生物炭應用之環境風險

前言

兩年前，上下游新聞有一篇生物炭報導相當詳細，訪問了許多學者與官員。對於生物炭的環境影響考量重點有：重金屬、戴奧辛與多環芳香烴PAHs。

今年剛發表的研究論文非常詳細地整理了生物炭的各種可能危害和風險，在討論相關議題時應該要很審慎地看待。

最簡單粗略的結論是：

• 生物炭的材料來源是否含有高濃度的有害物質？
• 生產過程是否足夠嚴謹？
• 生產成品是否有進行檢驗，濃度低於規範標準？

如果都沒問題，那麼整體風險將非常微小，反之若隨意地生產與應用，那自然會有些令人擔憂的影響。

文章摘要

本研究探討生物炭在環境應用中的潛在風險。研究者系統性分析文獻，將生物炭的風險區分為內源性和外源性污染物，並詳細探討原料、製備過程和應用場景對環境風險的影響。文章闡述了生物炭對動植物、微生物和人類健康的負面影響機制，包括污染物釋放、老化和奈米效應。最後文章總結了生物炭的環境風險評估方法，並提出建議以確保生物炭的永續發展和安全應用。

研究方法

本研究透過系統性地分析和整合來自Web of Science的相關研究，探討生物炭在環境應用中的潛在風險。研究方法主要分為以下幾個部分：

• 文獻檢索與篩選：研究人員在Web of Science資料庫中，使用關鍵字「biochar」和「biochar AND risk」進行檢索，收集了2014年至2023年的相關文獻。接著仔細審閱每篇文章，排除不相關的文獻，確保納入分析的文章都與生物炭的風險相關。此外，研究還特別關注了五個主要期刊，包括 Environmental Science & Technology、Environmental Pollution、Journal of Hazardous Materials、Biochar 和 Science of the Total Environment。
• 風險分類：研究將生物炭的風險分為內源性風險和外源性風險。內源性風險主要來自生物炭的原料，例如原料中含有的多環芳香烴（PAHs）和重金屬。外源性風險則是指生物炭在環境中吸附的污染物，這些污染物可能來自土壤、水或空氣。
• 影響因素分析：研究深入分析了原料類型、製備條件（如熱解溫度）和應用情境對生物炭環境風險的影響。例如，不同的熱解溫度會影響PAHs和重金屬的含量。
• 生物影響評估：研究探討了生物炭對動物、植物、微生物和人類健康的負面影響，並闡明了污染物釋放、老化和奈米效應等相關機制。研究指出，生物炭中的污染物可能通過食物鏈累積，對生物體造成毒害。
• 環境風險評估方法：研究綜述了生物炭的環境風險評估方法，包括風險評估模型、化學分析和生物測試。
• • 風險評估模型：使用了植物毒性測試、地質累積指數（GAI）、風險評估代碼（RAC）和潛在生態風險指數（RI）等模型來評估生物炭的環境風險。這些模型主要用於評估重金屬的污染程度和生態風險。
  • 化學分析：使用了索氏萃取、固相微萃取、液體萃取、微波消化等方法來測定生物炭中污染物（如PAHs和重金屬）的含量。
  • 全細胞生物感測器技術：利用基因工程改造的微生物來檢測生物炭中特定污染物（如重金屬和抗生素）的生物可利用性。
• 老化效應研究：研究探討了生物炭在環境中老化過程中的物理、化學和生物交互作用，這些作用會改變生物炭的特性，並可能導致污染物二次釋放。
• 奈米生物炭影響：研究還關注了奈米生物炭在環境中的遷移和轉化，以及其對植物、動物和微生物的潛在影響。奈米生物炭因其較小的粒徑和高移動性，可能對環境造成更大的風險.

