浙江大学AM：受植物启发研制“人造植物” 成功破解深层土壤重金属污染难题

随着工业化进程加速，土壤重金属污染已成为威胁全球生态系统和人类健康的严峻环境问题。铅、镉、铬、铜等重金属因不可生物降解的特性，具有极强的持久性，即使在微量水平下也能造成长期的生态和代谢风险。这些污染物不仅在土壤中累积，还会随雨水径流迁移至河流和地下水，进一步放大环境污染风险。然而，传统修复方法如土壤淋洗、固化稳定化等技术存在能耗高、易产生二次污染等问题；而植物修复虽然环境友好，但其生长周期漫长，且因深层土壤结构致密、氧气匮乏、根系分布稀疏，有效修复深度通常不足1米，难以应对向下迁移的重金属污染。

受自然界植物蒸腾作用和选择性吸附机制的启发，浙江大学柏浩教授团队开发出一种仿生定向多孔壳聚糖/改性活性炭气凝胶（BAMC），成功构建了能够高效修复深层土壤重金属污染的“人造植物”系统，为持久性深层土壤重金属污染治理提供了一种环境友好、高效且可规模化应用的新策略。研究表明，该系统在7天内可去除土壤中高达70.2%的铜离子，并在1.5米深度展现出显著的修复效果，超越了传统植物修复的能力极限。相关论文以“Bioinspired Artificial Plant for Deep Soil Heavy Metal Remediation”为题，发表在Advanced Materials上。

仿生结构设计与优异性能

研究团队采用定向冷冻技术制备了BAMC材料。通过控制冷冻速度，冰晶在垂直温度梯度作用下定向生长，将溶质排出并形成类似植物茎秆的取向多孔结构。经过冷冻干燥后，得到了具有微米级定向通道的气凝胶材料。扫描电镜图像显示，当冷冻温度从-196°C升至-30°C时，材料平均通道宽度从约15微米增加至80微米。这种低迂曲度的定向孔道结构大幅降低了水和离子的传输阻力，而嵌入孔壁的改性碳纳米颗粒则提供了丰富的纳米尺度吸附位点，同时赋予材料优异的光热转换能力。与随机多孔结构材料相比，BAMC的水滴吸收时间仅需250毫秒，吸水高度在10秒内达到1.5厘米，铜离子传输速率更是达到了前者的8倍。

图1 | 仿生定向多孔mCNPs/壳聚糖气凝胶（BAMC）的制备、结构与基本特性： a) BAMC的冰模板法制备过程。将所有组分预交联后的分散液以0.8 mm/min的速度浸入冷源中，经过24小时后交联完成，再经冷冻干燥获得材料。 b) BAMC的光学图像。 c,d) 不同放大倍数下BAMC的扫描电镜图像。样品在-90°C条件下制备，平均孔径约为30微米，标记为BAMC-30 μm。 e) 通过各向同性冷冻制备的随机结构mCNPs/壳聚糖气凝胶（RMC）的扫描电镜图像。 f) 红外图像显示BAMC和RMC不同的吸水行为。 g) 与红外图像（f）对应的吸水前沿高度随时间变化曲线。

太阳能驱动下的高效水传输与吸附

在模拟太阳光照射下，BAMC表面的碳纳米颗粒迅速升温，驱动水分子持续蒸发，在定向通道内产生类似植物蒸腾的对流流动。实验表明，孔径为30微米的BAMC在1个太阳光照强度下的蒸发速率高达每小时每平方米3.36公斤，处于同类太阳能蒸发器的领先水平。经过7天连续运行（每天光照8小时），在2倍太阳光强下BAMC对铜离子的吸附容量达到每克139.2毫克，是黑暗条件下的1.35倍。研究进一步揭示了吸附容量与蒸发速率之间的S形曲线关系：在低蒸发速率下，离子迁移以扩散为主；一旦蒸发速率超过阈值，对流成为主导输运机制，离子通量与流体速度呈线性关系；当吸附达到饱和后，进一步提升蒸发速率效果有限。在所有测试条件下，BAMC的表现均优于随机多孔结构和商业对照材料。

图2 | 仿生定向多孔mCNPs/壳聚糖气凝胶（BAMC）的太阳能水蒸发和吸附性能： a) BAMC在太阳光驱动蒸腾作用下从土壤中吸附Cu²⁺的示意图。表面蒸发导致器件内部产生对流水流，Cu²⁺在吸附和对流的共同作用下迁移至样品并被固定在吸附位点上。 b) 模拟太阳光驱动土壤修复测试中BAMC样品的图像。石英砂用作吸附介质。 c) 不同孔径（15、30、80 μm）、RMC和CMC在2倍太阳光强下的水蒸发性能。 d) 不同样品在光照和黑暗条件下经过7天测试后的Cu²⁺吸附容量。 e) BAMC-30 μm、RMC、CMC在0倍太阳光强（黑暗-密封）、0倍太阳光强（黑暗-开放）、0.5、0.75、1、1.5和2倍太阳光强下的总蒸发量。 f) BAMC-30 μm、RMC、CMC在不同总蒸发量下的吸附容量。虚线反映了吸附容量随总蒸发量的变化趋势。

