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氢气代谢及其环境生物修复功能研究进展

土壤学报 2024年第4期61卷 916-928页

作者：徐勇峰滕应骆永明中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008

分子氢是多种微生物代谢之间相互作用的关键中介物,环境中产氢微生物和耗氢微生物的活动决定了全球氢气循环,对其他重要元素生物地球化学循环具有潜在的驱动作用。环境功能微生物在维持环境生态系统平衡、消除次生环境污染等领域中扮演... 详细信息

分子氢是多种微生物代谢之间相互作用的关键中介物,环境中产氢微生物和耗氢微生物的活动决定了全球氢气循环,对其他重要元素生物地球化学循环具有潜在的驱动作用。环境功能微生物在维持环境生态系统平衡、消除次生环境污染等领域中扮演着不容忽视的重要作用。因此,理解环境中氢气代谢(氢气的产生和消耗)微生物对生态环境的影响及其在环境生物修复中的作用与功能,对认识氢气的生态环境效应并将该生物能源应用于生物修复具有重要的科学意义和实践价值。系统分析了氢气代谢过程及氢化酶的分类和功能,总结了微生物产生和消耗氢气的多种途径及其对土壤生态环境效应和生物修复作用的影响,指出了目前氢气代谢过程及氢化酶应用于环境生物修复领域存在的关键科学技术问题,提出了未来的研究思路与重点方向,以推动氢气这种生物能源成就一种有前景的环境污染修复策略。

关键词：氢气氢化酶土壤生物修复微生物

氢氧化钾改性玉米秸秆生物炭对水中土霉素的吸附特性及机制

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环境科学 2024年第1期45卷 594-605页

作者：刘总堂孙玉凤费正皓沙新龙温小菊钱彬彬陈建谷成刚盐城师范学院化学与环境工程学院盐城224007 盐城师范学院江苏省农业养殖污染治理与资源化工程研究中心盐城224007 中国科学院南京土壤研究所中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室南京210008

四环素类抗生素污染治理是环境研究热点问题之一,生物炭吸附是高效去除有机污染物的重要方法.以玉米秸秆为原料制备热解生物炭(BC),通过氢氧化钾改性获得KBC,选择具有最佳吸附性能的KBC在400~600℃二次热解活化,最终制得改性玉米秸秆生... 详细信息

四环素类抗生素污染治理是环境研究热点问题之一,生物炭吸附是高效去除有机污染物的重要方法.以玉米秸秆为原料制备热解生物炭(BC),通过氢氧化钾改性获得KBC,选择具有最佳吸附性能的KBC在400~600℃二次热解活化,最终制得改性玉米秸秆生物炭AKBC400、AKBC500和AKBC600,并对其结构和表面性质进行表征.通过批处理实验,以BC400为对照,考察了3种AKBC对溶液中盐酸土霉素(OTC)的吸附动力学和吸附热力学特征.与BC400相比,AKBC比表面积增加23.0~37.6倍,孔隙结构显著改善,芳香性增强,吸附性能显著提高.准二级动力学模型可以更好地拟合AKBC对OTC的吸附过程,AKBC500对OTC的吸附速率常数和吸附量均高于AKBC400和AKBC600.颗粒内扩散和膜扩散均是AKBC吸附OTC的控速步骤.Langmuir、Freundlich和Temkin模型均可较好地拟合吸附等温线.AKBC对OTC的吸附均为自发、吸热和熵增加过程,吸附过程同时存在物理吸附和化学吸附作用.AKBC对OTC吸附机制包括孔填充、氢键、π—π共轭、阳离子—π键和强静电作用.AKBC具有良好的孔隙结构和较高的吸附容量,且再生吸附性能稳定,对去除水中土霉素具有较好的潜能.

关键词：玉米秸秆生物炭氢氧化钾改性热解活化盐酸土霉素(OTC) 吸附

松嫩典型黑土区耕地黑土层厚度数字制图方法比较

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地球信息科学学报 2024年第6期26卷 1452-1468页

作者：郭俊辉刘峰徐胜祥高璐璐赵治东胡文友于东升赵玉国中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室南京210008 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院淮南232001

黑土层厚度与农田土壤肥力和质量密切相关,准确刻画东北松嫩典型黑土区耕地黑土层厚度的空间分布对黑土地保护和农业可持续发展具有重要意义。然而,常用的预测模型在平原漫岗地区进行数字制图具有较大的难度,如何准确预测黑土层厚度的... 详细信息

