的。应当注意到，生物炭中高浓度的水溶性有机化合物、多环芳烃和PFRs的存在可能对微生物造成毒性，这限制了固定在生物炭上的微生物生长和繁殖，以及它们在有机污染物生物降解中的作用。生物炭中水溶性有机化合物、多环芳烃和PFRs的含量很大程度上取决于原料类型和热解温度。生物炭颗粒大小也可能影响其对微生物的毒性。为了降低对微生物的毒性，需要选择合适的生物炭作为微生物的固定载体。由丰富的矿物元素引起的生物炭强碱性也可能降低微生物的活性。用酸和水洗涤生物炭以去除生物炭中的矿物质，或选择能产生中性生物炭的原料，可以降低生物炭对微生物的毒性。

鉴于工程生物炭在可持续环境、农业和能源开发等领域的优势和广泛应用，在大规模应用前应考虑其潜在的和非预期的生态毒理学后果。纳米金属氧化物/羟基生物炭复合材料因其在环境污染治理方面优于原始生物炭获得广泛青睐。然而，随着生物炭的应用，金属氧化物NPs(如Fe₃O₄、ZnO、TiO₂ NPs)会被释放到环境中，影响陆生和水生生态系统。大量的研究强调了金属氧化物NPs本身对土壤生物和水生生物的潜在毒性。已有研究表明，包埋nZVI的生物炭会降低大肠杆菌的SOD活性，从而对大肠杆菌生长产生负面影响。因此，在工程生物炭广泛应用于农业、环境和能源之前，必须对其潜在风险进行长期和仔细的评估。同时，改造费用限制了工程生物炭的推广和应用，因此未来工程生物炭生产应更多地考虑低成本的方法。

除了与原始/工程生物炭有关的有毒物质可能产生的生态毒理学后果外，将生物炭应用于土壤修复过程中还发现了其他潜在的非预期后果。例如，生物炭对土壤NH₄-N的强烈亲和力可能会降低NH₄-N对植物的有效性。虽然生物炭在固定土壤中的重金属方面非常有效，但是也可能因此减少植物生长所需的痕量元素含量。有研究发现生物炭改性显著降低了有效态锌的含量。长期施用生物炭的农作物缺乏必需微量金属的潜在风险也应引起极大关注。

翻译：南琼（浙江大学），王玉军课题组（南京土壤研究所）

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