对流-吸附耦合机制实现深层离子快速去除

为了揭示人工蒸腾作用下的土壤修复机理，研究团队采用罗丹明B溶液进行可视化实验。当仅存在对流作用时（无吸附能力材料），染料分子随蒸腾产生的水流迁移，浅层土壤中的染料优先进入材料，浓度从表层开始逐渐降低并随实验时间向深层扩展。当仅存在吸附作用时（无蒸发），染料分子通过浓度梯度扩散被材料捕获，在材料周围形成白色“染料耗竭区”，远处染料逐渐向该区域扩散。而当对流转运和吸附捕获协同作用时，BAMC在水平和垂直方向均展现出双重浓度梯度，28天后染料浓度降至最低。灰度分析定量证实了这种协同机制能够从浅至深、由近及远地渐进去除污染物。

图3 | 对流和吸附驱动的快速深层离子去除机理实验分析： a–c) 染料迁移测试中第0天、第7天、第14天、第28天的横截面光学图像：（a）BAMC（1倍太阳光强，含CNPs），（b）BAC（1倍太阳光强，不含CNPs），（c）BAMC（无蒸发，含CNPs）。 d) 横截面光学图像的灰度二值化和伪彩色处理示意图。通过MATLAB可获得不同水平距离和垂直深度处像素的二维灰度数据。 e) BAMC（1倍太阳光强，含CNPs）在不同实验天数下50、100和150 mm深度处的水平灰度投影。 f) BAMC（1倍太阳光强，含CNPs）在不同实验天数下10、20、30和40 mm距离处的垂直灰度投影。

突破深层土壤修复瓶颈

为验证BAMC在超过1米深度污染土壤中的修复能力，研究团队构建了1.5米深的扩大规模实验系统。通过在材料顶部附加涂覆改性碳纳米颗粒的滤纸作为“人工叶片”，蒸发面积扩大后蒸发速率最高可提升4倍，达到每小时每平方米12.6公斤。研究发现，材料存在一个“临界深度”：在临界深度以上的土层，离子传输由吸附和对流共同驱动；而在临界深度以下，因土壤阻力导致水流通量可忽略，离子迁移仅依靠吸附作用。BAMC在不同蒸发条件下均展现出最大的临界深度，证实其在深层污染土壤（>1米）原位修复中的巨大潜力。横向影响范围测试表明，当前直径8毫米的BAMC单元的有效水平修复半径约为10毫米，可通过模块化部署实现规模化应用。

图4 | BAMC的深层土壤重金属去除： a) BAMC在太阳光驱动蒸腾作用下从深层土壤中吸附Cu²⁺的示意图。提出了临界深度的概念：临界深度以上，离子传输由吸附和对流共同驱动；临界深度以下，仅由吸附驱动。 b) 不同滤纸直径下BAMC在1倍太阳光强下的蒸发速率。滤纸涂覆mCNPs并放置在BAMC顶部作为人造叶片。 c) 不同直径人造叶片辅助下BAMC在不同土壤深度的吸附容量。涂覆滤纸的直径分别为1、2、3 cm。 d) BAMC、CMC、表面吸附剂和无吸附剂对照在不同土壤深度的吸附容量。 e) 不同样品（d）的蒸发速率和临界深度。

实际土壤修复效果与长期稳定性

在持续4周的实际污染土壤修复实验中，土壤中的铜离子含量从初始的每公斤94.6毫克逐步下降至第28天的每公斤26.9毫克，吸附剂投加量仅为每公斤土壤1毫克。这一修复速度远超通常需要三个月以上才能见效的传统植物修复。深度分布分析显示，在蒸腾诱导的水循环作用下，浅层土壤的离子浓度显著低于深层土壤，且BAMC处理的土壤中铜离子水平低于对照材料。该系统对其他重金属离子同样表现出优异的修复效果：铬（VI）、镉（II）、铅（II）和锌（II）的含量分别从每公斤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。整个实验期间，材料的蒸发性能在初始轻微下降后保持稳定，展现出良好的长期耐用性。

图5 | BAMC的实际污染土壤修复和耐久性： a) 人造植物在实际土壤中的光学图像。 b) 修复测试第7天、14天、21天和28天后的土壤Cu²⁺含量。 c) 修复测试28天后不同土壤深度下的Cu²⁺含量。 d) 4周修复测试期间的蒸发速率。 e) 4周修复测试前后土壤中Cr⁶⁺（以CrO₄²⁻或Cr₂O₇²⁻形式）、Cd²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺的含量。

总结与展望

这项研究成功开发了一种仿生定向多孔吸附材料BAMC，用于深层土壤重金属修复。该材料在模拟土壤和实际土壤中均展现出卓越的重金属吸附能力，其低迂曲度的定向孔道结构显著增强了物质传输效率。在太阳光照射下，人造植物系统实现了超快的水蒸发速率，将吸附容量从每克103.7毫克提升至139.2毫克，并成功在1.5米深度的土壤中实现了平均超过60%的重金属去除率。这种仿生多孔材料为土壤重金属污染治理提供了一种绿色、高效、经济的解决方案，其广泛的适用性和长期耐用性为深层土壤污染的大规模原位修复开辟了新的技术路径。