作者：徐海蓉，洪志能，徐仁扣，俞元春
单位：南京林业大学生物与环境学院；土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所卷期：《土壤》2023年第55卷第6期
砷（As）和铬（Cr）是我国土壤中最主要的两种重（类）金属污染元素，其毒性威胁人体健康和生态安全。土壤组分互相对重金属的吸附是决定其生物有效性（毒性）和环境生态风险的重要因素。土壤中对重金属有吸附作用的固相组分主要有层状硅酸盐矿物、氧化物、有机质和细菌等。目前对土壤单一组分吸附重金属的规律和机制已经有较为全面、深入的认识。但是实际土壤固相组成复杂，往往是多种组分共存，这些固相组分之间会发生相互作用，使其表面物理化学性质发生改变，从而影响其对重金属的吸附，改变其赋存形态和毒性。本研究以典型土壤矿物高岭石、蒙脱石、针铁矿和三水铝石为材料，通过比较单一矿物与复合矿物的离子吸附特征和表面性质，研究层状硅酸盐矿物与铁铝氧化物互作对As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ)吸附的影响，并初步探讨其机制，以期加深对实际土壤中重金属化学行为的理解，为重金属污染风险评价和修复策略制订提供参考。
研究结果表明，当层状硅酸盐矿物与铁铝氧化物共存时，会发生团聚并紧密结合在一起（图1）。它们结合后，会影响其比表面积、zeta电位、位点浓度等性质。蒙脱石与三水铝石的复合会降低矿物的比表面积，而其与针铁矿的互作对比表面积影响不大。针铁矿与蒙脱石复合后，针铁矿表面的正电荷被蒙脱石表面的负电荷完全中和，而蒙脱石表面的负电荷也有所减少。蒙脱石与针铁矿之间的相互作用会使矿物表面位点总浓度减少，但其与三水铝石的交互作用对矿物表面位点总浓度的影响不大。
单一矿物体系中，针铁矿对Cr(VI)和As(Ⅴ)有较强的吸附能力，其次是三水铝石，而高岭石和蒙脱石的对二者的吸附量几乎为零（图2）。当蒙脱石与两种氧化物复合（质量比=1:1）之后，复合体对Cr(VI)和As(Ⅴ)的吸附容量显著小于二者的平均值。这说明与蒙脱石发生交互作用后，针铁矿和三水铝石对Cr(VI)和As(Ⅴ)的吸附容量减小。SEM-EDS点扫结果也显示矿物对Cr(VI)和As(Ⅴ)的吸附量遵循以下排序：针铁矿>蒙脱石–针铁矿复合体>蒙脱石（图3和图4）。SEM-EDS面扫结果表明Cr(VI)和As(Ⅴ)的分布与Fe的分布相似，说明Cr(VI)主要吸附于复合体的针铁矿表面。总之，铁铝氧化物-层状硅酸盐矿物相互作用会抑制氧化物对As(Ⅴ)和Cr(VI)的吸附，其主要原因是互作改变了矿物表面性质。
![]()
图1 高岭石、蒙脱石、三水铝石、针铁矿、针铁矿–蒙脱石复合体和三水铝石–蒙脱石复合体的SEM图
图2 高岭石、蒙脱石、三水铝石、针铁矿、针铁矿–蒙脱石复合体和三水铝石–蒙脱石复合体对As(Ⅴ) 和Cr(VI) 的等温吸附曲线![]()
图3 吸附Cr(VI)后的蒙脱石、针铁矿和针铁矿–蒙脱石复合体表面的元素点扫分布图（a）和针铁矿–蒙脱石复合体面扫分布图（b）
![]()
图4 吸附As(Ⅴ) 后的蒙脱石、针铁矿和针铁矿–蒙脱石复合体表面的元素点扫分布图（a）和针铁矿–蒙脱石复合体面扫分布图（b）
担任《土壤学报》主编，《土壤》副主编，Biochar、Journal of the Science of Food and Agriculture和《土壤通报》编委，中国土壤学会土壤编辑与土壤学名词审定工作委员会主任、土壤健康工作组副主任。主持国家自然科学基金重点项目、国家科技部973项目课题和国家重点研发计划课题。长期从事土壤表面电化学和土壤酸化与调控研究，发表中英文论文360余篇，主编中文学术专著2部，参编英文专著2部；获授权国家发明专利10余项。参与完成的研究成果“我国典型红壤区农田酸化特征及防治关键技术构建与应用”获2018年度国家科技进步二等奖”。
