课题组简介

  课题组着眼于地球化学研究前沿,针对有毒环境污染物的微观界面行为及过程等若干关键科学问题和重要研究方向,通过应用新原理、新材料和新技术,发展了环境友好、可再生利用的环境纳米材料与应用工艺,研究了污染物在多介质环境界面的吸附机理与消减技术。

  (1)构建了纳米尺度原位动态研究方法体系,从分子水平突破了界面反应机理研究的瓶颈

  课题组综合多种现代谱学技术,尤其是同步辐射光谱,结合原位在线红外光谱及表面增强拉曼,建立了纳米尺度原位表征污染物分布特征及动态转化过程的研究方法体系。以此方法体系为基础,开创性地在多种金属氧化物表面直接确定了实际地下水中砷邻近配位原子的种类、距离、配位数(Environ. Sci. Technol.2015),提出砷形成去质子化的双齿双核表面络合结构。这种分子水平上微观结构与机制的突破,极大地促进及深化了学者们对砷宏观地球化学行为的研究。课题组利用所建立的方法平台,发现地下水共存的二价阳离子会与砷形成三元表面络合,基于这种三元络合吸附模型以及多种离子共存的复合作用,可以准确模拟预测砷在宏观尺度的界面反应及行为(Environ. Sci. Technol.2015)。课题组在分子水平的原位机制研究提升了我国学者在国际环境地球科学前沿领域的地位。应用上述纳米尺度原位动态研究方法体系,近年来课题组相继在ACS Appl. Mater. Interface 2014,2015,2016;Environ. Sci. Technol. 2016, 2018等环境界面科学相关的SCI期刊上发表多篇文章,从分子水平深入阐述了持久性有毒污染物的环境地球化学界面过程。

  (2)从宏观与微观层面揭示了我国典型区域地下水砷污染现状,发现地下水砷污染形成与演变的主控因子是氧化还原电位

  课题组对我国典型地区地下水的主成分与地球化学数据进行了深度剖析,明确了山西高砷暴露区域地下水的水化学组成,影响地下水化学的物理化学过程,以及地下水中高砷浓度的主要成因,为地砷病的防治和研究工作提供了模型依据和理论支撑。课题组发现氧化还原电位(pe)是高砷地下水成因及演变的关键因素,进而量化了pe影响砷生物地球化学循环的三个不同区间。在山西、内蒙古地区开展的高砷地下水成因解析也证实了这三个不同氧化还原电位区间的关键作用。这一发现揭示了不同地区高砷地下水成因理论的共同本质,是认识高砷地下水形成机制及演变规律的基础。那么,是什么驱动了氧化还原电位的变化?课题组的研究结果表明,微生物,尤其是厌氧微生物决定着地下水环境中氧化还原电位的变化,是调控砷生物地球化学循环的关键。利用现代微生物学及分子生物学的技术手段,课题组在典型地区分离、鉴定多株砷的氧化还原菌,确定了它们对砷还原释放过程的贡献(Environ. Sci. Technol. 2015),发现并阐明了一株高砷抗性菌株(Pantoea sp. IMH)的砷抗性分子机制(Environ. Sci. Technol. 2018)。除直接参与砷代谢的微生物之外,硫酸盐还原菌这一地下水环境中的优势菌群,会通过代谢产物间接促进As(V)还原为As(III),继而释放到水体中(Environ. Sci. Technol. 2013; Environ. Pollut. 2018;Sci. Total Environ. 2018)。这种微生物间接诱导的氧化还原转化极大地拓宽了生物地球化学的研究领域(Environ. Sci. Technol. 2017, 2018)。

  (3)构建了新型高能晶面专属吸附材料,为解决水体重金属污染问题提出了新思路

  课题组在典型砷污染地区研究了环境中砷浓度与人体砷浓度的关系,分析结果表明基于日均砷摄入量的健康风险评估表明地下水砷暴露已对当地人群构成较高的致癌风险,高砷地下水亟待治理(Environ. Sci. Technol. 2013)。在这些干旱、半干旱地区,含砷地下水仍是某些村庄目前唯一的饮用水源。简便经济、高效安全、可再生利用的吸附材料是解决当地砷污染问题的关键。基于分子水平上对砷吸附机理的认识,课题组利用TiO2高能晶面表面原子排列、表面电子结构和表面能的优异特性(Catal. Sci. Technol. 2016;J. Colloid Interface Sci. 2017;Environ. Sci. Technol. 2017),构建了新型TiO2高效专属吸附材料,已获得多项国家发明专利授权(ZL201110022984.X,ZL201410143375.3,ZL201510601743.9)。基于TiO2的高度化学稳定性,该吸附材料可再生利用,滤后水中含砷<10 μg/L,达到饮用水指标。以此为基础的地下水除砷技术已在山西山阴得到应用(Environ. Sci. Technol. 2015)。当地居民饮用结果表明,尿样中As(III)、As(V)和甲基砷浓度均显著下降,说明砷的毒害得到了有效控制。

  除自然成因的高砷地下水暴露外,工业废水中砷等重金属造成的环境污染是我国亟待妥善解决的突出环境问题之一。课题组基于上述砷与TiO2羟基位点专属吸附的特性,合成了高活性纳米TiO2,可将工业废水中接近4 g/L 的砷降低为27 μg/L。吸附了砷的纳米TiO2经碱洗再生可重复利用,再生液加热结晶生成的亚砷酸钠可作为工业原料使用,实现砷的回收。此基于TiO2的创新方法不添加任何化学药剂,不产生任何废弃物,为高砷废水的处理提供了新思路(Environ. Sci. Technol. 2010;Water Research 2015)。课题组研发的砷去除新材料相关专利已有两项转让至环保公司(ZL200910223338.2;ZL200910238505.0),并由该公司实现了宏量生产,为科学解决我国工业废水砷污染问题提供了绿色方法。

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