矿产资源的开采和冶炼致使矿区周围耕地土壤遭受严重的重金属污染。以黔西北土法炼锌区为例，耕地土壤锌（Zn）和镉（Cd）的含量可高达5888.9 mg kg⁻¹和10.7 mg kg⁻¹。本研究通过一步液相还原法制备了生物炭基硫化纳米零价铁复合材料（SNZVI/BC），并通过土壤微宇宙培养（淹水）实验探究该材料对黔西北复合污染土壤中锌和镉的钝化效果。结果表明复合材料对锌和镉的钝化效果（25.2~26.2%）优于单一硫化纳米零价铁（SNZVI）（13.9~18.0%）和生物炭（BC）（14.0~19.3%）。此外，SNZVI/BC的施入还显著提高了土壤铵态氮（NH₄⁺-N）和速效钾（AK）的含量，通过FAPROTAX数据库和PICRUSt软件包预测得到的土壤微生物群落功能丰度也明显提高。因此，生物炭基硫化纳米零价铁是一种很有前景的环境功能材料，不仅可以固定矿区复合污染土壤中的重金属，还能提高污染土壤中的有效态养分，改善土壤微环境，对于矿区重金属复合污染土壤的修复与改良具有重要意义（图1）。

图1 图文摘要

1. 生物炭基硫化纳米零价铁对土壤锌镉有效性的影响

本研究将一步液相还原法制备得到的生物炭基硫化纳米零价铁用于复合污染土壤中锌和镉的钝化修复实验。结果发现，与对照组相比，土壤生物有效态镉和锌（DTPA-Cd和DTPA-Zn）含量随着SNZVI/BC的施入显著降低，降低程度高于单一的硫化纳米零价铁和生物炭处理，对于土壤Cd，SNZVI、BC和SNZVI/BC的钝化效率分别为13.9%、14.0%和25.2%。对于土壤Zn，三者的钝化效率分别为18.0%、19.3%和26.2%（图2），与单一材料处理组相比，复合材料处理组对于土壤Cd和Zn的钝化具有协同效应。

图2  三种材料处理后土壤有效态Cd（A）和Zn（B）的含量和钝化效率（C）的变化

2. 生物炭基硫化纳米零价铁对土壤理化性质的影响

修复材料的施入会引起土壤理化性质的变化，进而影响土壤中重金属的生物有效性。SNZVI和SNZVI/BC处理均显著提高了土壤pH值（P < 0.05），分别从7.83 ± 0.03（对照组）提高至8.51 ± 0.04（SNZVI处理组）和8.28 ± 0.03（SNZVI处理组）（图3A）。而单一生物炭处理后，土壤pH值由7.83 ± 0.03显著降低至7.72 ± 0.02（P < 0.05），这是由于松木生物炭自身pH值较低（7.48）所致。SNZVI引起的土壤pH升高可通过下列反应方程式(1)-(2)解释。

2Fe⁰ + O² + 2H⁺→2Fe²⁺ + 2OH⁻                      (1)

2Fe⁰ + O² + 2H₂O→2Fe²⁺ + 4OH⁻                     (2)

由于生物炭中的碳含量较高，生物炭和SNZVI/BC处理使得土壤有机质（SOM）含量分别从4.45%（对照组）提高至6.12%（BC处理组）和5.33%（SNZVI/BC处理组），这为土壤微生物提供了碳源和附着场所（图3C）。此外，生物炭和SNZVI/BC处理均显著提高了土壤中溶解性有机碳（DOC）的含量（P < 0.05）（图3D），从167.7 ± 1.6 mg kg⁻¹（对照组）增加至235.4 ± 3.2 mg kg⁻¹（BC处理组）和310.7 ± 22.2 mg kg⁻¹（SNZVI/BC处理组），可能归因于生物炭源溶解有机质（BDOM）的释放。单一SNZVI处理也显著增加了土壤中DOC的含量，从167.7 ± 15.6 mg kg⁻¹（对照组）增加至493.4 ± 41.2 mg kg⁻¹，这可能是由于SNZVI诱导土壤pH升高，从而促进了土壤颗粒表面DOC分子的解吸。

图3 土壤理化性质的变化（A：土壤pH，B: 电导率，C：土壤有机质，D：溶解性有机碳）

不同处理土壤中盐酸提取态Fe(Ⅱ)占盐酸提取态总Fe的比例如图4所示。SNZVI和SNZVI/BC处理中，盐酸提取态Fe(II)含量占盐酸提取态总Fe的比例显著高于对照处理组（P < 0.05）。这可能是因为SNZVI和SNZVI/BC刺激了土壤中铁还原细菌的生长，从而促进了土壤中Fe(III)氧化物矿物的微生物还原。

