砷（As）与镉（Cd）是两类典型的高毒性重金属污染物，在农业土壤中频繁出现，主要源于工业排放、化肥农药施用与灌溉水污染。它们不仅影响作物生长发育，还可通过食物链富集，最终威胁人类健康。目前主流的物理/化学修复方法存在操作复杂、成本高、环境风险二次污染等缺陷。生物炭（biochar）以其绿色环保、来源广泛、价格低廉等优势，成为近年来土壤修复研究的热点。引入铁（Fe）与镁（Mg）等功能性金属可进一步提升生物炭的钝化能力，但对于As-Cd共污染体系的作用机制仍亟需系统阐释。
【文章内容概要】
华南农业大学黎华寿教授团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》期刊发表最新研究，题为 “Synergistic effects of Mg and Fe-modified bimetallic biochar for immobilization of As and Cd in agricultural soils”。本研究合成了四种类型生物炭：未改性（BC）、单金属改性（Mg-BC、Fe-BC）和双金属改性（Bi-BC），并将其施用于As与Cd污染土壤，通过一系列盆栽实验、理化分析与植物生长测定，系统评估其钝化性能与机制。
通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对生物炭的形貌和结构变化进行了系统分析。SEM图像显示，未改性生物炭（BC）表面呈现出典型的多孔结构，而经Fe和Mg改性后的双金属生物炭（Bi-BC）表面则变得粗糙致密，结构更为复杂。这一变化表明金属氧化物已成功负载于生物炭表面，有助于提供更多反应活性位点用于重金属钝化。XRD分析进一步验证了新晶体相的生成。Fe-BC和Mg-BC样品中分别观察到Fe₂O₃和MgO的特征峰，而Bi-BC则同时显示出Fe、Mg及其复合氧化物的衍射峰，说明形成了新的晶体结构，增强了沉淀和表面络合作用的潜力。FTIR光谱显示，Bi-BC中出现了明显的金属–氧键吸收峰，主要位于563 cm⁻¹和650 cm⁻¹，分别归因于Fe–O和Mg–O振动，同时在1020 cm⁻¹处出现了Fe–O–Mg的特征吸收峰。以上结构表征结果共同证实了Fe和Mg的成功负载以及生物炭表面结构的显著改变。
(D) 双金属改性生物炭（Bi-BC），(E) 所制备生物炭的X射线衍射（XRD）谱图，(F) 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析图。
施加Bi-BC显著改善了污染土壤的多个关键理化参数。土壤pH由原始的5.72提升至7.80，显著缓解酸性胁迫，为Cd²⁺和As(III)的沉淀与固定提供了理想的环境。阳离子交换量（CEC）提升了47.6%，表明土壤对阳离子的吸附能力增强，有利于减少重金属迁移。此外，有机质含量（SOM）较对照组提升了133.9%，可能源于生物炭本身的有机碳输入以及对微生物活性的促进。土壤持水量（WHC）也提高了26.6%，改善了土壤保水能力和作物根系环境。氧化还原电位（Eh）提升了33.5%，使土壤趋于氧化状态，有利于As(III)向毒性更低的As(V)转化。以上变化共同营造了稳定、适宜的土壤环境，有效促进重金属的钝化和固定。
Bi-BC处理显著增强了多种与土壤生态功能相关的酶活性。脱氢酶活性从0.42提高至0.83 μg TPF g⁻¹ d⁻¹，表明微生物代谢水平和呼吸活性显著上升。碱性磷酸酶活性由9.56提升至15.41 μg pNP g⁻¹ h⁻¹，促进了土壤中磷元素的有效释放。
与此同时，β-葡糖苷酶活性提高了58.5%，有利于有机碳的分解与循环；脲酶活性则大幅上升287%，反映出土壤中氮素矿化能力增强。酶活性的整体提升不仅指示了土壤微生态系统的恢复，也说明生物炭改善了微生物生境，为金属离子的生物钝化和有机络合提供支持。
