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土壤重金属共污染治理与微生物群落响应机制研究。通过Fe修饰黏土矿物ATP@MG对铅锌冶炼污染土壤进行处理，发现其显著提升无定形铁含量3.04倍，降低As、Pb、Cd可浸提率83.46%、75.02%、18.40%，并增强铁氧化物稳定作用。微生物群落结构向稳定型转变，功能菌群Proteobacteria占比55.81%，Chloroflexi占13.19%。研究揭示了pH、EC、铁氧化物形态与微生物群落演替的耦合机制，证实ATP@MG通过多机制协同稳定重金属并促进生态恢复。
崔云堂|姚俊|吕颖|刘建丽|马波|塔特亚娜·索莱维奇·克努德森|刘邦|于俊超|刘星宇
中国地质大学（北京）水资源与环境学院，环境科学与工程研究中心，学园路29号，海淀区，100083，北京，中国
摘要
砷（As）、铅（Pb）和镉（Cd）在冶炼土壤中的共存带来了重大挑战，因为它们的地球化学行为各不相同。本研究探讨了铁改性的粘土矿物（ATP@MG）在同时稳定这些重金属共污染土壤方面的有效性，并揭示了其对土壤细菌群落演替的影响。结果表明，5%剂量的ATP@MG显著改变了土壤中铁的形态，尤其是非晶态铁（Fe0）的含量增加了3.04倍。与对照组相比，ATP@MG处理后，砷、铅和镉的可提取量分别降低了83.46%、75.02%和18.40%，而其残留分数显著增加（分别为84%、84%和69%）。模拟酸雨淋溶实验证实，ATP@MG增强了铁与类金属的结合，显著降低了长期淋溶风险。多机制的固定作用包括静电吸引、配位（C=O、-OH和Fe-O）、Fe(II)/Fe(III)介导的氧化还原反应以及物理包裹作用。ATP@MG还增强了微生物的代谢活性，并重塑了细菌群落组成。ATP@MG主要促进了变形菌门（55.81%）和绿弯菌门（13.19%）等特定功能细菌的生长，随后细菌群落结构趋于更加稳定。冗余分析和PLS-PM分析表明，ATP@MG引起的土壤pH值、电导率（EC）、Fe0和Fed的变化是影响微生物组成和降低类金属生物可利用性的主要因素。此外，ATP@MG降低了网络复杂性，增强了微生物间的协同作用，促进了生态恢复，提高了养分循环能力。总体而言，铁改性的粘土矿物在同时稳定砷、铅和镉方面表现出巨大潜力，同时促进了共污染土壤的微生态恢复。
引言
由有色金属采矿和冶炼引起的重金属（HMs）污染已成为全球性的环境问题（Li等人，2024c）。在中国，有色金属工业贡献了46.8%的工业重金属排放量，因此冶炼场地通常受到多种重金属的污染（Zhao等人，2025）。砷（As）、铅（Pb）和镉（Cd）的共污染在冶炼场地非常普遍，土壤和地下水中的浓度经常超过环境阈值（Li等人，2025b；Zeng等人，2024a）。例如，一个废弃的铅锌冶炼厂的地下水中，砷、铅和镉的超标率分别高达44.4%、50%和88.9%（Xue等人，2024）。典型冶炼场地中砷、铅和镉的平均浓度可分别达到63.9 mg·kg-1、2123 mg·kg-1和502 mg·kg-1（Luo等人，2023）。在共污染土壤中，砷、铅和镉的地球化学行为差异显著——砷主要以阴离子形式存在，而铅和镉主要以阳离子形式存在，这增加了它们同时稳定的难度（Jiang等人，2023a；Liao等人，2025）。此外，土壤性质（如pH值和氧化还原电位（Eh）对阴离子和阳离子物种的迁移性和生物可利用性有相反的影响，进一步阻碍了同时修复（He等人，2022；Lyu等人，2023）。因此，开发高效且可持续的修复策略对于治理冶炼场地中砷、铅和镉共污染的土壤至关重要。
近年来，已经采用了多种技术来修复受污染的土壤，包括土壤置换（Song等人，2022）、化学稳定（Jia等人，2024）和生物修复（Fulke等人，2024）。原位化学稳定被认为是一种经济有效的修复方法。天然粘土矿物具有独特的层状/纳米棒状形态，由于其丰富的储量、低成本和高比表面积，对铅、镉和铜等污染土壤具有巨大潜力（Huang等人，2020；Wang等人，2025；Zhang等人，2025a）。然而，其天然的负表面电荷会因静电排斥而降低其对砷的亲和力。因此，需要通过有效的改性策略来增强ATP的钝化性能。金属氧化物改性是一种有效的方法，可以改变ATP的表面电荷并引入新的功能基团（Shah等人，2019；Wang等人，2024a）。铁氧化物改性被认为是实现阴离子和阳离子污染物同时稳定的最有前景的策略之一。铁氧化物可以提供丰富的Fe–OH位点与砷进行内球配位，并通过沉淀和共沉淀过程促进重金属的共稳定（Jiang等人，2025）。铁氧化物改性的ATP（Fe改性ATP）的稳定效率取决于铁氧化物的形态、分散度及其与ATP的界面结构。作为有效的支撑框架，ATP可以分散铁氧化物并抑制其聚集，从而暴露出更多的反应位点（Caballero-Mejía等人，2025）。例如，负载氧化铁的粘土矿物的比表面积大约是普通粘土矿物的6倍，氧化铁的1.3倍，它将酸性土壤中砷、铅和镉的生物可利用分数分别降低了36.5%、77.57%和79.72%（Zhao等人，2023）。