黑土层厚度与农田土壤肥力和质量密切相关,准确刻画东北松嫩典型黑土区耕地黑土层厚度的空间分布对黑土地保护和农业可持续发展具有重要意义。然而,常用的预测模型在平原漫岗地区进行数字制图具有较大的难度,如何准确预测黑土层厚度的空间分布特征是亟待解决的问题。选取东北地区松嫩典型黑土区作为研究区,以研究区内106个剖面点和45个环境因子为基础数据,通过因子重要性排序和相关性剔除法筛选变量,利用多元线性回归(Multiple Linear Regression,MLR)、随机森林(Random Forest,RF)、梯度提升树(Gradient Boosting Decsion Tree,GBDT)、极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)、随机森林回归克里格(Random Forest-Regression Kriging,RF-RK)和堆叠泛化模型(Stacking)对黑土层厚度进行空间预测制图,评估不同模型预测精度并研究影响黑土层厚度空间分布的最优协变量,并基于较优模型绘制东北黑土区耕地黑土层厚度分级图。结果表明:①Stacking组合多种模型的优点,预测性能表现最佳(R^(2)=0.47,MAE=21.02 cm,RMSE=27.12 cm),其次是RF-RK和RF;②通过变量筛选剔除低贡献度的环境变量后,不同模型的R^(2)平均提高0.11,其中MLR提升幅度最大为0.32;③不同模型预测的松嫩典型黑土区黑土层厚度空间分布趋势基本一致,60 cm以上的黑土层主要分布在研究区的东北部和东南部,而30 cm以下的黑土层主要分布在研究区的西南部。在平原漫岗地区,RF-RK和Stacking可以作为黑土层厚度预测的有效方法,总初级生产力(GPP)、坡度坡长因子(LS)和地表温度最大值合成(LSTm)是模型中最重要的解释变量,且黑土层厚度的空间分布信息能为黑土区耕地黑土保护和农业可持续发展提供数据支持。

关键词：黑土层厚度数字土壤制图变量筛选机器学习随机森林回归克里格堆叠泛化模型空间分异特征最优协变量

基于便携式X射线荧光光谱速测的设施菜地土壤重金属污染诊断与评价

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土壤学报 2024年第1期61卷 174-186页

作者：邓源樊亚男吴秋梅胡文友俞越明王华朱春梧李汛田康黄标中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所) 南京210008 河海大学环境学院南京210098 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008

土壤重金属污染快速诊断与评价是污染防控与风险管理的前提。以广东省典型设施蔬菜产地土壤为研究对象,采用便携式X射线荧光光谱法(portable X-ray fluorescence spectroscopy,PXRF)原位快速获取土壤重金属(镉(Cd)、铜(Cu)、铬(Cr)、铅(... 详细信息

土壤重金属污染快速诊断与评价是污染防控与风险管理的前提。以广东省典型设施蔬菜产地土壤为研究对象,采用便携式X射线荧光光谱法(portable X-ray fluorescence spectroscopy,PXRF)原位快速获取土壤重金属(镉(Cd)、铜(Cu)、铬(Cr)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)、镍(Ni)及汞(Hg))含量,在传统实验室方法验证PXRF的准确性和稳定性的基础上,对广东省设施菜地表层土壤重金属的污染状况进行快速诊断,并对土壤重金属污染风险进行评价。结果表明:(1)异位PXRF法对土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、As及Ni的测定值与传统实验室方法测定值极显著相关(P土壤Pb和As含量的PXRF原位测定值与传统实验室方法测定值极显著相关(P土壤含水量为150 g·kg^(-1)~200 g·kg^(-1)时,Cr、Pb、Zn和As的PXRF原位测定值与实验室测定值的相关性达到了极显著水平(P土壤Cd和Cu的超标现象较为突出,其点位超标率分别为20.9%和10.0%。设施菜地土壤Cd的平均含量为0.21 mg·kg^(-1),约为露天农田土壤的1.2倍。珠江三角洲地区设施土壤中各重金属的含量整体较其他地区高;(4)土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、As、Ni及Hg的单项污染指数均小于1,由高到低依次为Cd>Cu>Pb>Zn>Cr>As>Ni>Hg,内梅罗综合污染指数的均值为0.69。就整体平均值而言,土壤重金属污染程度处于清洁水平。PXRF实现了广东省设施菜地土壤重金属污染的快速诊断,并快速识别出Cd和Cu为设施菜地污染风险较高的潜在污染元素,研究结果可为设施农业土壤重金属污染快速诊断与评价提供方法和数据支撑。

