人類活動造成環境鎘(Cd)污染問題日趨嚴重。重金屬Cd具有劇毒性和致癌性，對人與動物健康造成潛在威脅，而理解Cd環境地球化學循環是預測Cd污染環境風險和治理Cd環境污染問題的前提條件。近年來，應用Cd非傳統同位素研究其環境地球化學循環、Cd污染溯源和示蹤成為環境領域的研究熱點。但是，環境中Cd在遷移和轉化過程中會發生復雜的界面反應，如在活性礦物界面發生吸附、同晶替代和共沉淀，與有機物絡合，植物吸收和膜蛋白轉運以及淋溶風化等，可能會導致Cd同位素發生分餾，這限制了Cd同位素進行重金屬污染溯源和示蹤的應用。鐵氧化物是地球關鍵帶中廣泛存在的一種活性礦物，對重金屬污染物的遷移和轉化具有重要調控作用。因此，研究鐵氧化物界面Cd同位素分餾行為與機制，對Cd同位素在環境領域的應用具有重要意義。
通過研究Cd在表生環境中常見鐵氧化物(針鐵礦、赤鐵礦和水鐵礦)表面吸附和與針鐵礦共沉淀過程中Cd同位素分餾行為表明，在吸附過程中鐵氧化物表面富集Cd輕同位素，符合平衡分餾模型;在針鐵礦(−0.51 ± 0.04‰)、赤鐵礦(−0.54 ± 0.10‰)和水鐵礦(−0.55 ± 0.03‰)表面分餾量(Δ114/110Cdsolid-solution)相等，且不受外界條件如Cd初始濃度、離子強度和pH值等影響 (圖1)。同步輻射Cd K邊擴展X射線吸收精細結構光譜(EXAFS)分析表明, Cd在礦物表面形成高度扭曲的[CdO6]八面體, 導致Cd輕同位素的富集。而在針鐵礦結晶過程中Cd以同晶替代方式進入針鐵礦晶格時，礦物富集Cd重同位素，分餾量為0.22 ± 0.01‰。這與反應過程中水鐵礦通過溶解-再結晶機制轉化為針鐵礦有關 (圖2)。
本研究填補了地球關鍵帶中活性礦物界面Cd同位素分餾因子的空白。Cd輕同位素通過吸附富集到鐵氧化物、錳氧化物和腐殖酸等活性組分中，這可以解釋土壤和沉積物Cd同位素組成比水溶液更輕的現象。特別地，廣泛分布在熱帶和亞熱帶土壤中的鐵氧化物，顯著影響Cd同位素分餾行為。該研究加深了對Cd環境地球化學行為的理解，亦指出在應用Cd同位素進行污染溯源和示蹤時應充分考慮活性礦物界面Cd同位素分餾對自然和人為源Cd同位素特征的影響。
華中農業大學資源與環境學院科研助理嚴欣然碩士為論文第一作者，殷輝副教授和中國科學院地球化學研究所朱傳威副研究員為論文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、華中農業大學自主科技創新基金等項目的資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c06927