尽管铁改性ATP已广泛应用于多金属污染土壤的修复，但其稳定性能在很大程度上取决于铁氧化物在土壤环境中的动态转化。铁氧化物会经历连续的相变，形成反应性更高的次生铁矿物（Shi等人，2021）。特别是非晶态和低结晶度的铁氧化物对重金属具有很强的亲和力。Jiang等人（2023b）证明，缓释型磷酸铁添加剂显著增加了土壤中游离铁（Fed）和非晶态铁（Fe0）的含量，从而增强了砷、镉和铅的稳定效果。实际上，土壤微生物在铁矿物转化中起着关键作用。还原铁的细菌可以将Fe(III)还原为Fe(II)，促进结晶铁氧化物的溶解；氧化铁的细菌可以将Fe(II)氧化为次生铁（水）氧化物，不断生成新的反应界面（Li等人，2025a）。先前的研究表明，通过微生物活动形成的生物铁氧化物可以显著促进铅和镉等阳离子金属与铁矿物的共沉淀，并增强砷在铁氧化物表面的内球吸附（Huang等人，2025）。同时，Fe(III)/Fe(II)循环可以改变土壤的氧化还原条件和电子转移，从而影响重金属的形态和长期稳定性（Mejia等人，2016）。铁循环可以调节养分释放和电子受体的可用性，进而重塑微生物群落结构，促进生态恢复（Liu等人，2022；Qu等人，2024）。然而，在砷、铅和镉共污染的土壤中，铁氧化物改性ATP如何调节铁循环以影响微生物演替并进一步促进砷、铅和镉的共稳定仍不清楚。因此，有必要进一步研究铁改性粘土矿物、活性铁组分和微生物演替在共污染冶炼土壤中的相互作用。
因此，本研究采用铁改性的凹凸棒石（ATP@MG）来修复砷、铅和镉共污染的冶炼土壤。我们之前的工作已经证实了ATP@MG在水体系中能够同步吸附砷、铅和镉（Tang等人，2025）。在本研究中，我们假设ATP@MG可以通过调节活性铁氧化物组分来有效实现砷、铅和镉的同时稳定，从而降低它们的生态毒性并重塑土壤细菌群落结构。据此，本研究的目标是：（1）确定ATP@MG对土壤物理化学性质和铁氧化物组分转化的影响；（2）评估ATP@MG在共污染土壤中对砷、铅和镉的稳定效果，并评估其在模拟酸雨淋溶条件下的长期稳定性；（3）揭示ATP@MG稳定重金属的关键机制；（4）研究土壤细菌群落结构、代谢活性和生态网络对ATP@MG改性的响应。
材料与土壤特性
本研究使用的所有试剂均为分析级。凹凸棒石（ATP）购自中国江西省。砷、铅和镉共污染的土壤取自广东省广州市一个冶炼场地的表层（0-20厘米）（113.489023°E，23.091701°N）。土壤样品经过风干后通过2毫米筛子筛分，以实现均匀化，然后进行培养实验。土壤中的总砷、铅和镉浓度分别为2368 mg·kg-1、962 mg·kg-1和48.9 mg·kg
土壤性质的变化
土壤的物理化学性质决定了重金属的形态、反应性和迁移性。ATP@MG引起的变化如图1所示。5% ATP@MG的应用显著提高了土壤pH值，从6.79升至第7天的7.25，第60天升至7.34，比对照组高出约0.3个单位。相比之下，较低剂量（≤2%）和对照组并未引起土壤pH值的显著变化（图1a）。这种现象可能是由于ATP@MG与重金属之间的离子交换释放了
结论
本研究证明，铁改性的粘土矿物（ATP@MG）能有效同时稳定共污染冶炼土壤中的砷、铅和镉。ATP@MG的应用显著改善了土壤的物理化学性质和活性铁氧化物组分，特别是非晶态铁（Fe0的含量增加了3.04倍。5% ATP@MG配方使残留分数的比例增加（对于砷和铅分别为83.46%和75.02%，对于镉为18.40%），从而促进了
作者贡献声明
马波：撰写 – 审稿与编辑。塔特亚娜·索莱维奇·克努德森：撰写 – 审稿与编辑。刘邦：可视化。于俊超：方法学。刘星宇：撰写 – 审稿与编辑。崔云堂：撰写 – 原始草稿、方法学、数据管理、概念化。姚俊：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。吕颖：撰写 – 原始草稿、方法学。刘建丽：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作部分得到了以下项目的资助：中国科学技术部重大科研项目（2023YFC3707600和2023YFC3207300）、国家自然科学基金（42230716、42407526、42407031）以及塞尔维亚共和国科学技术发展与创新部项目（项目编号451-03-136/2025-03/200026），以及国际联合科学技术项目
