基于光谱识别技术的土壤铁锰结核对镉的吸附行为研究

铁锰结核是具有高反应活性的矿物复合体;与海洋铁锰结核不同,土壤铁锰结核常在干湿交替、水气干扰条件下存在,形成了独具特色的地球化学特征。作为土壤“新生体”,不同地区铁锰结核常表现出较大差异。研究典型区域土壤铁锰结核与重金属的结合行为,有助于深入了解铁锰结核的微生态属性,对于后续土壤的开发利用、保育改良、污染修复等都具有战略性指导意义。目前,关于中国西部地区土壤铁锰结核的相关研究极少,本研究有望从光谱学层面弥补领域不足、充实科学体系。采用水洗法获得西部地区土壤铁锰结核,使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征铁锰结核主量元素和结构特点。通过静态批次实验考察铁锰结核与Cd的结合行为,探讨时间、Cd溶液浓度和温度对吸附的影响,引入动力学方程和等温线方程拟合反应过程,计算热动力学参数并探讨吸附后铁锰结核的洗脱可能性。不同粒径铁锰结核主量元素氧化物都以Fe₂O₃,SiO₂,Al₂O₃,MnO为主,Fe₂O₃含量最高,SiO₂次之;铁锰结核与土壤基质的矿物组成高度相似,FTIR图谱证实-OH,Si-O-Si (Al),Fe(Mn)-O等基团的存在。吸附过程总体表现为“先快后慢”：反应6 h后的吸附量Q为4.96 mg·g-1,至12 h后吸附效果趋于不变。Cd溶液浓度的增加有助于吸附量Q的升高,温度对吸附反应的影响较小。准二级动力学方程可以更好地拟合吸附反应（R2为0.994 3）,说明化学吸附为控速步骤。Langmuir方程的拟合系数（R2为0.999 1）高于Freundlich方程,表明吸附反应属于单分子层化学吸附。吸附过程自发、吸热且存在络合性吸附,反应后体系混乱度增加。由自来水配制的0.1 mol·L-1 HCl溶液的洗脱效果更好。本研究可以为后续（光谱层面的）反应机制剖析提供基础数据。     

金盏菊原生质体对土壤铅/镉响应机制的FTIR, 2D-IR和XPS证据

土壤修复是“十四五”期间国家重点支持的环保领域,是实现社会可持续发展的重要保障。与其他方法相比,植物修复技术整体优势突出,对于土壤重金属的去除净化更为有效。原生质体是植物细胞代谢活动的重要场所,相对于细胞壁而言,原生质体对重金属胁迫的生理响应同样强烈。现阶段,同类植物修复机制研究多从分子生物学层面切入;本研究则从谱学角度展开,初步探究植物原生质体对土壤重金属的反馈信号。以代表性的菊科植物金盏菊为研究对象,通过Pb/Cd胁迫盆栽实验获取金盏菊样本,差速冷冻离心法得到金盏菊原生质体。引入Tessier连续提取-原子吸收光谱法(AAS)揭示胁迫强度与Pb/Cd赋存形态的内在关联,结合X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、二维相关红外光谱(2D-IR)和X射线光电子能谱(XPS)识别金盏菊原生质体对Pb/Cd响应的谱学表现。结果表明：金盏菊原生质体可交换态Pb/Cd比例不高,胁迫强度对不同形态Cd含量影响很小。XRD图谱最强信号出现在31.7°(NaCl晶体),同时检测出Pb盐 [Pb₅(PO₄)₃Cl] 和Cd盐(CdS)特征峰。FTIR图谱的3 510 cm-1附近强吸收带源于—OH伸缩振动,胁迫过程导致峰形杂乱、峰位偏移;2D-IR结果说明Pb/Cd优先与金盏菊原生质体—OH和C═O结合。从XPS图谱可以看出,反应前后原生质体C,O元素结合能有异。C(1s)结合能略有增加,说明C原子参与了配位反应;O(1s)峰位有所偏转,暗示含O基团对Pb/Cd的结合包含多种途径。新出现的Pb(4f)峰源于π电子-Pb的交互作用;胁迫浓度增加导致Cd(3d)结合能升高,表明Cd具有明显失电子倾向。相关结果可以与前期获得的Pb/Cd/金盏菊细胞壁结合特性互为补充,对于完善同领域的深度和广度、构建植物修复理论和技术体系意义重大。