图4 不同处理土壤中盐酸提取态Fe(Ⅱ)占盐酸提取态总Fe的比例

三种材料处理对土壤中有效态养分（氮、磷和钾）含量的影响见图5。SNZVI和SNZVI/BC处理使得土壤NH₄⁺-N的含量分别从24.4 ± 0.17 mg kg^–1（对照组）增加至41.4 ± 0.47 mg kg^–1（SNZVI处理组）和70.3 ± 1.26 mg kg^–1（SNZVI/BC处理组）。然而，单一生物炭处理使得土壤中NH₄⁺-N的含量从24.4 ± 0.17 mg kg^–1（对照组）显著降低至21.5 mg kg^–1（P < 0.05）（图5A）。此外，所有土壤样品中均未检测到NO₃^–-N的存在。SNZVI处理显著提高土壤NH₄⁺-N可归因于硫化纳米零价铁对氮固定过程的刺激。SNZVI与生物炭协同促进铵的产生可归因于以下几个方面：（1）零价铁激发土壤铁还原菌生长，铁还原菌具有固氮功能，促进土壤固氮（转化N₂为NH₄⁺）；（2）零价铁提高土壤pH，降低土壤Eh，激发了异化硝酸盐还原为铵的功能微生物生长；（3）生物炭作为电子穿梭体加速了纳米零价铁的异化硝酸盐还原为铵的化学-微生物过程；（4）零价铁激发了产脲酶微生物的生长，促进溶解性有机氮（DON）矿化为NH₄⁺。SNZVI 处理使得土壤有效磷含量由15.65 ± 0.38 mg kg⁻¹显著降低至13.15 ± 0.21 mg kg⁻¹（P < 0.05）。相反，生物炭处理使得土壤有效磷含量由15.65 ± 0.38 mg kg⁻¹显著升高至16.75 ± 0.74 mg kg⁻¹（P < 0.05），这可能是因为生物炭为磷活化细菌（例如不动杆菌属）提供了生存空间和有效态碳，从而促进了土壤中稳定态有机磷（例如植酸盐）和磷酸盐矿物向磷酸根离子的转化（图5B）。SNZVI和SNZVI/BC处理显著提高了土壤速效钾含量（P < 0.05），分别从333.9 ± 4.074 mg kg⁻¹增加至394.8 ± 2.3 mg kg⁻¹（SNZVI处理组）和378.7 ± 1.9 mg kg⁻¹（SNZVI/BC处理组），这可归因于SNZVI和SNZVI/BC对土壤中解钾菌（例如芽孢杆菌属）的纳米刺激（图5C）。

图5 三种材料处理后土壤中有效态养分（A：铵态氮；B：有效磷；C：速效钾）含量变化

我们推测土壤中某些功能微生物在改变土壤理化性质和有效态养分方面发挥了重要作用。因此，对不同处理土壤中的微生物组成进行多样性分析。结果表明在门水平上，SNZVI和SNZVI/BC的施入提高了土壤中厚壁菌门（Firmicutes）和脱硫弧菌门（Desulfobacterota）细菌的相对丰度（图6A）。属水平上，与对照组相比，SNZVI和SNZVI/BC处理使得Bacillus、Youngibacter、Clostridium_sensu_stricto_13、Domibacillus、Sedimentibacter、Alloorhizobium-neorhizobium-pararhizobium-rhizobium、WCHB1-32、Lutispora和Clostridium_sensu_stricto_8属的细菌相对丰度明显提高。这些属的细菌在降解有机碳大分子为有机碳小分子（如羧酸和单糖）、蛋白质分解、铁还原、氮固定、硫酸盐还原、解钾、重金属稳定化过程中扮演重要角色（图6B）。此外，OTU水平上的主成分分析（PCA）表明，前两个主成分（PC）占整体变异的46.5%（图6D）。样本得分散点图显示各处理内样品间的距离明显高于各处理间样品之间的距离，表明SNZVI和SNZVI/BC的施入对土壤细菌群落结构具有显著影响。

图 6 三种材料修复后土壤细菌群落的相对丰度（A：门水平；B：属水平）；不同处理组的维恩图（C）；不同处理组OTUs水平上的主成分分析（PCA）（D）。

最后，从SNZVI和SNZVI/BC固定Zn和Cd后的矿物相变化（图7），元素价态及可能的赋存形态变化（图8）和元素的面分布特征（图9），结合微生物在土壤重金属钝化方面的角色，综合探讨了生物炭基硫化纳米零价铁固定土壤锌镉的可能机制如下：（1）Zn和Cd与无定形硫化亚铁中的Fe发生同晶替代反应有利于重金属硫化物沉淀的形成；（2）SNZVI的氧化产物（Fe₂O₃和Fe₃O₄）、生物炭和微生物还原Fe(III)氧化物矿物产生的次生铁氧化物矿物可通过吸附、表面络合、阳离子-π相互作用来固定复合污染土壤中的Zn和Cd；（3）在当前土壤呈碱性的条件下，重金属碳酸盐沉淀的产生也有利于Zn和Cd的稳定化；（4）最后，一些具有降低毒性金属生物有效性功能的关键功能细菌（例如节杆菌属：Arthrobacter；芽孢杆菌属：Bacillus）也可通过生物吸附和生物积累来固定矿区复合污染土壤中Zn和Cd。

图7 SNZVI和SNZVI/BC固定Cd和Zn后的矿物相组成

图 8 SNZVI/BC固定Cd前后的XPS分析的全谱（A）和精细谱（B：C 1s；C：Fe 2p；D：Cd 3d；E：O 1s；F：S 2p）

图9 SNZVI/BC固定Cd和Zn前后的元素面分布特征对比（a：SNZVI/BC；b：SNZVI/BC-Cd；c：SNZVI/BC-Zn）

喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室张建（特聘教授C岗）为该论文的第一作者，扬州大学王圣森教授为该论文的第一通讯作者，德国University of Wuppertal的Jörg Rinklebe 教授为该论文的共同通讯作者。扬州大学杨仙妮、李泰戈、李文静、王小治教授，贵州大学王兵教授、杨瑞东教授也参与此项工作。该项目得到了国家重点研发计划(2021YFD1700800)、国家自然科学基金（41977117和42277040）、贵州大学自然科学专项科研基金项目（贵特合（2023）04号）的资助。