潜流带中有机质-铁胶体的形成和稳定性机制及其对污染物迁移转化的影响

Natural organic matter-iron (NOM-Fe) colloids are ubiquitous in the anoxic/oxic interfaces of hyporheic zone and can act as geochemical nanovectors modulating the fate and transport of an array of contaminants in subsurface environments. Although the geochemical reaction mechanisms between NOM and Fe are well-documented, the effect of these reactions on the composition, structure, and stability of formed NOM-Fe colloids are largely absent, leaving a critical knowledge gap in assessing the fate of contaminants in association with colloids because the composition and structure of colloids dominate the transformation of contaminants, while the stability of colloids governs the transport of contaminants. The overarching objective of the proposed research is to provide new scientific insights into the role of key geochemical parameters and processes controlling the formation and stability of NOM-Fe colloids on a microscopic scale. To this end, a powerful array of multi-scale approach that includes field monitoring and observations, laboratory mechanistic studies, kinetics and colloid stability theoretical modeling, microscopic and spectroscopic characterization, and reactive transport modeling will be used to yield mechanistic insights to unveil the formation (towards composition, nucleation kinetics, and structure) and stability (towards aggregation and deposition) of NOM-Fe colloids as well as the transport and transformation of chromium (Cr), a representative contaminant that occurs ubiquitously in surface and groundwater and can be associated with NOM-Fe colloids in the hyporheic zone. The findings will advance our current understanding of the geochemical cycling of Fe and carbon, provide fundamental knowledge to quantitatively predict the fate of contaminants loaded with NOM-Fe colloids in river and groundwater, and further offer a scientific guidance to decision-making for remediation strategies.

有机质-铁（NOM-Fe）胶体普遍存在于潜流带氧化还原过渡带，且能作为地球化学的纳米载体携带并影响污染物的命运和归宿。胶体的组成和结构影响污染物的转化，胶体的稳定性影响其携带污染物的迁移。虽然NOM与Fe之间的地球化学反应机理比较清晰，但是这些反应对NOM-Fe胶体的组成、结构、稳定性等的影响机理相当匮乏。本研究将围绕“NOM-Fe胶体形成的地球化学微观驱动机制”这一关键科学问题，综合运用野外监测、实验室机理研究、先进表征技术、动力学理论、数值模拟等方法，从微观尺度上揭示潜流带中关键地球化学条件和过程对NOM-Fe胶体形成（组成、成核动力学、结构）和稳定性（团聚和沉降）的影响机制及其调控代表性污染物铬（Cr）迁移转化的影响。研究成果将加深对Fe和碳地球化学循环的认识，为预测NOM-Fe胶体携带污染物向河流和地下水中迁移转化提供新的理论基础，以及为决策者制定污染物修复策略提供科学指导。

有机质-铁（NOM-Fe）胶体普遍存在于潜流带氧化还原过渡带，且能作为地球化学的纳米载体携带并影响污染物的命运和归宿。虽然NOM与Fe之间的地球化学反应机理比较清晰，但这些反应对NOM-Fe胶体的组成、结构、稳定性等的影响机理相当匮乏。本项目围绕“NOM-Fe胶体形成的地球化学微观驱动机制”这一关键科学问题，从微观尺度上揭示了潜流带中关键地球化学条件和过程对NOM-Fe胶体形成和稳定性的影响机制及其调控代表性污染物铬（Cr）迁移转化的影响。主要研究结果包括：①NOM-Fe胶体形成。通过野外监测和实验室机理研究，发现无氧-有氧条件变化和摩尔C/Fe比值影响NOM-Fe胶体的组成和结构。在厌氧条件下形成的胶体组成为NOMred-Fe(II)，在好氧条件下形成的胶体组成为NOMox-Fe(III)（摩尔C/Fe>1.6），NOM-Fe(II/III)胶体的结构主要为NOM包裹Fe(II/III)纳米颗粒。②NOM-Fe胶体稳定性。通过动态光散射技术、耗散型石英晶体微天平技术、理论模型等方法，我们在纳米尺度上发现增加C/Fe摩尔比（从1.6增加至23.3）降低了NOM-Fe胶体的团聚和沉积动力学，相同条件下NOMred-Fe(II)胶体之间的团聚速率小于NOMox-Fe(III)之间的团聚速率，氧化条件下形成的NOMox-Fe(III)胶体在SiO2表面上的沉积速率快于厌氧条件下形成的NOMred-Fe(II)胶体。③NOM-Fe胶体对Cr迁移转化的影响。发现无氧条件形成的NOM-Fe(II)胶体能快速将Cr(VI)还原为Cr(III)，在较高C/Fe摩尔比条件下，形成的Cr(III)与NOM-Fe胶体通过共价键等作用形成稳定的Cr(III)-NOM-Fe胶体。柱实验进一步证明形成的Cr(III)-NOM-Fe(III)胶体具有高的移动性。研究结果补充了Cr在富含有机质环境中的地球化学循环，打破了Cr(VI)还原-Cr(III)沉淀这一地下水Cr(VI)修复的传统策略。除了上述计划研究内容外，我们还开展了NOM-Fe胶体在无氧-有氧界面产生活性氧等方面的扩展研究。研究成果加深了对铁和碳地球化学循环的认识，为预测NOM-Fe胶体携带污染物向河流和地下水中迁移转化提供新的理论基础。相关成果以第一/通讯作者发表学术论文8篇，其中Nature Index期刊论文5篇。