利用原位XRD和SEM技术研究在压力条件下基于氢气的铁矿粉直接还原过程中结构变化的研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Investigation of structural changes during hydrogen-based direct reduction of iron ore fines under pressure using in-situ XRD and SEM

本研究采用化学浸出结合微型原生动物 Tetrahymena thermophila的生物修复方法，有效降低镉污染土壤的镉含量至国家标准水平，并通过转录组学揭示其富集机制，为镉污染土壤修复提供新策略。

　　本研究聚焦于解决土壤中镉污染的问题，提出了一种结合化学淋洗与微生物富集的综合修复方法，以提高修复效率并减少传统方法的局限性。镉污染对土壤安全和人类健康构成了严重威胁，其毒性及在环境中的高迁移性使得污染治理成为一项复杂而紧迫的任务。镉作为一种重金属，在土壤中可通过食物链积累，对人类健康造成深远影响，包括肾功能损伤、骨质疏松、肺癌等慢性疾病。即使微量镉的存在，也可能对生态系统和人体健康产生不良影响，因此，开发高效的土壤修复技术对于消除污染源、恢复土地的使用价值具有重要意义。

当前，针对土壤镉污染的治理手段主要包括物理、化学和生物方法。物理方法如土壤清洗、吸附和电动力提取等，虽然在去除镉方面表现出一定的效果，但这些方法往往需要较长的时间，并且修复效果受到土壤物理化学性质的显著影响，限制了其广泛应用。化学修复方法，如淋洗、凝聚和沉淀等，是目前最常用的策略，但其高化学物质的使用量可能导致污泥处理难题和二次污染风险，这也成为其推广的重要障碍。相比之下，生物修复方法因其成本低廉、生态友好而受到越来越多的关注。特别是利用微生物或植物将有毒重金属转化为毒性较低的形式，成为控制镉污染的重要手段。其中，利用微生物进行修复尤为突出，因其具有良好的适应性和生物可利用性，可以有效降低重金属的生物可利用性，减少其对环境和人类健康的危害。

在众多微生物中，**四膜虫**（*Tetrahymena thermophila*，简称*T. thermophila*）因其独特的金属结合能力而备受关注。该生物体内的金属硫蛋白（metallothioneins, MTs）含有54个半胱氨酸残基，远高于脊椎动物中的MTs（通常为7至21个残基），这种结构特点赋予其极强的金属结合能力。此外，*T. thermophila*的金属硫蛋白基因不含内含子，这使得其在重金属胁迫下能够迅速进行转录上调，从而实现高效的重金属富集。这些特性使得* T. thermophila*在水体修复中展现出巨大的潜力，但在土壤修复中的应用仍面临诸多挑战，尤其是在土壤中镉的形态多样性对修复效率的制约方面。

镉在土壤中的形态对其迁移性和生物可利用性具有决定性影响。根据BCR（欧洲共同体标准）连续提取法，镉在土壤中可被分为酸溶性（高生物可利用性与毒性）、可还原性、可氧化性以及残余性（低生物可利用性）等不同形态。其中，酸溶性镉由于其高度的迁移性，对人类健康构成最大的威胁，因此，针对该形态的镉进行有效去除成为土壤修复的关键。土壤pH值是调控镉溶出与形态转化的重要因素，pH值升高会促进镉与土壤矿物（如黏土、金属氧化物）之间的静电吸附和内球配位，从而降低其生物可利用性。因此，通过调控土壤pH值，结合微生物修复技术，可以更有效地降低土壤中镉的生物可利用性，提高修复效率。

本研究中，首先通过酸性淋洗处理污染土壤，利用盐酸（HCl）等常见酸类对土壤进行多次循环处理，以降低其镉含量。实验结果表明，经过多次酸性淋洗后，土壤中的镉浓度从初始的0.43 mg/kg降低至0.098 mg/kg，这一数值符合中国《土壤环境质量标准》（GB 15618-2018）中对农业用地镉含量的要求（风险控制阈值为≤0.3 mg/kg）。随后，将处理后的土壤淋洗液引入生物反应器中，利用可大规模培养的*T. thermophila*进行后续的生物修复。实验结果显示，*T. thermophila*在pH值调整至7的情况下，能够在96小时内实现高效的镉富集，其细胞内镉含量达到16.13 μg/g干重。这一结果表明，该微生物不仅具有良好的存活能力，还能在适宜的pH条件下高效地去除水体中的镉。

