内容简介
以浙江大学“土壤污染过程与修复原理”国家自然科学基金创新研究群体负责人徐建明教授及11位骨为主撰写了《土壤展（卷）》一书，内容涉及土壤有机污染过程与机理、土壤重金属污染修复与健康风险评估、土壤养分水分循环与微生物生态等，共12章，每章均为作者所在领域的研究成果及国内外研展与展望，内容丰富，成果丰硕。
目录
第1章土壤天然纳米颗粒及其环境行为1 ; ;;1.1纳米颗粒的来源及种类3 ; ;;1.2工程纳米颗粒的广泛应用及环境风险3 ; ;;1.3土壤纳米颗粒的存在及研究意义5 ; ;;1.3.1土壤中天然来源纳米颗粒的产生5 ; ;;1.3.2土壤纳米颗粒的环境影响6 ; ;;1.4土壤纳米颗粒的提取和表征6 ; ;;1.5土壤纳米颗粒的稳定及影响因素9 ; ;;1.5.1纳米颗粒稳定的评价方法9 ; ;;1.5.2纳米颗粒稳定的影响因素11 ; ;;1.6土壤纳米颗粒对有机污染物的吸附行为及其影响因素13 ; ;;1.6.1纳米颗粒对有机污染物的吸附行为13 ; ;;1.6.2吸附影响因素14 ; ;;1.7土壤纳米颗粒与污染物在多孔介质中的迁移行为16 ; ;;1.7.1纳米颗粒在多孔介质中的迁移16 ; ;;1.7.2纳米颗粒与污染物的共迁移19 ; ;;1.8研究展望21 ; ;;参考文献22 ; ;;第2章土壤对有机污染物的吸附及矿物吸附贡献的求算31 ; ;;2.1相关研究概述33 ; ;;2.1.1土壤中吸附有机污染物的活组分33 ; ;;2.1.2土壤中有机污染物的吸附理论和模型34 ; ;;2.1.3土-水界面有机污染物吸附行为的影响因素36 ; ;;2.1.4纳米颗粒对有机污染物界面吸附行为的研究38 ; ;;2.1.5矿物对有机污染物界面吸附行为的双重贡献39 ; ;;2.2有机污染物在不同土壤及有机-无机复合体上的界面吸附行为40 ; ;;2.2.1在不同类型土壤上的界面吸附行为40 ; ;;2.2.2在不同粒级土壤有机-无机复合体上的吸附行为41 ; ;;2.2.3在不同土壤来源的胡敏酸上的吸附行为42 ; ;;2.3有机污染物在土壤无机组分上的界面吸附行为43 ; ;;2.3.1土壤纯矿物的吸附作用43 ; ;;2.3.2土壤无定型氧化铁的吸附作用44 ; ;;2.3.3纳米尺度上土壤纯矿物的吸附作用45 ; ;;2.4土壤矿物对有机污染物的吸附贡献率的探究46 ; ;;2.5研究展望49 ; ;;参考文献50 ; ;;第3章土壤中多环芳烃降能菌及其污染修复作用55 ; ;;3.1多环芳烃污染及其生物修复56 ; ;;3.1.1环境中多环芳烃的来源、迁移及其环境宿命56 ; ;;3.1.2我国土壤多环芳烃污染现状57 ; ;;3.1.3多环芳烃污染微生物修复研究概述58 ; ;;3.2多环芳烃降能菌的筛选66 ; ;;3.2.1降解菌筛选方法66 ; ;;3.2.2筛选所得的多环芳烃降解菌67 ; ;;3.2.3降解菌对多环芳烃的*适降解条件69 ; ;;3.2.4降解菌对多环芳烃的降解产物及途径72 ; ;;3.3降解菌修复多环芳烃污染土壤77 ; ;;3.3.1Massilia sp.WF1对多环芳烃污染土壤的修复77 ; ;;3.3.2Massilia sp.WF1-Phanerochaete chrysosporium共培养体系对菲污染土壤协同修复78 ; ;;3.4多环芳烃污染修复过程能基因丰度变化81 ; ;;3.4.1RHDα-GP和RHDα-GN基因丰度的变化82 ; ;;3.4.2nidA和nidB基因丰度的变化82 ; ;;3.5多环芳烃污染修复过程细菌群落结构的变化83 ; ;;3.5.1iHAAQ方法的建立与验证84 ; ;;3.5.2菲污染土壤的细菌群落结构变化85 ; ;;3.6研究展望88 ; ;;参考文献89 ; ;;第4章壬基酚和双酚类新型污染物的环境行为95 ; ;;4.1引言95 ; ;;4.2壬基酚的生物降解99 ; ;;4.2.1壬基酚生物降解动力学的异构体差异99 ; ;;4.2.2壬基酚生物降解的构效关系104 ; ;;4.2.3降解机制106 ; ;;4.3双酚的生物降解106 ; ;;4.3.1不同双酚生物降解动力学规律106 ; ;;4.3.2不同双酚生物降解途径107 ; ;;4.4壬基酚和双酚的非生物降解107 ; ;;4.4.1铁锰氧化物对壬基酚和双酚的氧化107 ; ;;4.4.2双酚铁锰氧化物氧化的影响因素108 ; ;;4.4.3双酚化学氧化的反应机理111 ; ;;4.5研究展望112 ; ;;参考文献112 ; ;;第5章土壤-水稻-人体系统中重金属迁移模型及健康风险评估118 ; ;;5.1土壤环境质量评价研究概述119 ; ;;5.2土壤-作物系统重金属迁移模型研展121 ; ;;5.3重金属人体健康风险评价概述122 ; ;;5.3.1重金属人体健康风险评价现状122 ; ;;5.3.2重金属人体健康风险评价不足125 ; ;;5.4环境模型不确定分析概述125 ; ;;5.4.1环境模型不确定分析来源125 ; ;;5.4.2环境模型不确定分析方法126 ; ;;5.5镉污染暴露模型的构建127 ; ;;5.5.1相关分析127 ; ;;5.5.2逐步多元回归分析128 ; ;;5.5.3土壤-水稻回归模型的构建与验证129 ; ;;5.5.4每周镉暴露值预测129 ; ;;5.6人体镉风险动态模型的构建130 ; ;;5.6.1动力吸收模型与暴露模型的耦合130 ; ;;5.6.2模拟结果的评价和预测132 ; ;;5.7敏感分析134 ; ;;5.7.1敏感分析方法概述134 ; ;;5.7.2本研究采用的Sobol′敏感分析方法135 ; ;;5.7.3人体动力学模型敏感分析结果136 ; ;;5.8研究展望137 ; ;;参考文献138 ; ;;第6章畜禽废弃物农用引起的土壤砷和抗生素污染过程、风险与防控143 ; ;;6.1畜禽废弃物中砷和抗生素污染现状144 ; ;;6.1.1畜禽废弃物中砷的来源与污染现状144 ; ;;6.1.2畜禽废弃物中砷的存在形态145 ; ;;6.1.3畜禽废弃物中抗生素的污染现状146 ; ;;6.2畜禽废弃物农用引起的土壤砷和抗生素累积146 ; ;;6.2.1畜禽废弃物农用引起的土壤砷累积146 ; ;;6.2.2畜禽废弃物农用引起的土壤抗生素累积148 ; ;;6.3畜禽废弃物农用土壤中砷和抗生素的环境过程150 ; ;;6.3.1有机砷在土壤中的吸附与转化150 ; ;;6.3.2土壤中砷向地表水和地下水的迁移151 ; ;;6.3.3畜禽废弃物施用对土壤中砷形态转化的影响152 ; ;;6.3.4抗生素在土壤中的吸附与迁移转化153 ; ;;6.4畜禽废弃物农用引起的土壤砷和抗生素生态与健康风险155 ; ;;6.4.1砷的生态与健康风险155 ; ;;6.4.2抗生素的生态与健康风险156 ; ;;6.5畜禽废弃物农用引起的土壤砷和抗生素污染防控157 ; ;;6.5.1土壤砷和抗生素污染的源头控制157 ; ;;6.5.2砷污染农田利用技术158 ; ;;6.5.3土壤中抗生素的消减技术159 ; ;;6.6研究展望160 ; ;;参考文献160 ; ;;第7章基于受体模型的土壤重金属污染源解析168 ; ;;7.1土壤重金属来源解析研究概述169 ; ;;7.1.1污染来源定识别169 ; ;;7.1.2排放清单170 ; ;;7.1.3受体模型170 ; ;;7.1.4稳定同位素混合模型175 ; ;;7.2镇域尺度土壤重金属来源解析180 ; ;;7.2.1土壤理化质及元素含量描述统计分析181 ; ;;7.2.2土壤表层元素的空间分布特征及规律182 ; ;;7.2.3土壤重金属污染源识别184 ; ;;7.2.4剖面分析佐证污染源识别186 ; ;;7.2.5基于PMF的源解析及结果可靠分析189 ; ;;7.3研究展望191 ; ;;参考文献192 ; ;;第8章土壤中非饱和流动的数据同化方法197 ; ;;8.1研展综述199 ; ;;8.1.1不确定量化方法研展199 ; ;;8.1.2数据同化方法研展200 ; ;;8.1.3优化试验设计研展202 ; ;;8.2土壤非饱和流动模型与模拟方法204 ; ;;8.2.1土壤非饱和流动模型204 ; ;;8.2.2模拟方法205 ; ;;8.3基于概率配点的序贯优化设计与数据同化209 ; ;;8.3.1研究方法209 ; ;;8.3.2案例研究211 ; ;;8.4研究展望216 ; ;;参考文献217 ; ;;第9章基于网络视角的土壤微生物生态过程221 ; ;;9.1微生物共存网络222 ; ;;9.1.1施肥和施用石灰对土壤细菌群落共存模式的影响223 ; ;;9.1.2降水对地微生物生态网络的影响225 ; ;;9.1.3中国东部大陆土壤微生物群共生网络拓扑特征的地理模式228 ; ;;9.2基于基因网络破译土壤微生物群能231 ; ;;9.2.1森林土壤宏基因组基因相关网络231 ; ;;9.2.2基因相关网络的簇中心235 ; ;;9.2.3基因相关网络中的簇的层次结构236 ; ;;9.2.4基因相关网络中的负相关连接237 ; ;;9.2.5预测未知的基能237 ; ;;9.3研究展望241 ; ;;9.3.1填补网络推理和解释中的理论差距241 ; ;;9.3.2评估预测的相互作用242 ; ;;9.3.3利用微生物生态网络发挥微生能243 ; ;;参考文献243 ; ;;第10章生物质炭与土壤微生物生态247 ; ;;10.1生物质炭对土壤生物化学质的改良效应与机理249 ; ;;10.2生物质炭对土壤细菌丰度、多样和群落结构的作用机制250 ; ;;10.3生物质炭对土壤真菌丰度、多样和群落结构的作用机制254 ; ;;10.4生物质炭自身定殖微生物的群落结构特征及其定殖机理256 ; ;;10.5生物质炭对土壤微生物DNA吸附能的影响规律与影响因素260 ; ;;参考文献262 ; ;;第11章土壤有机碳周转过程及驱动机制266 ; ;;11.1土壤有机碳的矿化与分源267 ; ;;11.2有机碳周转的微生物过程271 ; ;;11.2.1微生物群落对有机碳矿化的影响271 ; ;;11.2.2微生物残体对土壤有机碳积累的贡献274 ; ;;11.3土壤有机碳的固持机制274 ; ;;11.4土壤有机碳与微生物交互作用276 ; ;;11.5参与碳周转过程的关键微生物279 ; ;;11.6研究展望282 ; ;;参考文献283 ; ;;第12章农业土壤yh亚氮排放与气候变暖的相互作用285 ; ;;12.1引言286 ; ;;12.2农业土壤N2O排放的微生物调控机理286 ; ;;12.2.1农业土壤N2O排放的微生物路径286 ; ;;12.2.2农业土壤硝化过程中真正起作用的活硝化微生物295 ; ;;12.2.3土壤病毒对土壤微生物群落能的影响308 ; ;;12.3土壤微生物对气候变暖的适应312 ; ;;12.3.1气候变暖对土壤N2O排放的影响313 ; ;;12.3.2温度对土壤N2O排放及氮循环微生物的影响315 ; ;;12.3.3温度对土壤活硝化微生物的影响317 ; ;;12.4研究展望320 ; ;;参考文献321
