土壤环境与污染修复丛书：土壤矿物界面有机反应

土壤是地球表面一层疏松的壳层，是具有生命活力的混合体，其中包括矿物、有机质、空气、水和生物。土壤为地面的植物提供营养，也为微生物、土壤动物和人类提供了栖息地和食物。在土壤中无机矿物占10%～60%，在沙漠等地区，土壤中无机矿物的组分甚至能达到90%以上。这些无机矿物主要包括一些金属矿物、金属氧化物、硅酸盐颗粒和层状硅酸盐矿物。而土壤矿物由于其特殊的结构特征，具有不同的物理化学性质，如黏土矿物能吸附一些有机污染物，而一些含铁矿物能够利用其氧化还原特性催化污染物的转化过程。另外，金属氧化物在光照下具有光催化活性。因此，土壤矿物将对环境中污染物的迁移转化、土壤中碳的固定，甚至生命的起源等，都能够起到重要的作用。

由于母质和环境的影响，土壤矿物的结构组成和形态性质会发生变化，且矿物间能够相互转化。例如，在温带湿润、半湿润环境条件下，云母类黏土容易转变为蒙脱石，而针铁矿、赤铁矿和无定形铁氧化物间能够相互转化，但物理化学性质各不相同。此外，矿物界面还能够产生自由基，促进有机物的转化，并形成土壤有机质。土壤的厌氧-有氧状况的交替变化能够促进土壤有机质的氧化，产生二氧化碳排放到大气中，而多次的氧化还原反应还会改变土壤矿物的结构，以及诱导新型矿物的生成。

▲ 矿物表面的微生物示意图（Omar et al.,1998）

土壤是自然界中最重要的碳库，有机质与矿物结合形成矿物-有机质复合体。一般而言，与矿物结合的有机质生物有效性明显降低，但微生物会通过分泌小分子酸以及胞外聚合物来利用这些有机组分，而且土壤矿物界面也会介导聚合反应的发生，促进土壤的腐殖化过程，因此土壤矿物与有机质的界面反应会影响土壤中碳的固定与释放，值得进一步深入研究。

土壤矿物为微生物的生存提供栖息地和营养，保护微生物不受外界因素的伤害。微生物与矿物间的相互作用受到范德瓦耳斯力、静电作用、疏水作用力、空间位阻效应、氢键和溶液离子强度等因素的影响，微生物表面的羟基、羧基、磷酸基等基团能与矿物表面的羟基等基团发生特异性结合。微生物与矿物生成相关，它们能够通过吸收或富集矿物元素在体内直接形成矿物。同时，微生物也可以促进矿物的溶解，从而释放出各种元素，为自身的生长提供营养。

土壤矿物还能为植物提供营养，而植物根系分泌的小分子酸、蛋白酶和糖类等，一方面可以改变矿物周边环境，影响根系周围的微生物群落，另一方面促进矿物界面的有机污染物和营养物质的共代谢或协同代谢等微生态过程。在植物根-土界面通常会形成氧化铁和锰胶膜，也会改变腐殖质的组成结构，改变污染物在根-土界面的环境行为。

目前有研究表明黏土矿物与生命物质的形成有一定相关性。在地球的形成过程中，一些矿物慢慢风化成为具有手性特征的黏土矿物，如高岭石和蒙脱石，有利于手性的生命小分子的合成，发生这些过程的能量来自太阳光照、闪电、火山爆发和陨石撞击。但目前关于黏土矿物在生命物质起源的作用还存在一些尚未解决的问题，如生命物质的手性问题、重复性问题等。

“土壤环境与污染修复丛书”由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土壤与环境生物修复研究中心等部门组织撰写，主要由从事土壤环境和土壤修复两大学科体系研究的团队及成员完成，其内容是他们多年研究进展和成果的系统总结与集体结晶，以专著、编著或教材形式持续出版，旨在促进土壤环境科学和土壤修复科学的原始创新、关键核心技术方法发展和实际应用，为国家及区域打好土壤污染防治攻坚战、扎实推进净土保卫战提供系统性的新思想、新理论、新方法、新技术、新产品、新标准和新模式，为国家生态文明建设、乡村振兴、美丽健康和绿色可持续发展提供集成性的土壤环境保护与修复科技咨询和监管策略，也为全球土壤环境保护和土壤污染防治提供中国特色的知识智慧和经验模式。

中国科学院南京土壤研究所研究员

中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室主任

2021年6月5日

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（图书介绍排名不分先后）

本文摘编自《土壤矿物界面有机反应》一书，有删减，图片来源于该书，标题为编者所加。本书是“土壤环境与污染修复丛书”中的一本，是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目。

《土壤矿物界面有机反应》

ISBN 978-7-03-077207-7

高 娟 谷 成 等 著

责任编辑：周 丹 沈 旭 高 微

本书介绍了土壤矿物与有机物的相互作用过程与机制， 主要包括铁氧化物、锰氧化物、层状硅酸盐和矿物有机质复合体界面介导的氧化还原、自由基等反应的微观机制，以及矿物/微生物和矿物/植物间的相互作用对有机污染物去除过程的影响， 同时也探讨了矿物在生命物质起源中所起到的重要作用。

本书适合环境科学、土壤环境学的本科生、硕士生、博士生阅读，也适合广大爱好环境科学的读者阅读。

（本文编辑：洪弘）

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