Bi-BC的施用显著改变了土壤中Cd和As的形态分布。Cd含量由2.10 mg/kg下降至0.86 mg/kg，降幅达59.0%（P<0.05），表明Cd²⁺被有效沉淀或被生物炭表面活性基团所络合，其中Mg在提高pH方面的作用尤为关键。As的形态亦发生显著转化，As(III)含量由32.46 mg/kg降低至12.98 mg/kg（降幅60.0%，P<0.01），而As(V)含量则显著增加，说明Fe通过促进氧化反应将As(III)转化为毒性更低、迁移性更弱的As(V)。该转化可能与Fe在生物炭中引发的类Fenton反应有关，也可能源于氧化还原电位上升及微生物参与的氧化机制。转化后的As(V)可通过沉淀和共沉积的形式被稳定保留在土壤中。
图5显示Bi-BC处理后，水蕹菜根部对Cd和As的吸收显著下降。Cd浓度较对照组下降70.9%，As下降84.5%，P<0.05，反映出生物炭对根际金属可利用性的显著降低。这种抑制作用归因于土壤中金属形态的稳定化和有效活性态的减少，表明Bi-BC具备显著的植物污染阻断能力。
图6表明Bi-BC也有效限制了金属向植物地上部的转运。Cd和As在叶片中的含量分别下降71.3%和82.5%；同时，转运因子（TF）分别下降至0.24和0.25，显著低于对照组。这种低转运水平确保了作物可食部位中污染物含量的显著降低，从而降低了人类食物链暴露风险。
图7采用PCA分析，揭示了各处理组土壤理化性质、酶活性与重金属行为之间的关系。Bi-BC组样本明显聚集于与高CEC、pH、SOM和酶活性正相关的象限，显示其在改善土壤质量和钝化污染物方面效果显著。同时，与As和Cd的生物有效性呈负相关，证实Bi-BC通过多路径作用机制有效实现重金属固定.
图8概括性地展示了Bi-BC对As与Cd的协同钝化机制。Fe在土壤中催化As(III)向As(V)的氧化反应，并与As形成稳定的Fe–As沉淀；Mg通过调节pH、提供阳离子吸附位点，增强了对Cd²⁺的吸附与沉淀能力。同时，改良后的生物炭增强了微生物活性和酶促反应，共同促进重金属的非生物与生物协同钝化过程，实现土壤生态功能修复与污染风险双重控制。
【原文链接】
Farhan Nabi, Rakhwe Kama, Sumbal Sajid, Muslim Qadir, Razia Kanwal, Fareed Uddin Memon, Chongjian Ma, Huashou Li. Synergistic effects of Mg and Fe-modified bimetallic biochar for immobilization of As and Cd in agricultural soils. Environmental Chemistry and Ecotoxicology, 2025, 7, 1059–1071.
【作者介绍】
Farhan Nabi 博士和Rakhwe Kama博士均为华南农业大学博士后，研究方向为多重金属污染土壤的可持续修复、生物炭基土壤改良剂及植物-土壤相互作用机制。在环境科学、土壤修复及生态毒理学领域的SCI收录期刊各发表30余篇同行评议论文，其中分别以第一作者身份发表8篇和7篇。
【期刊介绍】
Environmental Chemistry and Ecotoxicology （ENCECO）创刊于2019年，期刊影响力不断提升，连续两年JCR影响因子分别在ENVIRONMENTAL SCIENCES学科领域和Toxicology学科领域中稳居Q1区前10%。在《2025年中国科学院文献情报中心期刊分区表》中，ENCECO荣列大类：环境科学与生态学 1区，Top期刊；小类：ENVIRONMENTAL SCIENCES 环境科学1区；TOXICOLOGY 毒理学1区。ENCECO主要聚焦化学品在全球环境中的传输规律及其在生态系统中的毒性机制，生物体中的生物利用度和生物蓄积性，食物链中的生物放大，以及生态系统分析中的新技术和新方法、跨学科生态毒理学信息的处理方法等。
ENCECO期刊主要研究方向包括：环境化学、生态毒理学、环境修复、风险评估等。期刊已被ESCI、Scopus、Ei Compendex、BIOSIS Previews、Biological Abstracts、CAS、DOAJ、GEOBASE等数据库收录。
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