【世界新视野】研究揭示镉和有机碳同步固存的微观分子机制

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广东省科学院生态环境与土壤研究所研究员刘同旭团队，应用先进的光谱和电镜表征技术，阐明了厌氧条件下矿物-有机质-重金属共沉淀体非生物相变过程中，镉和有机碳同步固存的微观分子机制。相关研究近日发表于Geochimica et Cosmochimica Acta。

随着“污染防治攻坚战”和“碳达峰与碳中和”战略的推进，我国土壤面临重金属污染治理与土壤固碳减排的双重需求。因此，如何将土壤重金属治理与碳固存协同，是前沿科学问题与重大挑战。土壤铁氧化物可通过共沉淀或吸附等方式固定重金属或保护有机碳，从而降低土壤和沉积物中重金属和有机碳的移动性。

因此，阐明污染土壤和沉积物中铁氧化物、镉和有机质间的耦合反应过程有助于实现重/类金属和有机质的同步固定。由于铁矿物非相变过程中，矿物组成的动态变化常受到亚铁浓度的影响，该过程会显著影响镉和有机碳在矿物-水界面的转移，进而影响其在固-液相的分布，但目前该机制尚不清楚。

在本项研究项目中，刘同旭团队采用室内厌氧模拟实验，以重金属镉和代表性有机质富里酸为研究对象，合成了矿物-有机质-镉复合物，利用亚铁驱动其转化，借助球差电镜和同步辐射光谱等先进的表征手段，量化了矿物转化程度和速度，解析了其转化方式，直观地呈现了相变过程中镉和富里酸在不同类型次生铁矿物上的分布，阐明了镉和有机碳同步固存机制。

研究发现，亚铁浓度的升高有利于纤铁矿和针铁矿向磁铁矿转化。新形成的次生铁氧化物可通过表面结合、结构取代和物理包埋等方式固定镉；部分有机质吸附在针铁矿表面和磁铁矿聚集体上；此外，生成的纤铁矿具有缺陷结构，为有机碳的固存提供了空间。与新形成的铁氧化物结合的有机质富含芳香和羧基官能团，有利于镉的固定，而镉的存在促进了纳米孔洞或缺陷的形成，从而增强了有机碳的固存。因此，在亚铁催化矿物相变过程中可以同时实现镉和有机碳的固存。

该研究结果拓展了对重/类金属和有机碳在矿物-水-有机质界面同步固存途径的认识，可为同时固定土壤重金属和有机碳提供科学依据。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.08.006