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廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所研究員劉同旭團(tuán)隊(duì)，應(yīng)用先進(jìn)的光譜和電鏡表征技術(shù)，闡明了厭氧條件下礦物-有機(jī)質(zhì)-重金屬共沉淀體非生物相變過(guò)程中，鎘和有機(jī)碳同步固存的微觀分子機(jī)制。相關(guān)研究近日發(fā)表于Geochimica et Cosmochimica Acta。
隨著“污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)”和“碳達(dá)峰與碳中和”戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)土壤面臨重金屬污染治理與土壤固碳減排的雙重需求。因此，如何將土壤重金屬治理與碳固存協(xié)同，是前沿科學(xué)問(wèn)題與重大挑戰(zhàn)。土壤鐵氧化物可通過(guò)共沉淀或吸附等方式固定重金屬或保護(hù)有機(jī)碳，從而降低土壤和沉積物中重金屬和有機(jī)碳的移動(dòng)性。
因此，闡明污染土壤和沉積物中鐵氧化物、鎘和有機(jī)質(zhì)間的耦合反應(yīng)過(guò)程有助于實(shí)現(xiàn)重/類金屬和有機(jī)質(zhì)的同步固定。由于鐵礦物非相變過(guò)程中，礦物組成的動(dòng)態(tài)變化常受到亞鐵濃度的影響，該過(guò)程會(huì)顯著影響鎘和有機(jī)碳在礦物-水界面的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而影響其在固-液相的分布，但目前該機(jī)制尚不清楚。
在本項(xiàng)研究項(xiàng)目中，劉同旭團(tuán)隊(duì)采用室內(nèi)厭氧模擬實(shí)驗(yàn)，以重金屬鎘和代表性有機(jī)質(zhì)富里酸為研究對(duì)象，合成了礦物-有機(jī)質(zhì)-鎘復(fù)合物，利用亞鐵驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)化，借助球差電鏡和同步輻射光譜等先進(jìn)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(guò)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(jī)碳同步固存機(jī)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(guò)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(jī)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(jī)碳的固存提供了空間。與新形成的鐵氧化物結(jié)合的有機(jī)質(zhì)富含芳香和羧基官能團(tuán)，有利于鎘的固定，而鎘的存在促進(jìn)了納米孔洞或缺陷的形成，從而增強(qiáng)了有機(jī)碳的固存。因此，在亞鐵催化礦物相變過(guò)程中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎘和有機(jī)碳的固存。
該研究結(jié)果拓展了對(duì)重/類金屬和有機(jī)碳在礦物-水-有機(jī)質(zhì)界面同步固存途徑的認(rèn)識(shí)，可為同時(shí)固定土壤重金屬和有機(jī)碳提供科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.08.006
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