Механизмы, эффективность и воздействие биоугля на окружающую среду при ремедиации почвы

Загрязнение почвы в результате накопления тяжёлых металлов, пестицидов и органических загрязнителей вызывает обеспокоенность во всём мире. В данной обзорной статье рассматривается биоуголь как эффективный метод ремедиации почвы, с особым вниманием к его роли в иммобилизации тяжёлых металлов, снижении токсичности пестицидов, повышении плодородия почвы и активности микроорганизмов. Высокая удельная поверхность и пористая структура биоугля делают его эффективным биоматериалом для снижения активности загрязняющих веществ и улучшения качества почвы. В обзоре также рассматривается важная роль биоугля в связывании углерода и смягчении последствий изменения климата, что способствует устойчивым методам ведения сельского хозяйства. Обсуждаются такие аспекты, как размер и глубина внесения биоугля в почву, его влияние на урожайность сельскохозяйственных культур на различных типах почв и улучшение состояния экосистем. Биоуголь также способствует повышению микробиологической активности почвы, регулирует круговорот питательных веществ и разложение органических веществ, улучшает структуру почвы, повышает водоудержи-вающую способность и катионообменную ёмкость (КОЕ), поддерживает её плодородие и снижает подверженность эрозии. Таким образом, потенциал биоугля в устойчивом сельском хозяйстве и охране окружающей среды очевиден, и многочисленные исследования подчёркивают его важную роль в улучшении качества почвы и снижении загрязнения.

1. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). The future of food and agriculture: Trends and challenges. – Rome: FAO, 2017.

2. Liu Y., Chen Z., Wang L., Zhang H. Heavy metal contamination in agricultural soils and its impact on food safety in China: A review// Environmental Pollution. – 2022. – Vol. 301. – P. 119026.

3. Li J., Sun R., Huang Y., Zhao X. Impact of heavy metals on soil microbial diversity and agricultural productivity: Challenges and perspectives // Journal of Hazardous Materials. – 2023. – Vol. 443. – P. 130255.

4. Zhang C., Nie S., Liang J., Zeng G. Impacts of pesticide residues on soil microbial communities and ecosystem functions: A review // Chemosphere. – 2020. – Vol. 242. – P. 125535.

5. Kameyama K., Miyamoto T., Shiono T. Biochar application to contaminated soils: A promising strategy for soil remediation and carbon sequestration // Agriculture. – 2021. – Vol. 11, № 1. – P. 34.

6. Alloway B. J. Heavy metals in soils: Trace metals and metalloids in soils and their bioavailability. 3rd ed. – Springer, 2013.

7. Zhang M., Song W., Wang H. Influence of biochar on heavy metal speciation and bioavailability in soil: A review // Journal of Environmental Management. – 2019. – Vol. 232. – P. 123–130.

8. McGrath S. P., Zhao F. J., Lombi E. Plant and rhizosphere processes involved in phytoremediation of metal-contaminated soils // Plant and Soil. – 2015. – Vol. 232. – P. 207–214.

9. Li H., Dong X., da Silva E. B., de Oliveira L. M., Chen Y., Ma L. Q. Mechanisms of metal sorption by biochars: Biochar characteristics and modifications // Chemosphere. – 2020. – Vol. 246. – P. 125609.

10. Lehmann J., Rillig M. C., Thies J., Masiello C. A., Hockaday W. C., Crowley D. Biochar effects on soil biota – A review // Soil Biology and Biochemistry. – 2011. – Vol. 43, № 9. – P. 1812–1836.

11. Zhao L., Cao X., Mašek O., Zimmerman A. Heterogeneity of biochar properties as a function of feedstock sources and production temperatures // Journal of Hazardous Materials. – 2018. – Vol. 350. – P. 93–102.

12. Liang B., Lehmann J., Solomon D., Kinyangi J., Grossman J., O’Neill B., Skjemstad J. O., Thies J., Luizão F. J., Petersen J., Neves E. G. Black carbon increases cation exchange capacity in soils // Soil Science Society of America Journal. – 2006. – Vol. 70, № 5. – P. 1719–1730.

13. Clough T. J., Condron L. M., Kammann C., Müller C. A review of biochar and soil nitrogen dynamics // Agronomy. – 2013. – Vol. 3, № 2. – P. 275–293.

14. Jeffery S., Verheijen F. G. A., van der Velde M., Bastos A. C. A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis // Agriculture, Ecosystems & Environment. – 2011. – Vol. 144, № 1. – P. 175–187.