摘要与插图
第1章土壤天然纳米颗粒及其环境行为;
徐建明柳飞朱心宇陈慧明李文彦何艳 Philip C. Brookes;
浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 310058;
摘要：纳米技术驱动了工程纳米颗粒在各领域的广泛研究和应用，然而大量释放的工程纳米颗粒会发生吸附、迁移、积累等一系列环境过程，由此引起的生态环境风险已经受到广泛关注。相比工程纳米颗粒，土壤本身伴随着地球演化过程含有丰富的天然来源纳米级颗粒，其环境行为的研究是当前微观领域重要的研究方向和难点之一。过去对微米级的土壤胶体颗粒环境行为的研究已成熟，然而迄今有关土壤天然纳米颗粒的研究尚处于起步阶段。本章基年来我们相关研究工作综述了土壤中天然纳米颗粒的提取、表征、稳定及与有机污染物的吸附和迁移等环境行为的研展，并对未来研究方行展望。关键词：土壤纳米颗粒；提取；稳定；污染物；吸附作用；迁移行为;
土壤固体由各种各样的颗粒物组成，其小到数个纳米，大到肉眼可见的毫米尺。在土壤学研究中通常将“黏粒”定义为等效球径在 2 μm以下的土壤颗粒，由有机和无机复合颗粒物组成。由于土壤黏粒良好的胶体分散特，又被称为黏粒胶体（熊毅等 ， 1983）。随着胶体科学的兴起，人们将研究范畴缩小纳米尺度和纳米级（约 10–9 m）（Theng and Yuan， 2008）。纳米颗粒是指少在一个维度上尺小于 100 nm的颗粒（Biswas and Wu， 2005），而土壤纳米颗粒是黏粒胶体粒径范围内更小的一类。纳米颗粒的尺大小并不是引起人们广泛关注的原因，而是因为当粒径小到纳米级范围时，颗粒往往表现出与宏观状态下不同的质，如更高的比表面积和反应活，的机械、热、电、磁和光学质等（ Maurice and Hochella， 2008）。人们从 20世纪 70年代开始通过各种科学技术手段大量合成生产和使用纳米颗粒，在此基础上建立发展的纳米技术也已经成为 21世纪昀有前景的新技术之一。由于其的理化特，纳米技术驱动了工程纳米颗粒在各领域的广泛应用。工程纳米颗粒的大量使用将不可避免地导致其释放到环境中，发生吸附、迁移、积累等一系列环境过程，由此对生态环境和人类健康造成的潜在危害引起了研究人员的极大关注（Colvin， 2003; Lin et al.， 2010）。;
与工程纳米颗粒相比，土壤本身伴随着的地球演化过程含有丰富的天然来源纳米级颗粒，如腐殖质、黏土矿物、金属（氢）氧化物和黑炭等。土水环境中可移动的黏粒胶体，尤其是纳米颗粒，可以与多种污染物如病原菌、重金属和有机污染物等相互作用，从而影响其吸附、迁移转化等环境行为，同时可将其扩散地表及地下水体而造成环境污染问题（McCarthy and Zachara， 1989; Honeyman， 1999; Grolimund and Borkovec， 2005; Sen and Khilar， 2006; Cai et al.， 2013）。因此，深入理解土壤中天然纳米颗粒与污染物的吸附和迁移等环境行为对于预测它们的环境归趋及其风险关重要。过去对微米级的土壤胶体颗粒环境行为的研究已成熟，然而迄今有关土壤天然来源的纳米颗粒研究尚处于起步阶段年来，我们在国内开展了土壤中天然纳米颗粒的相关研究（Li et al.， 2012， 2013; Zhu et al.， 2014， 2017; Zeng et al.， 2014; He et al.， 2015; Liu et al.， 2018， 2019; Xu et al.， 2019）。本章综述了土壤中天然纳米颗粒的提取、表征、稳定及与有机污染物的吸附和迁移等环境行为的研展，并目前研究中存在的问题和未来研究方行展望。;