生物炭之環境風險

生物炭的環境風險主要可分為兩大類：內源性風險和外源性風險。

• 內源性風險：
• • 來源：主要來自生物炭的原料，例如原料中含有的多環芳香烴（PAHs）和重金屬。
  • 影響因素：
  • • 原料類型：不同原料的生物炭含有不同的污染物。例如都市固體廢棄物可能含有PAHs和聚苯乙烯，而污水污泥可能含有重金屬如鉛（Pb）、鉻（Cr）和鎘（Cd）。
    • 熱解溫度：熱解溫度會顯著影響生物炭中PAHs的含量。研究顯示，在較低的溫度下（≤ 200°C），PAHs含量較低，毒性也較小。較高溫度（600-800°C）可能導致PAHs含量增加，但在超過800°C時，PAHs可能會分解成較小的化合物，導致含量下降。此外，重金屬在熱解過程中也可能揮發或殘留在生物炭中，其含量會隨著溫度的變化而有所不同。例如，非揮發性金屬（如鐵（Fe）和銅（Cu））的含量會隨著溫度升高而增加，而某些揮發性重金屬（如鎘（Cd），汞（Hg）和砷（As））的含量則可能先增加後減少。
  • 污染物種類：
  • • 多環芳香烴（PAHs）：PAHs的含量與熱解溫度和原料有關。高環數的PAHs更易於在土壤中傳輸和轉化，毒性較高，對環境風險較大。
    • 重金屬：重金屬的豐富程度受熱解溫度、原料和重金屬化學形態的影響。生物炭中重金屬的生物可利用性比其總濃度更重要，而重金屬的化學形態是影響其生物可利用性的關鍵因素。
    • 環境持久性自由基（EPFRs）：EPFRs在生物炭生產過程中產生，並會產生活性氧（ROS），對農業環境和人類健康造成危害。EPFRs的濃度取決於熱解溫度和原料。
• 外源性風險：
• • 來源：指生物炭在環境中吸附的污染物，例如重金屬和PAHs。生物炭本身不會去除污染物，而是通過固定作用減少其移動性，因此吸附的污染物可能仍然具有毒性。
  • 老化效應：
  • • 物理、化學和生物交互作用：生物炭在環境中會經歷老化，包括物理、化學和生物交互作用，這些作用會改變其表面形態、pH值和元素組成。
    • 污染物釋放：老化可能導致生物炭吸附污染物的能力下降，並可能引發吸附污染物的二次釋放。例如，生物炭表面氧化和孔隙增加可能會促進重金屬的釋放。
  • 奈米生物炭：
  • • 移動性與傳輸：風化和老化會使生物炭降解成奈米生物炭。奈米生物炭因其粒徑小（通常小於100奈米）和高移動性，更容易遷移到土壤甚至地下水中，影響地下水品質。
    • 對生物的影響：奈米生物炭可能被植物根系吸收，並在植物組織中累積，對食物鏈造成風險。此外，奈米生物炭還可能對植物產生毒害作用，阻礙氣孔，影響植物呼吸。

生物炭對生物體的風險包括：

• 動物：生物炭可能對蚯蚓產生負面影響，減少其生長和數量。此外，生物炭中的PAHs會干擾線蟲，進而影響土壤食物網。奈米生物炭可能產生氧化壓力，損害細胞膜，並可能通過食物鏈對魚類產生危害。
• 植物：高污染物的生物炭可能抑制植物生長，降低產量，並減緩根系生長。生物炭表面的陽離子可能與土壤中的氮和微量元素結合，影響植物對營養物質的吸收。此外，生物炭中的EPFRs也會抑制植物生長和發芽。
• 微生物：生物炭中的高濃度PAHs可能具有突變性，導致微生物基因突變。重金屬和有機污染物會抑制微生物活性，而生物炭可能會吸附微生物用於交流的信號分子，干擾微生物間的溝通。此外，生物炭中的EPFRs也會對微生物產生毒害作用。
• 人類健康：生物炭的粉塵可能通過呼吸道進入人體，導致呼吸系統損傷。此外，生物炭中的污染物可能在食物鏈中累積，最終威脅人類健康。EPFRs會導致活性氧產生，加速細胞老化，並可能損害肺細胞和DNA，增加肺炎和心血管疾病的風險.

生物炭之風險評估

生物炭風險評估能夠了解生物炭可能對環境造成的影響，有助於制定有效的管理策略，包括防止水體和土壤污染、保護生態系統健康、維持生物多樣性平衡，以及降低與其應用相關的風險。

