资源与环境学院生物矿化团队近年围绕环境中镉和砷在矿物-溶液界面内反应微观动力学过程开展了系列研究，最新研究成果在美国化学会出版的《环境科学和技术》（Environmental Science & Technology）上发表3篇相关论文，论文第一作者为博士研究生翟航，通讯作者为王荔军教授和张文君副教授。

作为土壤中的有毒污染物，揭示镉和砷在矿物表面吸附以及随后的沉淀固定过程，将对预测其在土壤环境中存在的形态以及去向起到重要的作用。针对这一科学问题，本研究利用耦合液体反应池的原子力显微镜(AFM)纳米级成像技术,原位观测了镉和砷在二水磷酸氢钙(DCPD)界面内发生的溶解和再沉淀反应动力学过程；借助高分辨透射电镜(HRTEM)晶相分析，证明了在DCPD界面上形成Cd_(5−x)Ca_x(AsO₄)_(3−y)(PO₄)_yOH沉淀，从而降低了镉和砷的移动性和生物有效性(图1A)。然而，土壤中存在各种腐殖质分子，它们可能影响以上的溶解再沉淀反应过程。使用X射线光电子能谱(XPS)结合表面增强拉曼(SERS)光谱技术，揭示了腐殖酸可以将五价砷还原为毒性更强的三价砷。同时，使用地质化学软件PhreeqC并依据经典的腐殖质-金属离子结合模型(Model VI)计算了腐殖酸和镉离子形成复合物后结合形态的镉浓度，以及反应后溶液和DCPD再平衡后形成各种含镉，砷或钙的矿物相的热力学饱和度，最终解释了自由五价砷和镉离子浓度的降低抑制了Cd_(5−x)Ca_x(AsO₄)_(3−y)(PO₄)_yOH沉淀的形成(图1B)。深入借助原子力针尖修饰及单分子力谱(SMFS)技术，揭示了一个简单六肽（SGAGKT）可通过氢键特异性与磷结合而不与砷结合的分子机制(图2)，这为同时含有磷砷污染水体系的化学修复提供了思路。以上系列研究成果所揭示的矿物界面化学动力学及分子机制将有助于我们预测土壤和水环境中镉和砷的去向，并为污染修复提供理论依据。

上述研究得到国家自然科学基金和校自主科技创新基金的支持。

图1. (A)二水磷酸氢钙(DCPD)表面形成了镉砷的复合沉淀。(B)腐殖酸(HA)抑制了镉砷复合沉淀物的形成。

图2.原子力探针修饰的六肽(SGAGKT)与磷结合(A)前(B)后在云母表面的单分子力谱(SMFS)研究。