根际微域中纳米蒙脱石钝化镉的转化行为及微生物学机制研究

Soil contamination by cadmium is a major environmental issue which threatens food safety and people's health in China. The application of nano-montmorillonite in remediation of cadmium in soil is a good choice for solve the contradiction which the arable land reducing and cadmium pollution area expanding. However, limited research mainly focus on the passivation effect of nanoparticles, the transformation of cadmium in rhizosphere and response of rhizosphere microorganisms are not yet clear. A rhizobox experiment and leaching test were carried out to investigate the effect of nano-montmorillonite on the transformation of cadmium with the temporal and spatial variation in rhizosphere soil, especially on the plant root activity and rhizosphere microorganisms behavior. And then to explore the complex the interaction between pH, EC, CEC, rhizosphere microorganisms and transformation of cadmium by advances methods such as Synchrotron radiation technique and High-throughput sequencing. The results from this work could reveal the critical factor and mechanism which control the cadmium stabilization. The study is important for understanding the environmental behavior of nano-montmorillonite, and establishing technique systems for cadmium remediation in the soil.

土壤镉污染严重危害农产品安全和人民健康，以纳米蒙脱石为主导的土壤镉钝化修复技术是解决当前我国耕地面积减少、镉污染面广问题的较好选择。有限的研究主要集中在纳米颗粒的镉钝化效果方面,对根际这一决定镉植物积累的关键“黑箱”中钝化镉的转化行为及根际微生物响应机制尚未明确。本项目拟以纳米蒙脱石对镉的钝化作用为依托,应用多隔层根箱培养试验，运用同步辐射技术、高通量测序技术，系统研究根际微域中纳米蒙脱石影响下镉形态分配的时间和微空间变化规律,重点刻画纳米蒙脱石-镉协同效应引起的植物根系活力和根际微生物应答行为,探索纳米蒙脱石影响下镉环境行为与根际微域pH、EC、CEC及根际微生物学演变特征的互动关系，提出根际微域中镉稳定化的主控因子与作用机制。旨为促进纳米蒙脱石环境行为的理解，提升纳米蒙脱石在重金属污染控制中的全面认识，推动纳米土壤修复技术和纳米环境效应评估提供理论支撑和技术支持。

纳米蒙脱石 (NMMT) 因其安全、成本低以及对镉有较强的吸附和固定能力，成为当前控制和治理土壤镉污染的绿色钝化剂。土壤镉的根际转化过程直接影响镉在土壤-植物系统中的迁移能力，是控制镉向食物链迁移和影响修复效果的关键。研究发现，水溶液中，纳米蒙脱石对镉的吸附能力受盐浓度和pH值的影响最明显，温度和时间的影响都较小。NMMT对Cd2+的吸附等温线可以用Langmuir和Freundlich模型完整拟合，吸附过程符合二级动力学模型。结合NMMT样品扫描电镜 (SEM)、傅里叶变换红外 (FTIR) 和X射线衍射 (XRD) 的分析，纳米蒙脱石对镉离子的吸附是离子交换和表面吸附作用同时存在。在镉污染粘土中，纳米蒙脱石显著降低黏土中的有效态镉含量和植物中镉的积累量，且植物生长良好，而砂土中表现出明显的镉污染毒害症状。向粘土施入NMMT，增加过氧化氢酶活性和脲酶活性，提高土壤Alpha多样性指数，并改善微生物群落结构。0.5% (w/w) 的NMMT的施加比例为较优修复处理。推荐脱氢酶活性作为土壤镉污染的预警酶，过氧化氢酶活性作为土壤质量提高的指示酶。通过多隔层根箱培养实验发现，植物收获后，近根际土壤的有效态镉含量最低，过氧化氢酶活性最高，且各根际微空间内土壤群落结构差异显著。根系生长使得根围微空间存在土壤功能菌群丰度的过渡阶段。研究结果为理解纳米蒙脱石的环境行为、提升纳米蒙脱石在镉污染治理中的作用、推动纳米修复土壤技术提供理论支撑和技术支持，对研究根际微域生物学特征和污染物转化的界面过程提供重要信息。项目发表论文3篇，授权专利2项，参加国内会议四次，做分会场报告1次。