風險評估模型

• 植物毒性測試：植物的發芽率可以直接反映生物炭對植物初始生長的毒性影響，因此發芽實驗是常用的環境風險評估方法。
• • 污染物影響：生物炭中的多環芳香烴 (PAHs)、鹽度、揮發性脂肪酸、pH 值和重金屬等污染物，會抑制植物的發芽和生長。
  • 發芽指數（GI）：通過分析這些污染物對種子發芽的抑制程度來評估生物炭的環境風險。GI 的計算公式如下： GI = (處理組種子發芽數 × 處理組根長) / (對照組種子發芽數 × 對照組根長)
  • 局限性：
  • • 實驗時間長，內部機制不明確，且易受環境因素（如溫度、濕度、光照、pH 值）影響。
    • 只能對生物炭的毒性進行定性分析。例如，玉米秸稈生物炭的 GI 值小於 50% 表示具有高植物毒性。
• 重金屬風險評估模型：由於重金屬的毒性和不可生物降解性，對公共健康和生態系統構成長期威脅，因此有三種模型被用於評估生物炭中重金屬的風險。
• • 地質累積指數（GAI）：用於評估土壤或沉積物污染程度的地質化學標準。
  • • GAI = log₂(C_n / 1.5B_n)，其中 C_n 是污泥或生物炭中重金屬的含量，B_n 是土壤中重金屬的背景值。
    • GAI 值分為七個區間，從未污染到極度污染。
  • 風險評估代碼（RAC）：用於量化沉積物、灰、土壤中重金屬的生物可利用性，以及生物質和生物炭中重金屬的潛在風險。
  • • RAC = (F₁ / C_n) × 100%，其中 F₁ 是可交換和碳酸鹽部分的含量，C_n 是重金屬的總含量。
    • RAC 值越高，重金屬的生態風險越大。RAC 值分為五個風險等級：無風險、低風險、中度風險、高風險和非常高風險。
  • 潛在生態風險指數（RI）：根據重金屬的強度、敏感性和毒性評估生態風險。 RI = ∑(E_r)，其中 E_r = T_r × C_f，C_f = C_D / C_R，C_D 是測量的金屬濃度，C_R 是背景濃度，T_r 是每種重金屬的毒性響應因子。 E_r 代表單一重金屬的潛在生態風險，RI 代表所有測量重金屬的潛在生態風險，兩者都分為不同的風險等級。
  • 模型比較：GAI 僅考慮單一重金屬的累積程度，RI 可描述單一或多種污染物的生態風險，RAC 僅考慮可交換和碳酸鹽部分，忽略可還原部分。因此，比較多種風險評估方法可確保全面性和準確性。
  • 應用實例： 研究顯示，豬糞和羊糞生物炭中，銅 (Cu) 和鋅 (Zn) 的 GAI 值從 200°C 到 800°C 降低，鎘 (Cd) 的 GAI 值在 350°C 時達到峰值 2.45（中度至重度污染），然後下降。 高溫熱解可有效降低豬和羊糞生物炭的重金屬污染程度，因為高溫會導致生物質熱裂解，有機物分解，更多重金屬沉積在生物炭中。 高溫也促進了金屬在碳基質中的固定，將不穩定的成分轉化為相對穩定的形式，形成金屬氧化物、硫化物等，從而降低了環境和生態風險。
• 有機污染物殘留風險評估：由於生物炭中主要的有機污染物是 PAHs，因此評估有機污染物的環境毒性通常涉及分析 PAHs 的風險值。
• • 毒性當量（TEQ）：生物炭中的 PAHs 通過索氏萃取法提取，然後根據毒性當量因子（TEF）和各個 PAHs 濃度計算 TEQ。
  • TEQ = ∑ (C_PAHi × TEF_i)，其中 C_PAHi 是生物炭中 PAHs 的濃度，TEF_i 是 PAHs 的毒性當量因子。
  • 風險評估：研究顯示，不同熱解溫度下產生的生物炭，其 PAHs-TEQ 值差異很大。例如，在 ≤ 200°C、200-400°C、400-600°C、600-800°C 和 ≥ 800°C 溫度範圍下產生的生物炭，其 PAHs-TEQ 值分別為 37-3,341 μg kg⁻¹、12-64,640 μg kg⁻¹、195-78,387 μg kg⁻¹、101-355,295 μg kg⁻¹ 和 3,800-169,300 μg kg⁻¹。在這些溫度範圍下產生的生物炭中，分別有 0%、23%、40%、53% 和 83% 超過了基本級生物炭的標準（≤ 12,000 μg kg−1）。

化學方法

化學萃取方法可用於準確了解生物炭中的污染物含量，以確定其可能造成的環境風險。常用的定量方法包括：

• 索氏萃取法
• 固相微萃取法
• 液體萃取法
• 微波消化法
• 參考局（BCR）連續萃取法
• 局限性： 主要測量生物炭中總污染物濃度，而非生物可利用含量。 不同有機溶劑對不同污染物的溶解度不同，不當選擇可能導致污染物萃取不完全。 生物炭的物理化學特性（如比表面積和孔隙結構）可能影響萃取效率。 這些方法是否能準確評估生物炭中污染物的毒性風險仍有爭議。

生物測試

• 全細胞生物感測器技術：全細胞生物感測器是經過基因工程改造的活性微生物，可以檢測環境中的物理和化學物質，並通過報告基因的作用產生電化學或光學訊號。
• • 原理：特定全細胞生物感測器通常由特定基因調控機制中的啟動子構建，並在識別特定目標樣本後通過報告蛋白的表達輸出信號。它們可以識別特定化學物質（如重金屬、抗生素和有機物）並確定其生物可利用性。
  • 應用：全細胞生物感測器技術可用於檢測各種重金屬（如鎘、鉛、鉻、銅、砷和鋅）和有機物（如四環素、PAHs 和 PCBs）。研究證實，生物炭中的污染物仍然具有生物可利用性，顯示了全細胞生物感測器對這些污染物的良好特異性和敏感性。
  • 局限性：
  • • 評估固體材料（如生物炭）中污染物的生物可利用性比在水相中更具挑戰性，因為固體顆粒會強烈影響全細胞生物感測器的生物發光信號。
    • 許多對固體顆粒中污染物生物可利用性的評估，都集中於測量易於萃取的水相中的污染物，而不是固體顆粒的懸浮液。
    • 然而，全細胞生物感測器可以直接檢測與土壤和沉積物懸浮液接觸的更高濃度污染物，而非萃取的水相中的污染物。因此僅測量固體顆粒中易於萃取的水相，不足以反映樣品中污染物的實際生物可利用性。
  • 解決方案：通過開發校正光學信號阻塞的方法，可以更準確地利用全細胞生物感測器評估生物炭中污染物的環境風險。

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