进一步的分子生物学分析揭示了*T. thermophila*在镉富集过程中的基因表达变化。研究发现，与镉感知、转运及体内解毒相关的基因显著上调，这一现象与*T. thermophila*细胞内镉含量的增加相吻合。这些基因的表达变化不仅反映了该微生物对镉的响应机制，也为理解其在土壤修复中的作用提供了重要的分子层面支持。通过这种综合性的化学与生物修复策略，不仅可以有效降低土壤中的镉含量，还能实现对镉污染的源头控制，从而为农田土壤的可持续利用提供保障。

此外，本研究还强调了镉污染与农业生产之间的密切关系。镉污染的农田往往与水稻种植区重叠，而水稻作为中国最重要的粮食作物之一，其种植面积约占总农作物种植面积的17.3%，年产量则占中国总谷物产量的32.9%。因此，镉污染对粮食安全和食品安全构成了潜在威胁。通过本研究提出的方法，可以在不破坏土壤结构和生态环境的前提下，有效去除土壤中的镉，为保障食品安全和生态环境安全提供新的技术路径。

本研究的创新之处在于，通过化学淋洗和微生物富集的协同作用，实现了对镉污染土壤的高效治理。首先，通过酸性淋洗，将土壤中高生物可利用性的镉形态转化为低生物可利用性形态，从而降低其对环境和人类健康的潜在危害。随后，利用*T. thermophila*对淋洗液中的镉进行进一步的富集和去除，这一过程不仅提高了修复效率，还避免了传统化学方法可能带来的二次污染问题。同时，研究还探讨了镉在土壤中的形态转化机制，以及*T. thermophila*在不同pH条件下的适应性和修复能力，为未来的大规模应用提供了科学依据。

从实践角度来看，本研究的方法具有较高的可操作性和推广价值。酸性淋洗作为一种物理化学方法，其操作流程相对简单，且适用于多种类型的污染土壤。而*T. thermophila*作为一种易于培养和管理的微生物，能够适应不同的环境条件，具有良好的生物可利用性。通过调整pH值，可以进一步优化微生物的修复效果，提高整体的修复效率。此外，研究还提到，经过处理后的淋洗液需进行进一步的净化，以确保其达到排放标准，这一步骤对于实现环境友好型修复至关重要。

本研究的成果不仅为镉污染土壤的修复提供了新的技术思路，也为其他重金属污染的治理提供了借鉴。通过综合应用化学与生物方法，可以更全面地应对土壤污染问题，同时减少对环境的二次影响。此外，研究还指出，未来在推广此类修复技术时，需要进一步考虑其在不同土壤类型、气候条件及地理环境中的适用性，以确保其在实际应用中的稳定性和有效性。

从生态学和环境科学的角度来看，镉污染的治理不仅涉及技术层面的突破，还需要在政策、管理和公众意识等方面进行系统性的调整。镉污染的来源多样，包括工业排放、农业活动以及自然地质过程，因此，需要从源头控制和末端治理两个方面入手，构建完整的污染防控体系。本研究提出的修复方法，为土壤镉污染的治理提供了一种新的可能性，同时也为实现农业可持续发展和生态环境保护提供了科学支持。

在实施此类修复技术时，还需要考虑其经济成本和环境影响。化学淋洗虽然能够快速去除土壤中的镉，但其高成本和可能产生的二次污染问题，限制了其在大规模应用中的可行性。而生物修复方法，如利用*T. thermophila*，虽然成本相对较低，但其修复效率受环境条件的影响较大，需要优化培养条件和反应器设计，以提高其在实际应用中的稳定性。因此，未来的研究应进一步探索如何在经济性和环境友好性之间取得平衡，开发更加高效、低成本且易于操作的修复技术。

综上所述，本研究通过化学淋洗与微生物富集的协同作用，成功实现了对镉污染土壤的高效治理。其核心在于通过酸性处理降低土壤中镉的生物可利用性，再利用*T. thermophila*对残留的镉进行进一步的富集和去除。这种方法不仅提高了修复效率，还减少了对环境的二次影响，为镉污染土壤的治理提供了新的思路和可行方案。未来，随着相关技术的不断完善和推广，此类综合修复方法有望在更大范围内应用于镉污染土壤的治理，为实现生态环境的可持续发展贡献力量。