西安建大特殊土力學與工程防災創新團隊在國際權威期刊發表研究成果

近日，西安建築科技大學土木工程學院特殊土力學與工程防災創新團隊在環境工程領域國際權威期刊《Journal of Hazardous Materials》（危險材料雜志，2022影響因子IF：14.224，學術影響力在146個環境科學（Environmental Science）期刊中排名第四（4/146））上在線發表題為“Immobilizing copper in loess soil using microbial-induced carbonate precipitation: Insights from test tube experiments and one-dimensional soil columns（利用微生物誘導碳酸鹽沉澱固化黃土中銅金屬：來自試管實驗和一維土柱的啟示）”的研究論文。論文第一作者為我校博士研究生謝毅鑫，鄭文傑教授為論文唯一通訊作者。西安建築科技大學為該論文的第一完成單位。

近年來，由于快速的城市化進程中廣泛的冶金和農業活動，土壤和地下水中普遍存在超量的重金屬，成為周圍環境和人類健康的潛在威脅。而各類重金屬中，銅對生物體具有顯著的毒性作用，導緻蛋白質結構的不可逆變化并影響組織和細胞的功能。在過去的幾十年中，各種物理（換土法）和電化學（化學淋洗、電動修複）方法被開發并廣泛應用于重金屬污染場地修複再利用。盡管如此，傳統修複措施被認為耗時、成本高且具有較高的二次污染風險。微生物誘導礦化技術（Microbial-induced Carbonate Precipitation, MICP）因為其高效、經濟和較低的二次污染風險，被認為是傳統修複方法的替代方案。可以将重金屬賦存形态轉變為更穩定的碳酸鹽結合态，降低其遷移擴散潛勢及生物可用性（Bioavailability）。

重金屬銅固化效率與環境酸堿度關系：(a)試管實驗和(b)賦存形态數值模拟論文通過開展一系列試管實驗，探究重金屬銅的固化效率與環境酸堿度的關系，并通過數值模拟研究了試管實驗中不可見的重金屬銅形态轉化。分析結果表明，重金屬銅的固化效率可通過與孔雀石和藍銅礦等礦物的共沉澱進而顯著提升，極端的環境酸堿度條件不利于形成礦物沉澱，所以環境酸堿度的協同調控對實現較高的重金屬銅固化效率具有積極作用。

(a)高污染濃度下重金屬銅形态的轉化和(b)配位絡合中黃土礦物響應的光譜分析一維土柱實驗進一步探究了不同銅污染濃度在菌液注漿修複前後不同深度位置處重金屬銅形态的轉化，并通過XRD圖譜和拉曼光譜揭示了MICP技術修複銅污染黃土的内在影響機理。黃土中既有的多種礦物可與不同形式的重金屬銅發生配位絡合，菌液注漿形成的堿性環境促進了重金屬銅的配位吸附，将重金屬銅轉化為更穩定的賦存形态，從而降低其生态毒性。酸性和堿性環境均通過影響NH⁴⁺和CO₃²⁻的水解來影響重金屬銅形态的轉化和固化效率。當酸性較高時，不能提供足夠的CO₃²⁻用于重金屬銅的固化，溶液中存在大量遊離的Cu²⁺。當堿性較高時，大量的NH₃更易和Cu²⁺形成絡合物來劣化重金屬銅的固化效率。注漿量也會影響土中重金屬銅的存在形式，進而影響其在土中的遷移規律。菌液注漿促進了土中既有礦物與重金屬銅的配位絡合，降低了重金屬銅在土中的生态毒性。研究結果可為微生物誘導礦化技術應用于富銅水體和重金屬銅污染場地修複再利用提供指導。