关键词：便携式X射线荧光光谱法设施农业快速检测空间分布风险评价

稻田土壤淹水期As/Sb释放的动态过程及因素探究

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环境科学学报 2024年第4期44卷 324-332页

作者：田晓庆王星皓徐昊葛昶史广宇高娟苏州科技大学环境科学与工程学院苏州215000 中国科学院土壤环境与修复重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008

稻田土壤淹水期重金属As/Sb的释放情况严重影响着我国水稻品质与安全问题.本文选取湖南省娄底市锡矿山周边污染土壤,研究了水分管理过程中淹水土壤中不同价态砷(As)和锑(Sb)的动态释放规律,并考察了土壤性质及组分对重金属As/Sb的释放... 详细信息

稻田土壤淹水期重金属As/Sb的释放情况严重影响着我国水稻品质与安全问题.本文选取湖南省娄底市锡矿山周边污染土壤,研究了水分管理过程中淹水土壤中不同价态砷(As)和锑(Sb)的动态释放规律,并考察了土壤性质及组分对重金属As/Sb的释放与转化行为的影响机制.结果表明,在淹水时期,土壤溶液的pH值呈现出由酸性到中性转变的趋势,Eh值随淹水时间明显降低.值得注意的是,土壤溶液中As的浓度随淹水时间增长而逐渐升高,其中主要以还原态As(III)为主,最高浓度可达632.49μg·L^(-1),显著高于As(V);相反,Sb浓度在最初的2 d内上升,然后随着时间的推移趋于稳定,主要以Sb(V)的形式存在,最高浓度为1627.34μg·L^(-1).As/Sb释放的差异主要归因于土壤对As(III/V)和Sb(III/V)的吸附能力不同所导致,其中土壤颗粒对As(V)吸附能力远高于Sb(V),因此在淹水初期观察到Sb(V)的快速释放;随着厌氧时间增加,氧化态As/Sb被微生物还原为As(III)/Sb(III),而As(III)在土壤颗粒表面吸附能力明显低于Sb(III),因此导致后期大量As(III)的释放.本研究表明土壤的pH值、Eh以及As/Sb的吸附能力是影响淹水期As和Sb释放的重要因素.其中土壤铁锰矿物控制着As(III/V)的吸附固定,而土壤有机质显著影响Sb(III/V)释放.

关键词：厌氧还原重金属释放砷锑 pH 吸附能力土壤组分

不同土地利用方式下场地土壤环境容量评价方法的构建及应用研究

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中国环境科学 2024年

作者：王霞仓龙王玉军中国地质大学(武汉)环境学院中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所)

场地土壤的土地利用方式复杂，敏感受体多样，因此场地土壤污染物的土壤环境容量的评价更为复杂，且相关研究较少。本文从土壤功能和环境风险的角度出发，结合我国具体实际，对场地土壤的不同土地利用方式进行分类，以人体健康、地下水... 详细信息

场地土壤的土地利用方式复杂，敏感受体多样，因此场地土壤污染物的土壤环境容量的评价更为复杂，且相关研究较少。本文从土壤功能和环境风险的角度出发，结合我国具体实际，对场地土壤的不同土地利用方式进行分类，以人体健康、地下水安全、土壤生物为敏感受体，研究在不同土地利用方式下基于不同敏感受体的综合土壤环境阈值计算方法，构建场地土壤环境容量的评价方法。在此基础上，以重金属Cd为模式污染物，计算了我国红壤区不同土地利用方式下的土壤环境容量，对场地土壤环境容量的评价方法进行验证。公园用地、居住用地、工矿用地和商服用地的土壤Cd环境容量分别为11.68 kg hm-2、28.89 kg hm-2、40.84 kg hm-2和40.84 kg hm-2。本研究为基于不同敏感受体的场地土壤的环境阈值和环境容量评估提供了参考方法和案例，为场地土壤环境容量的评价奠定科学基础，对提升我国场地土壤的环境管理水平具有重要意义。

关键词：场地土地利用方式镉土壤环境阈值土壤环境容量

稻田上覆水中光致活性组分形成过程及其环境效应研究进展

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土壤学报 2024年第4期61卷 929-938页

作者：曾宇张明洋李马波陈宁方国东高娟王玉军周东美中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室中国科学院南京土壤研究所南京210008 中国科学院大学北京100049 南京大学环境学院南京210023

稻田上覆水中富含有机质、亚硝酸盐和硝酸盐等光敏活性物质,在太阳光作用下会产生三重激发态有机质(3CDOM*)、单线态氧(1O_(2))和羟基自由基(•OH)等活性组分,其对稻田污染物转化和碳氮等元素循环具有重要意义。基于此,综述了稻田上覆水... 详细信息

