近日，我院崔浩杰教授团队在模拟稻田铁循环耦合重金属镉（Cd）和有机碳形态转化方面取得进展。

含镉（Cd）水铁矿-高岭石复合胶体在亚热带镉污染稻田中广泛存在。在淹水厌氧条件下产生Fe(II)可以通过催化作用促进弱晶质水铁矿向晶质氧化铁的转化，导致Cd的重新分配。然而，高岭石复合对水铁矿转化和Cd形态变化的影响与作用机制尚不明确。针对上述科学问题，采用共沉淀方法制备了含Cd水铁矿-高岭石复合胶体，在模拟稻田厌氧条件下进行Fe(II)催化转化反应，通过化学提取、电化学、全自动电位滴定、高分辨透射电镜、同步辐射等技术分析了高岭石复合对水铁矿转化和Cd分布特性的影响与作用机制。结果表明，高岭石存在降低了复合胶体中含Cd水铁矿颗粒尺寸，提高了复合胶体中水铁矿反应活性，导致在反应初期溶液Fe(II)快速吸附到矿物表面，从而加速复合胶体中含Cd-水铁矿向晶质氧化铁转化，特别是向针铁矿的转化。含Cd水铁矿-高岭石转化10 d后，复合胶体中26.9%的Cd重新释放到溶液中，同时有32.3%的Cd通过同晶替代进入转化产物纤铁矿和针铁矿的晶格中，且以进入针铁矿晶相为主。在反应初始阶段(约40%的水铁矿转化)，交换态-Cd与水铁矿-Fe呈显著负相关，而在之后的转化过程中，两者呈显著正相关。该研究揭示了亚热带稻田广泛分布的高岭石对复合胶体形成过程中水铁矿性质的改变，可显著影响淹水条件下矿物转化和Cd分布的特性；为深入理解稻田土壤中铁循环耦合重金属形态转化特性提供了新的思路。研究结果以 Fe(II)-catalyzed phase transformation of Cd(II)-bearing ferrihydrite-kaolinite associations under anoxic conditions: New insights to role of kaolinite and fate of Cd(II)为题，发表在Journal of Hazardous Materials上。该研究得到了国家自然科学基金（42277291, 41771272）等项目的共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133798

高岭石复合对Fe(II)催化含Cd水铁矿转化和Cd分布特性影响作用机理

稻田Fe(II)氧化介导形成的羟基自由基（•OH）在有机碳转化过程中具有重要作用，而•OH的形成与Fe(II)赋存形态密切相关。秸秆还田作为一种绿色环保的秸秆处理方法，能够改善土壤肥力和土壤结构。同时，秸秆还田也显著影响稻田土壤中有机碳和Fe(II)的赋存形态。然而，在稻田氧化还原波动过程中，秸秆还田特别是长期秸秆还田对•OH诱导的有机碳转化特性的影响尚未明确。课题组采用3种长期（自1984年）秸秆还田的稻田土壤（无秸秆还田（0 t·hm-2·year-1）、常量秸秆还田（9.58 t·hm-2·year-1）和高量秸秆还田（19.16 t·hm-2·year-1）进行批次试验，考察氧化还原波动过程中•OH的形成及其诱导CO₂的生成，并通过化学萃取和自由基猝灭实验以及Mössbauer光谱和FT-ICR MS等表征探讨了作用机理。结果表明，在稻田土壤氧化过程中•OH氧化贡献了CO₂总量的14.7-38.6%。秸秆还田促进了活性Fe(II)物种（表面吸附Fe(II)和弱结晶矿物Fe(II)）的形成，但抑制了氧化过程中•OH和CO₂的形成。秸秆还田改变了矿物相中Fe(II)活化O₂的电子传递途径，在高量秸秆还田土壤中仅存在双电子转移途径。•OH通过开环和羟基化机制氧化有机质，产生不饱和的脂肪族和羟基化的含羧酸结构。在无秸秆还田土壤中，形成的含有羧基的化合物可能会进一步环化和缩合形成稠合的芳香族结构，导致不利于生物利用的稠合芳烃的相对含量增加；而在高量秸秆还田土壤中有机质在•OH氧化作用下，产生了更多对微生物具有高度可利用性的脂肪族化合物。上述结果对深入理解长期秸秆还田对稻田氧化还原波动过程中Fe(II)氧化介导•OH生成和土壤有机质转化中的作用具有。研究结果研究结果以 Effect of long-term straw return on organic matter transformation by hydroxyl radical during paddy soil oxygenation为题，发表在Chemical Engineering Journal上。该研究得到了国家自然科学基金（42277291, 22106140, 41771272）等项目的共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148974

秸秆还田影响稻田土壤Fe(II)氧化过程•OH生成和有机质转化机制