1.1 纳米颗粒的来源及种类;
纳米颗粒通常被定义为少在某一维度上大小在 1～100 nm的颗粒。它可含球形、管状及不规则形状，还可以以多种颗粒聚集体形式存在（Nowack and Bucheli， 2007）。按来源可将纳米颗粒大致分为天然来源和人为来源两种。具体而言，又可将人为来源纳米颗粒分为人为无意识排放纳米颗粒和工程制造纳米颗粒（Hochella et al.， 2019）。天然来源纳米颗粒是通过自然界生物地球化学过程产生，与人类活动或人为过程没有直接或间接联系，在地球系统数十亿年的演化过程中广泛存在于地球各个角落。无意识排放纳米颗粒来源于人类活动的副产物，如人类日常活动中做饭、发电、焊接、燃烧和汽车尾气排放等，自工业后开始大量存在。工程纳米颗粒是通过工业设计得到的一系列材料，以达到特殊和可调节的能目的。工程纳米颗粒的应用范围覆盖了人类健康、电子工业、能源、水和粮食生产等。根据不同来源的基底材料，工程纳米颗粒又可分为碳基纳米颗粒（如碳纳米管、石墨烯等）、金属纳米颗粒（如纳米银、纳米零价铁等）、金属氧化物纳米颗粒（如纳米 ZnO、纳米 CuO等）和非金属纳米颗粒（如纳米 SiO2等）等（Nowack and Bucheli， 2007）。相对于天然来源和无意识排放纳米颗粒，工程纳米颗粒的出现还不到一个世纪，因此它的质量分数仅占很小的一部分（Hochella et al.， 2019）。;
1.2 工程纳米颗粒的广泛应用及环境风险;
20年来，由于纳米材料的应用可以有效提率并改善人类生活质量，科学界对纳米技术的研究主要关注如何获取或者是制备某种纳米材料而将其应用于工业制造、生物医药、能源催化和环境修复等多个领域（ Biswas and Wu， 2005; Nowack and Bucheli， 2007; Pan and Xing， 2012）。例如，许多电子产品都含有纳米金属、半导体和超导体等纳米材料（Thompson and Parthasarathy， 2006）。纳米材料制备的锂电池具有优良的电容量和更长的使用寿命（Liu et al.， 2006）。在健康方面，纳米颗粒可以用于疾病早期诊断和，如医学成像（Harisinghani et al.， 2003）。用纳米颗粒作为载体可以将有效运抵病灶，纳米银还可以起到消毒作用等（Koper et al.， 2002）。人们日常生活使用的化妆品和护肤品中含有纳米 TiO2和纳米 ZnO，可以有效阻挡紫外线穿透，保护皮肤免受损伤（Buzea et al.， 2007）。纳米材料在污染环境修复研究中的应用也越来越受到重视，纳米颗粒可以强化多种界面反应，如对重金属离子和有机污染物的表面吸附、专吸附、氧化和还原反应的强化等，在重金属及有机污染物等污染土壤及污水治理中发挥重要作用（ Li et al.， 2005; Pan and Xing， 2012; Savage and Diallo， 2005）。目前纳米技术在环境污染控制方面的应用研究主要集中在纳米新材料的制备与应用技术、环境微界面过程等。纳米材料可以与大气、水体和土壤中的污染物发生催化反应，将其转化为物质。具体而言，主要集中在对有机 /无机污染废水处理、对污染气体的催化净化等领域，如纳米氧化石墨烯对空气中的氨气有良好的去除效果（ Wang et al.， 2013a）。纳米材料在污染土壤修复中的应用主要集中于纳米零价铁，由于其具有高移动、表面吸附活和强氧化还原能力，在受污染场地复技术得到了广泛应用（ Crane and Scott， 2012; Adeleye et al.， 2016; Bae et al.， 2018）。;
