巯基改性凹凸棒石对土壤重金属的选择性固定机制研究及其在镉污染修复中的应用

针对土壤重金属污染修复中传统改良剂选择性差、易干扰营养元素等问题，中国农业科学院团队通过溶液吸附、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+/Cd2+的选择性吸附机制。实验证实SGP可使酸性/碱性土壤中有效态Cd/Cu分别降低35.74%/20.93%以上，小白菜叶片Cd/Cu积累量减少40.51%/29.67%，为耕地重金属精准修复提供新策略。

　　

随着工业化进程加速，农田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。传统修复技术如石灰调节pH虽能降低Cd活性，但会同步固定铁(Fe)、锌(Zn)等必需营养元素，造成"矫枉过正"的困境。如何在复杂土壤环境中精准锁定目标污染物，成为当前环境治理领域亟待突破的科学难题。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的研究团队创新性地将目光投向一种天然粘土矿物——凹凸棒石(PAL)。通过在其表面嫁接巯基(-SH)基团，成功研制出新型功能材料巯基嫁接凹凸棒石(SGP)。这项发表于《Science of The Total Environment》的研究，首次系统揭示了SGP对重金属离子的选择性固定规律。研究人员采用溶液竞争吸附实验结合密度泛函理论(DFT)计算，发现SGP对Hg²⁺和Cu²⁺具有特殊亲和力，其吸附能显著高于其他离子。在六种典型土壤的盆栽实验中，SGP展现出令人惊喜的"精准打击"能力：无论酸性还是碱性条件，有效态Cd和Cu含量最低分别下降35.74%和20.93%，而其他营养元素未受明显影响。更关键的是，小白菜叶片中Cd/Cu积累量实现40.51%和29.67%的降幅，证实了其在农产品安全生产中的实用价值。

研究主要采用五种关键技术：1) 高速剪切溶胶-凝胶法制备SGP；2) 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)定量金属吸附量；3) X射线光电子能谱(XPS)表征巯基-金属配位结构；4) 密度泛函理论计算吸附结合能；5) 土壤有效态重金属DTPA提取法。

化学试剂
研究选用江苏盱眙产胶体凹凸棒石为基质，通过3-巯丙基三甲氧基硅烷改性制备SGP。单金属吸附实验显示，巯基嫁接使Cu²⁺吸附量提升最显著(0.31 mmol/g)，证实-SH基团的关键作用。

单金属阳离子吸附
竞争吸附实验揭示SGP对Fe³⁺/Hg²⁺/Cu²⁺的选择性系数分别为3.24/2.89/1.65，DFT计算显示这些金属与-SH的吸附能显著高于Cd²⁺(Hg-S键达-235.6 kJ/mol)。

结论
该研究开创性地提出"功能基团-选择吸附-精准固定"的理论框架，阐明SGP优先固定Hg/Cu的特性源于巯基配位机制。在农业农村部耕地重金属污染防治联合研究组的推广应用中，SGP已展现稳定修复效果，最大固定量达5.66 mmol Cd/kg土。这种"边修复边生产"的模式，为保障我国18亿亩耕地红线提供了创新技术支撑。

讨论
相比传统钝化剂，SGP的创新性体现在三方面：1) 通过分子设计实现重金属指纹识别；2) 突破pH限制在酸碱土壤均有效；3) 避免营养元素流失。研究不仅为粘土矿物功能化提供新思路，更推动土壤修复进入"精准定制"时代。正如通讯作者Liang Xuefeng研究员强调，这种"外科手术式"的修复策略，有望成为应对复合污染挑战的利器。