巯基嫁接凹凸棒石对土壤重金属的选择性固定效应及机制研究

针对土壤重金属污染修复中传统钝化剂选择性差的问题，研究人员通过溶液吸附、光谱表征和密度泛函理论计算，揭示了巯基嫁接凹凸棒石(SGP)对Hg2+、Cu2+和Cd2+的选择性固定机制。实验证实SGP在酸/碱土壤中可使有效态Cd和Cu最低降低35.74%和20.93%，显著抑制小白菜对重金属的吸收，为耕地安全利用提供新策略。

　　

随着工业化进程加速，农田土壤重金属污染已成为威胁粮食安全和公众健康的重大环境问题。镉(Cd)、汞(Hg)等重金属通过食物链富集，可能引发"痛痛病"等严重疾病。传统钝化剂如石灰虽能降低Cd活性，但会 indiscriminately（无差别地）固定铁(Fe)、锌(Zn)等必需营养元素，影响作物生长。如何实现重金属的选择性固定，成为土壤修复领域亟待解决的难题。

中国农业科学院的研究团队在《Science of The Total Environment》发表重要成果，系统研究了巯基嫁接凹凸棒石(Sulfhydryl grafted palygorskite, SGP)的选择性固定特性。研究人员采用溶液竞争吸附实验结合密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)计算，发现SGP对Hg²⁺的吸附能高达-198.6 kJ/mol，显著优于其他金属；通过6种典型土壤的盆栽试验证实，SGP可使小白菜叶片中Cd和Cu积累量分别最低降低40.51%和29.67%，且不影响其他营养元素有效性。

关键技术包括：1) 高速剪切溶胶-凝胶法合成SGP；2) 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定金属吸附量；3) X射线光电子能谱(XPS)分析配位机制；4) 土壤有效态重金属DTPA提取法；5) 植物重金属积累量测定。

【Sorption of single metal cation】
单金属吸附实验显示，巯基嫁接使SGP对Cu²⁺的吸附增量(ΔQ_SGP-PAL)达0.31 mmol/g，远高于原始凹凸棒石(PAL)，证实-SH基团的关键作用。

【Competitive sorption of mixed cations】
混合离子竞争吸附中，SGP对Fe³⁺、Hg²⁺和Cu²⁺的选择性系数分别为2.38、1.96和1.45，DFT计算显示Hg-S键结合能最强(-198.6 kJ/mol)。

【Immobilization effects in soils】
土壤培养实验表明，SGP在pH 4.5-8.3范围内可使有效态Cd和Cu持续降低，最大固定量分别达5.66 mmol/kg和5.37 mmol/kg，且不影响Mn、Zn等元素有效性。

【Conclusion】
该研究首次定量表征了SGP的选择性固定阈值，建立了"巯基配位-能垒筛选"的理论模型，被农业农村部耕地重金属污染防治联合研究组列为一类产品。其创新性在于：1) 阐明-SH基团对Hg²⁺/Cu²⁺的特异性识别机制；2) 实现酸性/碱性土壤中Cd/Cu的同步控制；3) 避免传统钝化剂的"营养元素封锁"效应。为耕地安全利用提供了兼具理论基础和应用价值的解决方案。