微塑料共存条件下生物炭对土壤镉污染的吸附固定机制及潜在风险研究

本研究针对农业土壤中镉(Cd)与微塑料(MP500)复合污染日益突出的问题，通过模拟不同微塑料比例(0%-10%)的土壤环境，系统探究了生物炭对Cd的吸附固定机制及环境风险。结果表明，微塑料虽提升生物炭对Cd的吸附量(增幅1.5%-33.1%)，但导致Cd环境淋失增加(17.5%-58.6%)并降低稳定态Cd比例(降幅7.9%-15.4%)，揭示了微塑料干扰生物炭修复效果的"双刃剑"效应，为复合污染治理提供理论依据。

　　

随着工业化进程加速，农业土壤正面临镉(Cd)与微塑料复合污染的双重威胁。镉作为最具毒性和迁移性的重金属之一，可通过食物链富集危害人体健康；而微塑料则因农膜残留、有机肥施用等途径在土壤中持续累积，其全球农业土壤存量预计未来几十年将显著增长。更令人担忧的是，最新研究发现土壤Cd含量与微塑料丰度存在显著相关性，二者形成的复合污染体系可能产生"1+1>2"的环境风险。

传统上，生物炭因其多孔结构和丰富官能团被视为修复重金属污染的理想材料，能通过吸附、离子交换和矿物沉淀等机制固定Cd。然而在实际农田环境中，微塑料的介入可能改变生物炭与土壤的界面行为——这些粒径仅500目(MP500)的聚乙烯颗粒既能作为"Cd载体"直接吸附重金属，又会竞争土壤吸附位点，其对生物炭修复效果的潜在影响尚不明确。

针对这一科学盲区，中国国家自然科学基金资助项目团队在《Journal of Environmental Management》发表重要研究成果。研究人员创新性地采用三层筛网法，使生物炭与含不同比例MP500(0%-10%)的Cd污染土壤进行180天共老化，通过动力学吸附实验结合多种表征技术，首次系统阐明了"土壤-生物炭-微塑料"三元体系中Cd的迁移转化规律。

关键技术方法包括：1) 模拟不同微塑料比例(0%-10% MP500)的Cd污染土壤体系；2) 酸改性/未改性水稻秸秆生物炭制备；3) 三层筛网共老化装置实现土壤-生物炭可控接触；4) BCR连续提取法分析Cd形态分布；5) FTIR和XPS解析吸附机制。

主要研究发现

1. 老化过程中生物炭与土壤理化性质变化
   电镜显示生物炭表面随老化时间延长逐渐粗糙化，比表面积从19.40 m² g^-1(MBC)增至26.58 m² g^-1。微塑料添加使土壤pH升高0.15-0.35单位，但生物炭的pH缓冲能力可抵消这种效应。值得注意的是，10% MP500组中生物炭的Cd吸附量虽提升33.1%，但其吸附的Cd更多以不稳定态存在。

2. Cd吸附与固定化行为
   微塑料呈现剂量依赖性影响：当MP500比例从0%增至10%时，生物炭对Cd的吸附容量持续增加1.5%-33.1%，但环境风险同步加剧——Cd淋失量增加17.5%-58.6%，稳定态Cd比例下降7.9%-15.4%。这表明微塑料通过改变界面化学环境，使生物炭吸附的Cd更易重新释放。

3. 定量吸附机制解析
   XPS分析揭示微塑料显著改变吸附机制占比：在10% MP500组中，生物炭通过矿物沉淀固定的Cd比例达41.7%，较对照组提高12.3%，而官能团络合作用占比下降8.1%。这说明微塑料促使Cd更多以表面沉淀而非稳定结合态存在。

结论与意义
该研究突破性地指出：微塑料在提升生物炭表观吸附容量的同时，会通过"吸附-解吸"动态平衡降低Cd固定稳定性。吸附在微塑料表面的Cd比土壤本体Cd具有更高环境活性，这解释了复合污染体系中修复效果衰减的原因。研究首次量化了不同微塑料浓度下生物炭的Cd固定机制转变，为精准调控修复参数提供理论支撑。

实践层面，该成果警示在微塑料污染严重区域，需重新评估生物炭的长期修复效能。建议未来修复工程应同步检测土壤微塑料含量，当MP500>4%时需配合稳定化剂使用。研究建立的"吸附容量-环境风险"双指标评价体系，为复合污染治理标准制定提供了新思路。