稻田上覆水中富含有机质、亚硝酸盐和硝酸盐等光敏活性物质,在太阳光作用下会产生三重激发态有机质(3CDOM*)、单线态氧(1O_(2))和羟基自由基(•OH)等活性组分,其对稻田污染物转化和碳氮等元素循环具有重要意义。基于此,综述了稻田上覆水中光致活性组分产生过程和机制,重点介绍了水稻不同生长周期内光活性组分的类型、通量变化趋势;探讨了不同环境因素对自由基产生的影响;阐述了上覆水光致活性组分对稻田中砷和不同有机污染物的非生物转化贡献与机制,并展望了稻田上覆水光化学过程的未来研究方向。

关键词：稻田上覆水光化学活性中间体有机质污染物降解

中国土壤中全氟和多氟烷基物质的分布、迁移及管控研究进展

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环境科学 2024年第1期45卷 376-385页

作者：刘浩然邢静怡任文杰伦敦大学学院市政环境与岩土工程系伦敦WC1E 6BT 西安市生态环境局长安分局西安710199 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室南京210008

全氟和多氟烷基物质(PFAS)是近年来备受关注的一类持久性有机污染物,具有种类多、难降解、远距离迁移和易生物蓄积等特点.其在水体和生物体内的分布及其富集性和潜在毒性已在世界范围内受到广泛关注,但在土壤中的分布和迁移规律仍处于... 详细信息

全氟和多氟烷基物质(PFAS)是近年来备受关注的一类持久性有机污染物,具有种类多、难降解、远距离迁移和易生物蓄积等特点.其在水体和生物体内的分布及其富集性和潜在毒性已在世界范围内受到广泛关注,但在土壤中的分布和迁移规律仍处于初步研究阶段.我国土壤PFAS污染调查主要集中在东部经济发达地区,土壤中PFAS的种类和含量与调查区域工业类型、大气沉降和人为活动存在直接关联,并且与国外土壤调查规律类似.传统的全氟烷基羧酸(PFCAs)和全氟烷基磺酸(PFSAs)是我国土壤中最主要的PFAS类型.通过综述我国土壤中PFAS的分布特征、迁移途径及影响因素以及国内外关于PFAS污染的管控政策,指出目前针对土壤中PFAS分布及管控研究的不足,以期为我国土壤PFAS污染调查研究及管控提供参考.

关键词：全氟和多氟烷基物质(PFAS) 土壤污染分布迁移管控政策

外源秸秆对污染土壤氧化还原过程水分散性胶体态重金属的影响

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土壤学报 2024年第1期61卷 163-173页

作者：张雨汪家家夏冰罗雪婷胡鹏杰吴龙华骆永明中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008 中国科学院大学北京100049 复旦大学环境科学与工程系上海200438 安徽省生态环境科学研究院合肥230041

土壤胶体尤其是水分散性胶体,作为一种重要的污染物载体,在重金属吸附、迁移以及生物吸收过程起着重要作用。通过土壤培养试验探讨了外源添加水稻秸秆在氧化还原波动条件下如何影响土壤液相中及水分散性胶体中重金属的分布。结果表明,... 详细信息

土壤胶体尤其是水分散性胶体,作为一种重要的污染物载体,在重金属吸附、迁移以及生物吸收过程起着重要作用。通过土壤培养试验探讨了外源添加水稻秸秆在氧化还原波动条件下如何影响土壤液相中及水分散性胶体中重金属的分布。结果表明,外源秸秆增加厌氧过程液相中溶解性有机碳(DOC)、砷(As)、铁(Fe)、锰(Mn)、钙(Ca)、钾(K)、硅(Si)、铝(Al)、镁(Mg)等浓度,降低了厌氧过程氧化还原电位(Eh)及铜(Cu)、铅(Pb)等浓度,提高了好氧过程Pb浓度。利用非对称流场流分馏-紫外可见-电感耦合等离子体-质谱联用技术(AF4-UV-ICP-MS),测得水分散性胶体颗粒主要分布在0.3~3 kDa、3~40 kDa和130 kDa~450 nm三个粒径范围,各粒径颗粒的组成有所差异,主要含有机质、无机黏土矿物和铁矿物等。外源秸秆促进液相中Fe和As由胶体态向溶解态转化,促进镉(Cd)和Cu由溶解态向胶体态转化。本研究有助于揭示农业活动影响重金属迁移转化及有效性的界面机制。

关键词：土壤胶体重金属水稻秸秆氧化还原水分散性胶体场流分馏