稳定铁基纳米材料原位修复农田重金属污染的机理研究

The farmland in China is heavily polluted by heavy metals. The pollution, especially Cadmium, are not only threatening the ecosystem, but also potentially invading the food chain. This project aims to develop a series of cost-effective and greener in situ remediation technology. Conventional Fe-based nanomaterials are promising candidates for soil remediation, but its poor transportability barriers its injection into soil. This project will focus on the surface modification of Fe-based nanomaterials using stabilizers to enhance its soil deliverability and reactivity. The interactions between nanomaterials-Cd-soil will be investigated to reveal the mechanisms of Cd removal, and the transport, transform and fate of both nanomaterials and Cd. Crop cultivation will be conducted on the remediated soil the interactions of nanomaterials-Cd-soil-crop-microorganism will be examined. An evaluation system will be built according to crop growth, fruit quality, soil properties and key infomation of microorganism. This study aims to answer the key questions: “what is the mechanism of heavy metal removal by stabilized Fe-based nanomaterials in a farmland? How effective is this technology?”. Moreover, the investigation can also benefit the commercialization of technology with more fundamental principles.

我国耕地正面临严重的重金属污染问题。其中以镉为代表的重金属不仅破坏农田生态，同时也构成入侵食物链的威胁。本项目拟开发一系列廉价、高效、绿色的技术针对于农田场地进行原位修复。常规的铁基纳米材料是一种理想的修复剂但难以注入土壤层中。本项目将聚焦使用稳定剂来对其进行表面修饰，增强其可穿透性和反应活性，使得运用稳定的铁基纳米材料固定土壤中的镉成为可能。通过考察农田水土环境中“纳米材料-镉-土壤”的相互作用，明确稳定铁基纳米材料对镉的理化去除机制和其迁移、转化和归趋等关键环境行为。最后在修复后的土壤中种植作物，探明“纳米材料-镉-土壤-作物-微生物”的相互作用机制，根据作物响应、果实品质，土壤性质变化和微生物群落信息建立修复效果评价体系。本项目旨在回答“稳定的铁基纳米材料原位修复农田中镉污染的机理为何？修复效果如何？”这一系列科学问题，并为该技术用于农田重金属修复提供理论依据。

我国农田土壤正面临严峻的重金属污染问题。本项目通过数据挖掘与整理，基于中外文献库中关于我国五大粮食主产区的农田重金属的资料建立数据库，并采用了Meta分析方法对数据进行了系统分析，发现相较于1990年的土壤背景值，8种主要的重金属在我国粮产区内呈现了不同程度的演变态势，其中Cd、Hg和Cu污染加剧态势显著。对此，本项目研发了一系列稳定铁基纳米材料用以精准钝化修复农田土层中的重金属。首先建立了稳定铁基纳米材料的制备装置与优化策略，采用了绿色的羧甲基纤维素（CMC）和淀粉（Starch）为表面修饰剂，通过系统表征分析了以零价铁（ZVI），硫化零价铁（S-ZVI），硫化亚铁（FeS）为代表的典型铁基纳米材料，发现CMC比Starch的稳定化效果更好，制备的纳米颗粒粒径更小且分布更均一，活性更高，土壤迁移性更强。系统总结了稳定剂对纳米颗粒的稳定机制和对材料活性的影响作用。以Cd为代表性目标重金属，发现S-ZVI和FeS对其钝化效果优于ZVI。物质分析结果表明ZVI主要通过共沉淀、表面络合和还原反应来固定Cd，而S-ZVI和FeS纳米材料的反应机制涉及置换、共沉淀和表面络合，其中置换是主要反应，且CdS的形成是置换反应的主要驱动力。观察到Cd(II)去除和Fe(II)溶出之间存在很强的线性相关性，因此我们提出了一种新的准二级动力学模型来模拟Fe(II)溶出，拟合效果良好。土柱穿透实验则证明了选取了CMC作为稳定剂时，铁基纳米材料的土壤迁移性更强，且对于土壤中的重金属可实现快速钝化，无溶解态重金属释放。本项目成果为全面了我国农田重金属污染基本态势提供理论和数据支撑，同时针对性地开发了系列纳米修复技术，并从微观物质角度解析铁基纳米材料对重金属的钝化修复机制，为精准钝化修复我国农田土壤中的重金属污染提供了科学基础和技术支持。