工业活动衍生环境因素扰动作用下土壤中重金属的反应性传输机制

The transport of heavy metals from topsoil to groundwater in industrial area will lead to regional environmental pollution. This proposal will focus on soil dissolved organic matter (DOM, <450nm) that played a key role in facilitating contaminant transport. Using a combination of several advanced research tools including membrane separation technique, modern spectroscopy instruments and multidimensional chemometric analytical methods (fluorescence excitation-emission matrix spectroscopy (EEM) and parallel factor analysis (PARAFAC), two-dimensional fourier transform infrared (FTIR) correlation spectroscopy, nano secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS), high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), synchrotron radiation-induced micro-X-ray fluorescence (SR-μXRF) and micro-X-ray fine structure (μXAFS)), the objectives of the proposal are to 1) identify the differences of binding behavior between various fractions of DOM (including dissolved phase, mobile nano particles (1-100nm) and submicron particles (100-450nm)) and heavy metals; 2) interpret the inherent molecular mechanisms for how key environmental factors (pH and ionic strength) controlled the transport behavior by characterizing media interfacial structures; 3) reveal the evolution (selective sorption and reactive transport) of heavy metals in soil leached by industrial wastewater (high load of acidity or salinity). These will provide novel insights for better understanding of heavy metal contamination process in industrially impacted site.

针对复杂工业活动累积效应下重金属经由土壤剖面污染区域地下水的重要环境过程，本申请项目拟选择加速其垂向传输的关键媒介土壤水溶性有机物（DOM，<450 nm）为切入点，利用先进的膜分离技术，并组合运用多种现代光谱学工具与化学计量学方法（主要采用三维荧光光谱-平行因子分析、二维红外相关光谱分析），辅以新兴的纳米尺度表征技术与高等结构分析方法（主要采用纳米粒子探针质谱、高分辨透射电镜、微束同步辐射技术），深入剖析土壤DOM中溶解相（<1nm）、可移动纳微级胶体颗粒（1-450nm）与重金属交互作用的微界面过程，从介质反应性界面结构演变规律的视角揭示关键环境因子（pH与离子强度）阻控重金属传输过程的分子机制，藉此探讨典型工业输入（酸性与含盐负荷重金属废液）淋溶模式下土壤中重金属的选择性赋存与反应性传输机制，为全面认识工业场地地下环境重金属污染过程提供科学依据。

以复杂工业活动累积效应下重金属从地表经由土壤剖面乃至进入地下水引发区域面源污染的重要环境过程为背景，本项目选择加速其传输过程的关键媒介土壤水溶性有机物（DOM，<0.45μm）作为切入点，针对其操作性定义背后科学认知层面的局限性，通过组合运用多种现代光谱学工具与化学计量学方法（三维荧光-平行因子分析，二维荧光以及红外相关光谱分析等），辅以新兴的纳米尺度表征技术与高等结构分析方法（纳米粒子探针质谱、高分辨透射电镜等），初步构建并发展了适用于土壤DOM细分组分（包括蛋白类、腐殖类、纳微胶体、碳酸盐、硫酸盐、糖类、木质素类、纤维素类等）与污染物的相互作用行为及其影响因素的方法学体系。初步探明了各细分组分与重金属键合的作用机制，如扰动响应的敏感程度、反应发生的方向与顺序等。探讨了关键环境因子（pH与离子强度）阻控重金属传输行为的内在分子机制，在此基础上进一步探索了淋溶模式下土壤中重金属的选择性赋存与反应性传输机制，进而为全面认识工业场地地下环境重金属污染过程提供了科学依据。不同于大量关注DOM结构组成高度异质性的报道，本研究以纳米尺度原位观察到了土壤DOM中有机无机复合体的高度空间异质性。土壤DOM中纳米颗粒主要由O，Si，Al，Fe四种元素组成，包含着无定形态（主要是Si，Al氧化物）与晶体态物质（Fe氧化物），土壤DOM中纳米颗粒与重金属的相互作用可能是内层吸附。