中国农科院资划所揭示油菜秸秆生物炭对碱性土壤镉固定的分子机制

生态与地理速报 · 公众号 · · 2024-05-05 16:10

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中国农业科学院农业资源与农业区划研究所耕地质量保育团队在碱性土壤镉（Cd）钝化机制方面取得重要进展，相关成果以“The immobilization of cadmium by rape straw derived biochar in alkaline conditions: Sorption isotherm, molecular binding mechanism, and in-situ remediation of Cd-contaminated soil”为题，发表在《Environmental Pollution》（IF = 8.9）上。

我国华北地区碱性土壤中Cd污染问题及其诱发的农产品安全问题日益受到广泛关注，急需研制高效钝化材料和钝化技术。生物炭因其潜在的重金属固定能力而备受关注，多项研究强调了生物炭在酸性污染土壤和水中钝化重金属的效果。然而，生物炭作为修复材料在碱性条件下的钝化适用性及与Cd的微观互作机制尚不明确。

本研究选取油菜秸秆为原料，在400℃和700℃下进行热解制备生物炭（RB400和RB700）。通过吸附实验和土壤培养实验，评价不同热解温度下的油菜秸秆生物炭在碱性条件下的镉钝化效果及作用机制。同步辐射X射线近边吸收结构(XANES)光谱分析证实，RB400和 RB700中Cd的分子结合形态有所差异，其中EB400吸附产物中Cd主要以有机结合态赋存，而RB700吸附产物中Cd主要以碳酸镉赋存。固态¹³C核磁共振谱(¹³C-NMR)分析表明炭表芳香和羧基碳官能团通过络合作用和Cd²⁺-π配位参与了碱性条件下Cd的有机吸附；相较于RB400，RB700对碱性土壤Cd具有更强的钝化效应，土壤中DTPA提取态Cd含量显著降低15.54%。这些结果凸显了油菜秸秆生物炭对碱性污染土壤中Cd的钝化作用，为碱性Cd污染土壤的钝化固定技术提供了理论支撑。