浙江大學AM：受植物啟發研制“人造植物” 成功破解深層土壤重金屬污染難題

隨著工業化進程加速，土壤重金屬污染已成為威脅全球生態系統和人類健康的嚴峻環境問題。鉛、鎘、鉻、銅等重金屬因不可生物降解的特性，具有極強的持久性，即使在微量水平下也能造成長期的生態和代謝風險。這些污染物不僅在土壤中累積，還會隨雨水徑流遷移至河流和地下水，進一步放大環境污染風險。然而，傳統修復方法如土壤淋洗、固化穩定化等技術存在能耗高、易產生二次污染等問題；而植物修復雖然環境友好，但其生長周期漫長，且因深層土壤結構致密、氧氣匱乏、根系分布稀疏，有效修復深度通常不足1米，難以應對向下遷移的重金屬污染。

受自然界植物蒸騰作用和選擇性吸附機制的啟發，浙江大學柏浩教授團隊開發出一種仿生定向多孔殼聚糖/改性活性炭氣凝膠（BAMC），成功構建了能夠高效修復深層土壤重金屬污染的“人造植物”系統，為持久性深層土壤重金屬污染治理提供了一種環境友好、高效且可規模化應用的新策略。研究表明，該系統在7天內可去除土壤中高達70.2%的銅離子，并在1.5米深度展現出顯著的修復效果，超越了傳統植物修復的能力極限。相關論文以“Bioinspired Artificial Plant for Deep Soil Heavy Metal Remediation”為題，發表在Advanced Materials上。

仿生結構設計與優異性能

研究團隊采用定向冷凍技術制備了BAMC材料。通過控制冷凍速度，冰晶在垂直溫度梯度作用下定向生長，將溶質排出并形成類似植物莖稈的取向多孔結構。經過冷凍干燥后，得到了具有微米級定向通道的氣凝膠材料。掃描電鏡圖像顯示，當冷凍溫度從-196°C升至-30°C時，材料平均通道寬度從約15微米增加至80微米。這種低迂曲度的定向孔道結構大幅降低了水和離子的傳輸阻力，而嵌入孔壁的改性碳納米顆粒則提供了豐富的納米尺度吸附位點，同時賦予材料優異的光熱轉換能力。與隨機多孔結構材料相比，BAMC的水滴吸收時間僅需250毫秒，吸水高度在10秒內達到1.5厘米，銅離子傳輸速率更是達到了前者的8倍。

圖1 | 仿生定向多孔mCNPs/殼聚糖氣凝膠（BAMC）的制備、結構與基本特性： a) BAMC的冰模板法制備過程。將所有組分預交聯后的分散液以0.8 mm/min的速度浸入冷源中，經過24小時后交聯完成，再經冷凍干燥獲得材料。 b) BAMC的光學圖像。 c,d) 不同放大倍數下BAMC的掃描電鏡圖像。樣品在-90°C條件下制備，平均孔徑約為30微米，標記為BAMC-30 μm。 e) 通過各向同性冷凍制備的隨機結構mCNPs/殼聚糖氣凝膠（RMC）的掃描電鏡圖像。 f) 紅外圖像顯示BAMC和RMC不同的吸水行為。 g) 與紅外圖像（f）對應的吸水前沿高度隨時間變化曲線。

太陽能驅動下的高效水傳輸與吸附

在模擬太陽光照射下，BAMC表面的碳納米顆粒迅速升溫，驅動水分子持續蒸發，在定向通道內產生類似植物蒸騰的對流流動。實驗表明，孔徑為30微米的BAMC在1個太陽光照強度下的蒸發速率高達每小時每平方米3.36公斤，處于同類太陽能蒸發器的領先水平。經過7天連續運行（每天光照8小時），在2倍太陽光強下BAMC對銅離子的吸附容量達到每克139.2毫克，是黑暗條件下的1.35倍。研究進一步揭示了吸附容量與蒸發速率之間的S形曲線關系：在低蒸發速率下，離子遷移以擴散為主；一旦蒸發速率超過閾值，對流成為主導輸運機制，離子通量與流體速度呈線性關系；當吸附達到飽和后，進一步提升蒸發速率效果有限。在所有測試條件下，BAMC的表現均優于隨機多孔結構和商業對照材料。

圖2 | 仿生定向多孔mCNPs/殼聚糖氣凝膠（BAMC）的太陽能水蒸發和吸附性能： a) BAMC在太陽光驅動蒸騰作用下從土壤中吸附Cu2?的示意圖。表面蒸發導致器件內部產生對流水流，Cu2?在吸附和對流的共同作用下遷移至樣品并被固定在吸附位點上。 b) 模擬太陽光驅動土壤修復測試中BAMC樣品的圖像。石英砂用作吸附介質。 c) 不同孔徑（15、30、80 μm）、RMC和CMC在2倍太陽光強下的水蒸發性能。 d) 不同樣品在光照和黑暗條件下經過7天測試后的Cu2?吸附容量。 e) BAMC-30 μm、RMC、CMC在0倍太陽光強（黑暗-密封）、0倍太陽光強（黑暗-開放）、0.5、0.75、1、1.5和2倍太陽光強下的總蒸發量。 f) BAMC-30 μm、RMC、CMC在不同總蒸發量下的吸附容量。虛線反映了吸附容量隨總蒸發量的變化趨勢。

