新型液相钝化剂3-巯丙基三甲氧基硅烷（L-MPTMS）跨pH土壤镉固定策略：化学-微生物协同机制降低小麦镉积累

针对酸性/碱性土壤镉（Cd）污染修复材料pH适应性差、制备复杂等问题，研究人员开发了液相3-巯丙基三甲氧基硅烷（L-MPTMS）钝化剂。通过土壤培养、盆栽及大田实验发现，0.2% L-MPTMS可使小麦籽粒Cd降低56.2%，达到中国食品安全标准（0.10 mg kg-1）。该研究揭示了-SH基团与Cd2+形成单齿/双齿配位键的化学机制，并发现其通过富集Devosia等有益菌群优化土壤微生态，为农田Cd污染治理提供了创新解决方案。

　　

镉（Cd）污染已成为威胁全球粮食安全和人类健康的重大环境问题。小麦作为世界35%人口的主粮，因其根系对Cd的高转移能力，成为膳食Cd暴露的主要来源。传统固体钝化剂如生物炭、石灰等虽在酸性土壤中有效，但存在制备工艺复杂、pH适应性差（尤其在碱性土壤中失效）、大田应用受限等瓶颈。更棘手的是，中国约40%耕地处于中碱性条件，亟需开发广谱高效的Cd钝化技术。在此背景下，Lijie Zhao团队创新性地提出将液态3-巯丙基三甲氧基硅烷（L-MPTMS）直接用作钝化剂，其分子末端的巯基（-SH）作为软碱，与软酸Cd²⁺具有强结合力，理论上可实现跨pH土壤的Cd固定。相关成果发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》，为农田Cd治理提供了新思路。

研究采用多尺度实验验证体系：通过四川（酸性）、河南（碱性）等6省份土壤培养实验评估pH普适性；盆栽实验分析小麦Cd积累与生物量响应；结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）阐明化学机制；16S rRNA高通量测序解析微生物群落变化；最后在山西Cd污染农田进行大田验证。

3.1 跨pH土壤Cd固定效能

L-MPTMS在pH 5.20-7.64的6种土壤中均显著降低Cd有效性（9.01-65.6%）。四川酸性土壤中0.2%处理使可交换态Cd（EXC-Cd）减少63.3%，转化为更稳定的铁锰氧化物结合态（OX-Cd）和有机质结合态（OM-Cd）。老化实验显示14天后Cd固定趋于稳定，碱性土壤（河南）中有效Cd降低62.2%，证明其快速长效特性。

3.2 小麦Cd阻控与促生效应

盆栽实验表明，0.2% L-MPTMS使小麦根、茎Cd分别降低70.2%和67.6%，同时根中锰（Mn）含量提升40.9%。Mn通过竞争植物吸收通道（如Nramp5转运蛋白）抑制Cd uptake，生物量增加16.9%则产生"稀释效应"。这种"降Cd增Mn"的双重作用突破了传统钝化剂仅聚焦Cd固定的局限。

3.3 化学作用机制

TEM-EDS显示Cd与L-MPTMS水解产物形成球状/片状复合体。XPS证实Cd 3d在405.3 eV处出现Cd-S特征峰，S 2p化学位移至163.6 eV表明-SH参与配位。DFT计算揭示单齿（Cd-S，E_ad=-2.97 eV）和双齿构型（S-Cd-S，E_ad=-7.62 eV），后者键能更高更稳定，FTIR中690 cm^-1处C-S峰减弱进一步佐证该机制。

3.4 微生物群落调控

0.2% L-MPTMS使河南土壤中Devosia（Cd固定菌）和Bradyrhizobium（植物促生菌）丰度显著增加。PICRUSt预测显示氨基酸代谢、碳水化合物代谢等通路增强，而酸杆菌门（Acidobacteriota）丰度下降13.2%，该菌分泌酸性物质活化Cd的特性被抑制。PLS-SEM模型证实土壤有效Cd降低对微生物组重构有直接贡献（p<0.001）。

3.5 大田验证

山西田间试验中，0.2% L-MPTMS使小麦籽粒Cd从0.183 mg kg^-1降至0.082 mg kg^-1，达标率100%，且增产24.5%。成本分析显示其单位面积投入（25,232/ha）低于巯基改性凹凸棒石（401,995/ha），具有规模化应用潜力。

该研究开创性地将液态硅烷直接用于农田Cd修复，突破传统固体材料局限。其创新性体现在：（1）化学-微生物协同机制，-SH化学钝化与微生物生态调控双途径降Cd；（2）跨pH适用性，填补碱性土壤修复技术空白；（3）液相剂型避免粉尘污染，便于机械化施用。研究成果为保障粮食安全生产提供关键技术支撑，契合联合国可持续发展目标（SDG 2和SDG 3）。未来需关注L-MPTMS长期施用对土壤硅循环的影响及与其他重金属的互作效应。