以碳酸盐为载体的闪锌矿风化作用调控着土壤中镉的迁移

《Environmental Science: Processes & Impacts》：Carbonate-hosted sphalerite weathering regulates cadmium mobilization in soils

本研究探讨碳酸岩型硫化锌矿（SP）在酸性和碱性土壤中的镉（Cd）迁移机制，发现高Ca/S比率通过形成CdCO3纳米颗粒抑制Cd释放，纳米级胶体（如有机-铁氧化物复合体）对Cd的吸附与解吸起关键作用。酸性土壤中Cd主要释放于硫酸盐形成阶段，而碱性土壤中Cd富集于方铅矿纳米颗粒中。研究揭示了矿物-土壤界面纳米过程对Cd迁移的调控作用，为矿山周边土壤修复提供理论依据。

　　在矿山活动过程中，含镉（Cd）的闪锌矿（sphalerite）颗粒会沉积在周围土壤中，成为镉污染的重要来源。这类闪锌矿通常存在于碳酸盐型锌矿床中，其在自然环境中会经历风化作用，释放出镉元素。然而，这些碳酸盐矿物如何影响镉的迁移行为仍不明确。本研究旨在探讨碳酸盐型闪锌矿颗粒在酸性与碱性土壤中的镉释放机制，以及镉在固相与液相之间的分布情况。通过分析不同钙硫比（Ca/S）条件下闪锌矿的溶解与再沉淀过程，我们发现这些纳米级的矿物相互作用在控制镉迁移方面起着关键作用。

在酸性土壤中，当钙硫比较低时，闪锌矿的溶解导致了相似的年度镉迁移速率，约为每克闪锌矿释放1.41微克镉。然而，随着钙硫比的升高，镉的迁移受到显著抑制，主要归因于镉在固相和溶液相中以碳酸镉（CdCO?）的形式被固定。在酸性土壤中，镉的释放会导致硫化物矿石的镉耗竭，同时碳酸钙（CaCO?）相中出现镉的富集。而在碱性土壤中，由于镉与氧化锌（ZnO）结构不兼容，镉无法有效进入氧化锌晶格，而是以碳酸镉纳米材料的形式沉淀在锌矿与铁氧化物的界面。这种现象表明，碳酸盐矿物的参与在不同pH条件下对镉的迁移具有不同的调控机制。

研究还发现，纳米级的镉与纳米级的铁和有机碳（OM）存在显著的正相关关系。这些镉-铁-有机碳纳米材料在土壤溶液中通过有机质-铁氧化物胶体对镉进行固定，形成稳定的胶体体系。这种纳米尺度的矿物相互作用在土壤中具有重要的环境意义，因为它们能够有效控制镉的迁移和生物可利用性，而传统的大规模化学分析往往无法捕捉这些细微的变化。

在研究过程中，采用了多种先进的技术手段，包括聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）和透射电子显微镜（TEM），以在微观和纳米尺度上分析镉的分布和形态。此外，通过离心分离和过滤技术，研究了土壤溶液中溶解态和胶体态的镉含量变化。这些方法帮助我们揭示了镉在不同土壤类型中的行为差异，以及其与碳酸盐矿物、铁氧化物和有机质之间的相互作用。

研究结果表明，酸性土壤中，碳酸盐矿物的缓冲作用在一定程度上抑制了镉的释放，尤其是在钙硫比较高的情况下。而在碱性土壤中，由于铁氧化物和碳酸盐矿物的共同作用，镉更倾向于以碳酸盐形式沉淀。这种镉的固定不仅减少了其在土壤中的迁移能力，也降低了其对环境和生态系统的潜在危害。同时，研究还发现，随着碳酸盐矿物的持续溶解，土壤中的pH值会逐渐降低，这一变化对镉的释放具有重要影响。

在环境意义上，碳酸盐型闪锌矿的风化作用对土壤中的镉迁移具有深远影响。在矿山影响区域，镉的释放不仅受到矿石本身的性质影响，还与土壤的化学组成、pH值、以及碳酸盐矿物的缓冲能力密切相关。因此，为了更准确地评估镉污染的风险，需要将这些纳米尺度的矿物过程纳入考虑，特别是在富含碳酸盐的土壤环境中。此外，随着气候变化，土壤中碳酸盐与硫化物的比例可能会发生变化，进而影响镉的释放速率和迁移路径。因此，未来的研究应关注如何在更复杂的环境条件下验证这些机制，并将相关发现应用于矿山土壤的修复和管理策略中。