随着纳米技术的飞速发展，可以预见，工程纳米颗粒的大量开发和应用将导致其不可避免地释放到环境中。工程纳米颗粒的大量排放，及其对人类和生物体的暴露和毒效应引起了人们的广泛关注（Navarro et al.， 2008）。纳米 TiO2可显著提高 Cu、Cd、Zn等重金属离子在生物体内的吸收、累积和生物毒（Zhang et al.， 2007; Fan et al.， 2011; Tan et al.， 2011）；而腐殖质和纳米 TiO2共存时可降低 Cd的生物有效（Hu et al.， 2011）。 Jiang等（2009）比较了 ZnO、 Al2O3、SiO2、TiO2等纳米材料（ 20 mg/L）遮光条件下的细菌毒效应，发现 ZnO的毒昀强， 使枯芽孢杆菌、大肠杆菌和荧光假单胞菌死亡；Al2O3对这三种细菌的致死率分别为 57%、36%和 70%；SiO2对这三种细菌的致死率分别为 40%、58%和 70%；TiO2在实验条件下没有细菌毒。纳米银也具有强烈的毒入动物体内的纳米银颗粒可以迁移到身体的各个部位，甚能通过血脑屏障，在大脑中聚集，导致神经元恶化和损伤（Tang et al.， 2008）。;
针对以上工程纳米颗粒对环境生物体的危害，有部分研究者将目光转移到了天然纳米颗粒上。天然纳米颗粒具有极强的吸附、催化能，可在局部形成“纳米级反应场”，产生纳米效应（Biswas and Wu， 2005; Theng and Yuan， 2008）。土壤是由固 -液-气-生多相组成的复杂的不均匀介质，具有许多纳米级的颗粒，如黏土矿物、土壤有机质和黑炭等，对环境中有机污染物的吸附、迁移、转化、降解及其生态效应起着重要作用（ Pranzas et al.， 2003; Diallo and Savage， 2005; Forbes et al.， 2006; Quénéa et al.， 2006; Hochella et al.， 2008）。此外，土壤中天然纳米颗粒的存在形式与环境中的浓度和当地环境更加兼容（Pan and Xing， 2012），可能具有工程纳米颗粒不具备的优势。因此，应用土壤天然纳米颗粒作为吸附剂去除有机污染物的潜能和是否可作为工程纳米颗粒的替代品应用于土壤和水体污染修复值一步研究。但是毫无疑问，土壤中的天然纳米颗粒是环境友好型纳米修复材料的重要资源之一。;
1.3 土壤纳米颗粒的存在及研究意义;
1.3.1 土壤中天然来源纳米颗粒的产生;
天然纳米颗粒产生于整地表环境，其来源也十分广泛。自然界的一系列过程如岩石风化、沙尘暴、森林大火、火山爆发乃生物体毛发脱落等都能产生天然纳米颗粒。土壤作为地表多个圈层的交叉连接带，是昀为活跃和昀具生命力的组成部分，也是天然纳米颗粒的“源”（如黏土矿物）和“汇”（如森林大火产生的黑炭沉积）（曾凡凤， 2014）。土壤天然纳米颗括无机纳米颗粒和有机纳米颗粒。无机纳米颗粒主要为铝硅酸盐黏土矿物括火山土中富含的伊毛缟石和水铝英石）、铝铁和锰的（氢）氧化物等；而有机纳米颗粒主要为土壤生物产生的酶、腐殖质、病毒等（ Kretzschmar and Sch.fer， 2005）。在土壤两大基本组成——矿物和有机质中，粒径在某一维度上展现纳米尺度特征的部分即可归属为天然纳米颗粒，如纳米级的黏土矿物和胡敏酸。由于土壤中矿物和有机质通常是紧密结合的，因此，土壤中存在的天然纳米颗粒主要以有机 -无机复合纳米颗粒为主。;