15. Sohi S. P., Krull E., Lopez-Capel E., Bol R. A review of biochar and its use and function in soil // Advances in Agronomy. – 2010. – Vol. 105. – P. 47–82.

16. Gao S., DeLuca T. H., Cleveland C. C. Biochar additions alter phosphorus and nitrogen availability in agricultural ecosystems: A meta-analysis // Science of The Total Environment. – 2018. – Vol. 643. – P. 926–935.

17. Ameloot N., Graber E. R., Verheijen F. G. A., De Neve S. Interactions between biochar stability and soil organisms: Review and research needs // European Journal of Soil Science. – 2013. – Vol. 64, № 4. – P. 379–390.

18. Chen L., Xu S., Liu Y., Zhang W., Shen C. Effects of pyrolysis temperature on the properties of biochar and its adsorption behavior for heavy metals // Bioresource Technology. – 2021. – Vol. 329. – P. 124839.

19. Tan X., Liu Y., Zeng G., Wang X., Hu X., Gu Y., Yang Z. Biochar as potential sustainable precursors for activated carbon production: Multiple applications in environmental protection and energy storage // Bioresource Technology. – 2020. – Vol. 293. – P. 122070.

20. Wang S., Gao B., Zimmerman A. R., Li Y., Ma L. Q., Harris W. G. Removal of arsenic by magnetic biochar prepared from pinewood and natural hematite // Bioresource Technology. – 2021. – Vol. 299. – P. 122622.

21. Zhang X., Wang H., He L., Lu K., Sarmah A., Li J., Bolan N. S., Pei J., Huang H. Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutan-ts // Environmental Science and Pollution Research. – 2020. – Vol. 27. – P. 22126–22141.

22. Mukherjee A., Lal R., Zimmerman A. R. Impacts of biochar and other amend-ments on the sorption and leaching of pharmaceuticals and personal care products from soils: A review // Science of The Total Environment. – 2021. – Vol. 757. – P. 143937.

23. Zhou Y., Gao B., Zimmerman A. R., Fang J., Sun Y., Cao X. Sorption of organic pollutants by biochars: Sorption mechanisms, influencing factors, and environmental implications // Environmental Science & Technology. – 2022. – Vol. 56, № 3. – P. 1430–1442.

24. Jia X., Zhuang J., Ye H., Yang W., Chen X., Zhang W. Synergistic effects of biochar and organic amendments on the remediation of heavy metal contaminated soils: A review // Journal of Hazardous Materials. – 2021. – Vol. 416. – P. 125776.

25. Chen T., Jing W., Feng G., Ying L., YuHuan S., Yongming L. Biochar and bacteria inoculated biochar enhanced Cd and Cu immobilization and enzymatic activity in a polluted soil // Environmental International. – 2020. – Vol. 137. – P. 105576.

26. Yan Z., Liu X., Li R., Huang J., Zheng J., Zhang X. Effects of biochar application on greenhouse gas emissions from agricultural soils: A meta-analysis // Science of The Total Environment. – 2021. – Vol. 753. – P. 142020.

27. Liu Y., Chen Z., Wang L., Zhang H. Biochar's role in enhancing soil fertility and agroforestry sustainability: A review // Journal of Environmental Management. – 2022. – Vol. 310. – P. 114758.

28. Cao X., Ma L., Gao B., Harris W. Dairy-manure derived biochar effectively sorbs lead and atrazine // Environmental Science & Technology. – 2009. – Vol. 43(9). – P. 3285–3291.

29. Ryu C., Kim Y., Park J., Kim Y. S. Effect of biochar application on heavy metal mobility and microbial activity in contaminated soil // Chemosphere. – 2018. – Vol. 195. – P. 467–474.

30. Mukherjee A., Zimmerman A. R., Harris W. Surface chemistry variations among a series of laboratory-produced biochars // Geoderma. – 2011. – Vol. 163, № 3–4. – P. 247–255.

31. Rajapaksha A.U., Chen S.S., Tsang D.C.W., Zhang M., Vithanage M., Mandal S., Gao B., Bolan N.S., Ok Y.S. Engineered/designer biochar for contaminant removal/immobilization from soil and water: Potential and implication of biochar modification // Chemosphere. – 2016. – Vol. 148. – P. 276–291.

32. Johnson M. G., Wang X., Xu J., Liu Q., Chen Y. Biochar enhances heavy metal immobilization and microbial activity in contaminated sandy soils // Environmental Pollution. – 2021. – Vol. 273. – P. 116510.