绿色合成纳米氧化铁对水稻土中镉的钝化效率及其机理研究

A widespread contamination of paddy soils with cadmium (Cd) is an environmental and toxicological concern. The use of iron-oxide nanoparticles (FeNPs) to absorb heavy metals in soil is one of the attracted approaches in the filed remediation. However, in-situ immobilization of heavy metals in contaminated soils using FeNPs has not been reported. To address the issue, firstly, the Cd immobilization by FeNPs synthesized by Eucalyptus leaf extract will be investigated under different conditions to understand their absorption of Cd since the green synthesis of FeNPs is low cost and environmental friendly. Secondly, the pot experiments will be carried out to study the effect of FeNPs on bioavailability of Cd to rice, as well as efficiency and stability of immobilized Cd with different aged time and redox potential will be determined. Thirdly, simulate soil multiphase system, and sorption-desorption experiments combined with modern instrumental analytical methods will be carried out to provide the evidences for the key factors of immobilization mechanism of Cd by FeNPs in soil. The outcomes from this proposal will understand the remediation efficiency, bioavailability, stability and mechanism of Cd contaminated paddy soil using FeNPs, and provide a new insight on the innovation of FeNPs synthesized by plant extract to remediate field heavy metal contamination.

稻田镉（Cd）污染是当前我国亟待解决的环境污染问题之一，纳米氧化铁对重金属污染物具有高效的吸附作用，是环境领域的研究热点。然而，利用纳米氧化铁降低水稻土中Cd等重金属的生物有效性仍缺乏研究。本项目拟以重金属Cd为例，以水稻土氧化还原交替特征为研究背景，首先，研究利用低成本和环境友好的桉树叶提取液绿色合成纳米氧化铁对不同条件水稻土中Cd的钝化效率；其次，通过水稻盆栽试验揭示绿色合成纳米氧化铁对Cd钝化的长期稳定性；最后，模拟土壤多相体系，利用吸附-解吸试验结合现代仪器分析方法，深入剖析主导水稻土氧化还原过程的关键因子存在下绿色合成纳米氧化铁对Cd的钝化机制。通过本项目研究，揭示绿色合成纳米氧化铁对Cd污染水稻土的修复效应、稳定性及其相应的调控机制，为开展大田Cd污染原位钝化修复治理提供科学依据。

土壤重金属镉（Cd）污染是我国面临的一个严峻的环境问题，如何修复Cd污染土壤是当前的研究热点。本研究瞄准当前土壤Cd污染原位钝化技术的薄弱环节，在我们前期工作的基础上，开展绿色合成纳米氧化铁（GION）用于水稻土Cd污染修复的研究。首先，不同GION投加量下的钝化效率，经120天培养，相比对照组，1%、3%、9% GION处理下0.1M CaCl2可提取态Cd分别降低了19.1%、16.7%、66.7%。通过SEM-mapping发现，GION处理残渣态中Fe的含量远高于对照组，说明镉可能随铁进入残渣态。对比了厌氧和好氧环境下的钝化效率，发现厌氧条件下GION对Cd的钝化效果要优于好氧条件。厌氧条件下，当添加量为3%和9%时，CaCl2-Cd分别降低了77%、85%，而弱酸可提取态Cd（BCR法）则降低了36.3%、55.3%。两种培养条件下，GION均能够显著提高土壤pH值。其次，对修复后土壤中的微生物指标进行了评价，发现土壤过氧化氢酶、脲酶、转化酶的活性得到相应地提高，且有随着GION剂量的增加而增强趋势。通过高通量测序的结果发现，GION的应用显著改变了微生物群落结构，投加量为3%时能够提高土壤微生物的丰度。再次，研究了GION作用下土壤-水稻系统中镉的迁移转化。结果表明，GION添加显著降低了Cd向水稻植株中的迁移。培养第60天，对照、1% GION、5% GION处理水稻茎中Cd的浓度分别为2.33、1.10、0.33 mg/kg。然而，5% GION处理抑制了水稻的生长。最后，研究了水环境中绿色合成纳米氧化铁对Cd的吸附机制，通过表征技术如SEM、TEM、FTIR、XPS、XRD等对反应前后的GION进行了表征，并且通过吸附动力学和热力学的研究揭示了GION对Cd的吸附机制，吸附过程更符合Langmuir模型（R2=0.970），最大吸附量为18.32 mg g-1。另外，研究了pH、GION投加量、温度、离子强度等对Cd去除率的影响。结果表明，各因素对吸附结果的影响大小次序为：pH>投加量>离子强度>温度。