西安建大特殊土力学与工程防灾创新团队在国际权威期刊发表研究成果

近日，我校土木工程学院特殊土力学与工程防灾创新团队在环境工程领域国际权威期刊《Journal of Hazardous Materials》（危险材料杂志，2022影响因子IF：14.224，学术影响力在146个环境科学（Environmental Science）期刊中排名第四（4/146））上在线发表题为“Immobilizing copper in loess soil using microbial-induced carbonate precipitation: Insights from test tube experiments and one-dimensional soil columns（利用微生物诱导碳酸盐沉淀固化黄土中铜金属：来自试管实验和一维土柱的启示）”的研究论文。论文第一作者为我校博士研究生谢毅鑫，郑文杰教授为论文唯一通讯作者。西安建筑科技大学为该论文的第一完成单位。

近年来，由于快速的城市化进程中广泛的冶金和农业活动，土壤和地下水中普遍存在超量的重金属，成为周围环境和人类健康的潜在威胁。而各类重金属中，铜对生物体具有显著的毒性作用，导致蛋白质结构的不可逆变化并影响组织和细胞的功能。在过去的几十年中，各种物理（换土法）和电化学（化学淋洗、电动修复）方法被开发并广泛应用于重金属污染场地修复再利用。尽管如此，传统修复措施被认为耗时、成本高且具有较高的二次污染风险。微生物诱导矿化技术（Microbial-induced Carbonate Precipitation, MICP）因为其高效、经济和较低的二次污染风险，被认为是传统修复方法的替代方案。可以将重金属赋存形态转变为更稳定的碳酸盐结合态，降低其迁移扩散潜势及生物可用性（Bioavailability）。

重金属铜固化效率与环境酸碱度关系：(a)试管实验和(b)赋存形态数值模拟

论文通过开展一系列试管实验，探究重金属铜的固化效率与环境酸碱度的关系，并通过数值模拟研究了试管实验中不可见的重金属铜形态转化。分析结果表明，重金属铜的固化效率可通过与孔雀石和蓝铜矿等矿物的共沉淀进而显著提升，极端的环境酸碱度条件不利于形成矿物沉淀，所以环境酸碱度的协同调控对实现较高的重金属铜固化效率具有积极作用。

(a)高污染浓度下重金属铜形态的转化和 (b)配位络合中黄土矿物响应的光谱分析

一维土柱实验进一步探究了不同铜污染浓度在菌液注浆修复前后不同深度位置处重金属铜形态的转化，并通过XRD图谱和拉曼光谱揭示了MICP技术修复铜污染黄土的内在影响机理。黄土中既有的多种矿物可与不同形式的重金属铜发生配位络合，菌液注浆形成的碱性环境促进了重金属铜的配位吸附，将重金属铜转化为更稳定的赋存形态，从而降低其生态毒性。酸性和碱性环境均通过影响NH⁴⁺和CO₃²⁻的水解来影响重金属铜形态的转化和固化效率。当酸性较高时，不能提供足够的CO₃²⁻用于重金属铜的固化，溶液中存在大量游离的Cu²⁺ 。当碱性较高时，大量的NH₃更易和Cu²⁺ 形成络合物来劣化重金属铜的固化效率。注浆量也会影响土中重金属铜的存在形式，进而影响其在土中的迁移规律。菌液注浆促进了土中既有矿物与重金属铜的配位络合，降低了重金属铜在土中的生态毒性。研究结果可为微生物诱导矿化技术应用于富铜水体和重金属铜污染场地修复再利用提供指导。

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出品：党委宣传部来源：土木工程学院文、图：郑文杰
编辑：王俊 翔子审核：赵阿锋