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（来源：生态修复网）

第一作者：蒋红娟

通讯作者：陈耀宁教授

通讯单位：湖南大学

论文DOI: 10.1016/j.jhazmat.2025.138863

图文摘要

成果简介

近日，湖南大学环境科学与工程学院陈耀宁教授团队在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Innovative application of recyclable magnetic LDO beads for enhancing the remediation of Cd and Pb contamination and the humification during composting”的研究论文。本研究开发出可回收磁性LDO小球（Mag-LDO），成功应用于重金属污染土壤与农业废弃物的协同堆肥。该材料通过“吸附-回收-再生”闭环设计，同步实现Cd/Pb污染修复（总含量降低18-22%，生物有效性降低10-16%）和腐殖化提升（腐殖酸增产16%），为农田土壤安全利用与废弃物资源化提供新的技术参考。

全文速览

针对土壤重金属污染与农业废弃物处理难题，本研究开发了一种可回收磁性LDO小球（Mag-LDO），并将其应用于堆肥过程。通过设置未处理对照组与2%、5% Mag-LDO添加组，系统分析了堆肥过程中理化性质、微生物群落及重金属形态变化。结果显示，5% Mag-LDO组在降低Cd/Pb总量与生物有效性的同时，显著提升了腐殖酸含量。机制研究表明，Mag-LDO通过微生物调控、离子交换/沉淀作用及腐殖酸-金属稳定化三重路径实现污染修复与腐殖化增强。磁性回收特性进一步降低了材料成本和二次污染，展现了广阔的应用潜力。

引言

土壤重金属污染已成为全球性环境问题，我国约16.1%的土壤面临超标风险，其中Cd、Pb污染尤为突出。这些重金属通过食物链富集，严重威胁人类健康。与此同时，农业废弃物如秸秆的堆肥处理虽能生产腐殖质肥料，但重金属的浓度效应可能导致堆肥产物二次污染。传统修复技术多聚焦于单一目标（如吸附或稳定化），难以同时实现重金属减量与堆肥品质提升。本研究创新性地将磁性层状双氢氧化物小球（Mag-LDO）引入堆肥体系，通过材料-微生物-有机质的协同作用，首次实现了重金属污染修复与腐殖化过程的同步强化，为土壤修复与废弃物资源化提供了新思路。

图文导读

堆肥基础参数演变

随着堆肥进行，pH经历“V型”波动：初期有机酸积累致pH骤降（5天），后期微生物消耗酸类生成氨氮，使pH回升至8.7–9.0。添加5% Mag-LDO的T2组有机质（OM）和水溶性碳（WSC）降解更突出，表明Mag-LDO促进微生物代谢。关键指标种子发芽率（GI）突破165%，远超植物毒性阈值（80%），证实堆肥产物安全性。

腐殖化进程

腐殖质的含量及组分变化是反映堆肥腐殖化进程的核心指标。腐殖酸（HA）在T2组堆肥末期达42.18 g/kg，增幅16.02%，其与富里酸比值（DP）同步攀升，揭示小分子向大分子腐殖质的转化加速。FTIR光谱显示T2组腐殖酸在1650 cm⁻¹处芳香环-C=C-振动峰显著增强，意味着更多重金属结合位点形成。荧光指数（FI>1.8）证实腐殖质以微生物合成为主。

Mag-LDO吸附+磁回收使T2组总Cd/Pb降低18.38%/21.93%，突破传统堆肥的“浓度效应”瓶颈。生物可利用态（BF=可交换态+可还原态）Cd/Pb分别下降16.31%与10.37%，而T2组Cd的氧化态（OXI）占比提升14.72%，Pb的残渣态（RES）增加6.40%，标志重金属向稳定形态迁移。