對流-吸附耦合機制實現深層離子快速去除

為了揭示人工蒸騰作用下的土壤修復機理，研究團隊采用羅丹明B溶液進行可視化實驗。當僅存在對流作用時（無吸附能力材料），染料分子隨蒸騰產生的水流遷移，淺層土壤中的染料優先進入材料，濃度從表層開始逐漸降低并隨實驗時間向深層擴展。當僅存在吸附作用時（無蒸發），染料分子通過濃度梯度擴散被材料捕獲，在材料周圍形成白色“染料耗竭區”，遠處染料逐漸向該區域擴散。而當對流轉運和吸附捕獲協同作用時，BAMC在水平和垂直方向均展現出雙重濃度梯度，28天后染料濃度降至最低。灰度分析定量證實了這種協同機制能夠從淺至深、由近及遠地漸進去除污染物。

圖3 | 對流和吸附驅動的快速深層離子去除機理實驗分析： a–c) 染料遷移測試中第0天、第7天、第14天、第28天的橫截面光學圖像：（a）BAMC（1倍太陽光強，含CNPs），（b）BAC（1倍太陽光強，不含CNPs），（c）BAMC（無蒸發，含CNPs）。 d) 橫截面光學圖像的灰度二值化和偽彩色處理示意圖。通過MATLAB可獲得不同水平距離和垂直深度處像素的二維灰度數據。 e) BAMC（1倍太陽光強，含CNPs）在不同實驗天數下50、100和150 mm深度處的水平灰度投影。 f) BAMC（1倍太陽光強，含CNPs）在不同實驗天數下10、20、30和40 mm距離處的垂直灰度投影。

突破深層土壤修復瓶頸

為驗證BAMC在超過1米深度污染土壤中的修復能力，研究團隊構建了1.5米深的擴大規模實驗系統。通過在材料頂部附加涂覆改性碳納米顆粒的濾紙作為“人工葉片”，蒸發面積擴大后蒸發速率最高可提升4倍，達到每小時每平方米12.6公斤。研究發現，材料存在一個“臨界深度”：在臨界深度以上的土層，離子傳輸由吸附和對流共同驅動；而在臨界深度以下，因土壤阻力導致水流通量可忽略，離子遷移僅依靠吸附作用。BAMC在不同蒸發條件下均展現出最大的臨界深度，證實其在深層污染土壤（>1米）原位修復中的巨大潛力。橫向影響范圍測試表明，當前直徑8毫米的BAMC單元的有效水平修復半徑約為10毫米，可通過模塊化部署實現規模化應用。

圖4 | BAMC的深層土壤重金屬去除： a) BAMC在太陽光驅動蒸騰作用下從深層土壤中吸附Cu2?的示意圖。提出了臨界深度的概念：臨界深度以上，離子傳輸由吸附和對流共同驅動；臨界深度以下，僅由吸附驅動。 b) 不同濾紙直徑下BAMC在1倍太陽光強下的蒸發速率。濾紙涂覆mCNPs并放置在BAMC頂部作為人造葉片。 c) 不同直徑人造葉片輔助下BAMC在不同土壤深度的吸附容量。涂覆濾紙的直徑分別為1、2、3 cm。 d) BAMC、CMC、表面吸附劑和無吸附劑對照在不同土壤深度的吸附容量。 e) 不同樣品（d）的蒸發速率和臨界深度。

實際土壤修復效果與長期穩定性

在持續4周的實際污染土壤修復實驗中，土壤中的銅離子含量從初始的每公斤94.6毫克逐步下降至第28天的每公斤26.9毫克，吸附劑投加量僅為每公斤土壤1毫克。這一修復速度遠超通常需要三個月以上才能見效的傳統植物修復。深度分布分析顯示，在蒸騰誘導的水循環作用下，淺層土壤的離子濃度顯著低于深層土壤，且BAMC處理的土壤中銅離子水平低于對照材料。該系統對其他重金屬離子同樣表現出優異的修復效果：鉻（VI）、鎘（II）、鉛（II）和鋅（II）的含量分別從每公斤90.8、97.6、103.2和96.4毫克下降至28.8、53.3、59.3和61.3毫克。整個實驗期間，材料的蒸發性能在初始輕微下降后保持穩定，展現出良好的長期耐用性。

圖5 | BAMC的實際污染土壤修復和耐久性： a) 人造植物在實際土壤中的光學圖像。 b) 修復測試第7天、14天、21天和28天后的土壤Cu2?含量。 c) 修復測試28天后不同土壤深度下的Cu2?含量。 d) 4周修復測試期間的蒸發速率。 e) 4周修復測試前后土壤中Cr??（以CrO?2?或Cr?O?2?形式）、Cd2?、Pb2?和Zn2?的含量。

總結與展望

這項研究成功開發了一種仿生定向多孔吸附材料BAMC，用于深層土壤重金屬修復。該材料在模擬土壤和實際土壤中均展現出卓越的重金屬吸附能力，其低迂曲度的定向孔道結構顯著增強了物質傳輸效率。在太陽光照射下，人造植物系統實現了超快的水蒸發速率，將吸附容量從每克103.7毫克提升至139.2毫克，并成功在1.5米深度的土壤中實現了平均超過60%的重金屬去除率。這種仿生多孔材料為土壤重金屬污染治理提供了一種綠色、高效、經濟的解決方案，其廣泛的適用性和長期耐用性為深層土壤污染的大規模原位修復開辟了新的技術路徑。