近期，廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所劉同旭研究員團隊，應用先進的光譜和電鏡表征技術，闡明了厭氧條件下礦物-有機質(zhì)-重金屬共沉淀體非生物相變過程中，鎘和有機碳同步固存的微觀分子機制。相關研究成果發(fā)表在地球化學領域權(quán)威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。

亞鐵催化水鐵礦轉(zhuǎn)化過程中，重金屬鎘和有機碳同步固存的微觀機制示意圖

　　隨著“污染防治攻堅戰(zhàn)”與“碳達峰與碳中和”戰(zhàn)略的推進，我國土壤面臨重金屬污染治理與土壤固碳減排的雙重需求。如何將土壤重金屬治理與碳固存協(xié)同，成為當前面臨的重大挑戰(zhàn)。土壤鐵氧化物可通過共沉淀或吸附等方式固定重金屬或保護有機碳，從而降低土壤和沉積物中重金屬和有機碳的移動性。因此，闡明污染土壤和沉積物中鐵氧化物、鎘和有機質(zhì)間的耦合反應過程有助于實現(xiàn)重/類金屬和有機質(zhì)的同步固定。由于鐵礦物非相變過程中，礦物組成的動態(tài)變化常受到亞鐵濃度的影響，該過程會顯著影響鎘和有機碳在礦物-水界面的轉(zhuǎn)移，進而影響其在固-液相的分布，但目前該機制尚不清楚。

　　本研究團隊采用室內(nèi)厭氧模擬實驗，以重金屬鎘和代表性有機質(zhì)富里酸為研究對象，合成了礦物-有機質(zhì)-鎘復合物，利用亞鐵驅(qū)動其轉(zhuǎn)化，借助球差電鏡和同步輻射光譜等先進的表征手段，量化了礦物轉(zhuǎn)化程度和速度，解析了其轉(zhuǎn)化方式，直觀地呈現(xiàn)了相變過程中鎘和富里酸在不同類型次生鐵礦物上的分布，闡明了鎘和有機碳同步固存機制。

　　研究發(fā)現(xiàn)，亞鐵濃度的升高有利于纖鐵礦和針鐵礦向磁鐵礦轉(zhuǎn)化。新形成的次生鐵氧化物可通過表面結(jié)合、結(jié)構(gòu)取代和物理包埋等方式固定鎘；部分有機質(zhì)吸附在針鐵礦表面和磁鐵礦聚集體上；此外，生成的纖鐵礦具有缺陷結(jié)構(gòu)，為有機碳的固存提供了空間。與新形成的鐵氧化物結(jié)合的有機質(zhì)富含芳香和羧基官能團，有利于鎘的固定，而鎘的存在促進了納米孔洞或缺陷的形成，從而增強了有機碳的固存。因此，在亞鐵催化礦物相變過程中可以同時實現(xiàn)鎘和有機碳的固存。

　　研究結(jié)果拓展了對重/類金屬和有機碳在礦物-水-有機質(zhì)界面同步固存途徑的認識，可為同時固定土壤重金屬和有機碳提供科學依據(jù)。

　　論文信息：Shiwen Hu, Lirong Zhen, Shuhu Liu, Chongxuan Liu, Zhenqing Shi, Fangbai Li, Tongxu Liu. Synchronous sequestration of cadmium and fulvic acid by secondary minerals from Fe(II)-catalyzed ferrihydrite transformation. Geochimica et Cosmochimica Acta.

　　論文鏈接: doi.org/10.1016/j.gca.2022.08.006.

　　（省科學院土壤環(huán)境所/供稿）