微生物群落演替图4 门/属水平微生物相对丰度变化（a-b），CK和T2之间属级物种贡献排序（c）、细菌群落、理化参数和重金属之间的相关性（d-f）

堆肥过程高度依赖微生物的代谢活动，在门水平上，Mag-LDO促进厚壁菌门（Firmicutes）增殖，该菌群专长有机物分解与腐殖化。属水平上，T2组后期芽孢杆菌（Bacillus）与假单胞菌（Pseudomonas）占比碾压对照组，其分泌的碳酸盐可沉淀重金属。为进一步解析堆肥过程中微生物、HA与重金属的相互作用机制，采用Mantel-test进行了关联分析。Mantel-test分析进一步揭示：T2组中微生物与HA协同促进Cd的固定，形成“微生物-腐殖质-重金属”三角稳定体系。但对于Pb而言，其钝化过程与微生物及HA均无显著关联，表明Mag-LDO吸附可能是Pb固定的主导因素。

腐殖酸固定镉

为深入解析HA固定Cd的分子机制，采用2DCOS技术对堆肥过程中HA的傅里叶变换红外光谱（FTIR）与稳态Cd（氧化态Cd+残渣态Cd）的动态响应进行了关联分析二维相关光谱（2DCOS）破译腐殖酸结合Cd的序列：酮羰基（1650 cm⁻¹）→芳香醚（1230 cm⁻¹）→羧基（1400 cm⁻¹）优先响应。这一发现从分子尺度解释腐殖酸对镉的强络合能力。

Mag-LDO吸附镉和铅实证

为解析Mag-LDO对Pb和Cd的吸附机制，采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行了系统表征。SEM图像显示Mag-LDO    表面粗糙度增加；EDS光谱检测到Cd/Pb特征峰增强，而Mg、Al、Ca元素含量相应降低。表明Mag-LDO对Pb和Cd的吸附可能存在两种作用机制：一是Pb²⁺/Cd²⁺与层间Mg²⁺/Al³⁺发生了离子交换，二是沉淀反应实现了重金属的深度钝化。

XRD图谱捕获吸附后LDH特征峰重现，证实LDO通过“记忆效应”重建层状结构锁定重金属。FTIR中1369 cm⁻¹处碳酸根峰增强，验证沉淀反应发生。堆肥后Mag-LDO饱和磁化强度达2.33 emu/g，磁回收率>80%，再生后对Cd/Pb吸附率保持66–71%。图7f示意图展示磁分离流程：传送带上的堆肥经磁场吸附，Mag-LDO与非磁性物质自动分流。

多机制协同修复

Mag-LDO通过离子交换（Mg²⁺/Al³⁺ ⇌ Cd²⁺/Pb²⁺）和碳酸盐沉淀直接捕集重金属；在微生物方面，Mag-LDO促进芽孢杆菌/假单胞菌增殖，其代谢产物固化重金属；堆肥过程中增加的腐殖酸以酮羰基/羧基等基团络合金属离子。最终通过磁回收移除吸附了重金属的Mag-LDO，实现土壤净化、材料循环和农业废物利用的三赢。

小结

本研究开发的磁性Mag-LDO小球在堆肥过程中展现出多重优势：其一，通过微生物调控与吸附作用，同步降低重金属总量与生物有效性；其二，促进腐殖酸生成，提升堆肥产物品质；其三，磁性回收特性保障了材料的高效再利用与环境安全性。该技术为重金属污染土壤修复与农业废弃物资源化提供了创新性解决方案，未来可进一步优化材料配比与堆肥工艺，推动其实践应用。

作者介绍

第一作者：蒋红娟，湖南大学环境科学与工程学院，在读博士研究生，主要研究方向为固废资源化利用以及重金属污染土壤修复，以第一作者/共同第一作者发表论文5篇。联系方式：jhongj158@163.com。

通讯作者：陈耀宁教授，湖南大学大学环境科学与工程学院，教授，博士生导师。目前主要开展环境功能材料、固体废物的处理与资源化和土壤污染修复的研究，主要涉及：（1）有机固废好氧堆肥化处理及资源化；（2）水体沉积物和土壤中难降解有机物的生物修复；（3）土壤及水体沉积物中重金属污染修复；（4）环境功能材料研制及其在重金属和有机物污染修复中的应用。主持国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等多项课题。以第一/通讯作者身份在Advanced Material、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Bioresource Technology等期刊发表SCI论文90余篇。参与出版学术专著5项。授权国家发明专利38项。联系方式：cyn@hnu.edu.cn。

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