镁铁双金属改性生物炭协同固定农田土壤中砷镉的机制及植物修复效应研究

针对农田土壤中砷(As)和镉(Cd)复合污染问题，研究人员通过合成镁(Mg)、铁(Fe)改性单/双金属生物炭(BC/Mg-BC/Fe-BC/Bi-BC)，系统评估其对土壤理化性质、酶活性及重金属形态转化的影响。结果表明，双金属改性生物炭(Bi-BC)使土壤As(III)和Cd含量分别降低60.0%和59.0%，水菠菜可食用部分重金属积累量减少71.31-82.5%，同时显著提升土壤pH(5.7→7.8)、CEC(7.4→11 cmol+·kg?1)及酶活性(如脲酶活性提升97.4%)，为重金属污染土壤修复提供创新策略。

　　

随着工业化和农业集约化发展，农田土壤中砷(As)和镉(Cd)复合污染已成为全球性环境问题。这两种重金属不仅通过食物链威胁人类健康，还会破坏土壤微生物群落和酶系统，导致耕地生产力下降。尤其在中国等工业化国家，过度使用化肥农药、工业废水灌溉等人为活动加剧了污染程度。传统修复技术如化学淋洗成本高昂且易破坏土壤结构，而普通生物炭(BC)对As和Cd的固定效率有限。如何开发高效、低成本的土壤改良剂，成为当前环境领域的研究热点。

针对这一挑战，华南农业大学资源环境学院的研究团队创新性地将镁(Mg)和铁(Fe)同时负载于生物炭，构建了双金属改性生物炭(Bi-BC)，系统研究其对As-Cd复合污染土壤的修复效果。相关成果发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上，揭示了金属协同修饰增强生物炭功能的分子机制。

研究采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)表征材料特性，通过盆栽实验分析土壤-植物系统中重金属迁移规律。实验设计包含5组处理：空白对照(CK)、普通BC、Mg-BC、Fe-BC和Bi-BC，以水菠菜(Ipomoea aquatica)为模式植物，测定土壤理化指标(pH、CEC、SOM等)、酶活性(脱氢酶、碱性磷酸酶等)及重金属形态转化。

3.1 材料表征揭示金属成功负载
SEM显示Bi-BC表面粗糙度显著增加，XRD在2θ=28.6°和68.24°出现Fe特征峰，2θ=40.54°出现MgO峰，FTIR在798-500 cm^?1范围内检测到Fe-O和Mg-O振动峰，证实金属成功负载。Bi-BC的比表面积较普通BC提高3倍，为重金属吸附提供更多活性位点。

3.2 土壤性质显著改善
Bi-BC处理使土壤pH从5.7升至7.8，CEC提升48%(11 cmol⁺·kg^?1)，有机质(SOM)含量增加134%。值得注意的是，脲酶和脱氢酶活性分别提升97.4%和41.1%，表明微生物代谢活性增强。这种改良源于Mg²⁺的pH缓冲作用与Fe³⁺的电子传递能力协同效应。

3.3 重金属形态转化与固定
Bi-BC处理下，毒性更强的As(III)含量降低60%，而As(V)比例增加186%，这归因于Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环促进As形态转化。同时，Cd通过形成Cd(OH)₂沉淀和Fe-Cd氧化物共沉淀，其生物有效性降低59%。

3.4 植物修复效果显著
水菠菜 edible部分As和Cd积累量分别降低82.5%和71.31%，生物富集系数(BAF)降至0.02和0.51。植物生物量增加247%，叶绿素a含量提升161%，证实重金属胁迫显著缓解。

4.1 机制解析
研究提出三重固定化机制：(1)Fe驱动As(III)氧化为As(V)，与Mg形成MgHAsO₄沉淀；(2)碱性环境下Cd(OH)₂和FeOOH-Cd表面沉淀；(3)微生物酶促反应增强重金属形态转化。PCA分析表明，Fe在双金属体系中起主导作用(贡献率93.1%)。

该研究首次阐明Mg-Fe双金属修饰生物炭的协同效应，为解决As-Cd复合污染提供了可规模化应用的技术方案。未来研究可进一步优化金属负载比例，并评估长期田间稳定性。这一成果对保障农产品安全和土壤健康具有重要实践意义。