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陆达伟等在NC发文揭示PM同位素大数据溯源应用
环境化学与生态毒理学国家重点实验室江桂斌院士团队陆达伟等在PM同位素大数据的溯源应用方面取得新进展，相关研究成果以“Blockchain-based isotopic big data-driven tracing of global PM sources and interventions”为题，发表于Nature Communications（DOI:10.1038/s41467-025-59220-4）。大气颗粒物（PM）污染是影响全球气候变化与公共健康的重大环境问题。准确识别PM的排放源及评估干预措施的有效性，是实现高水平大气环境保护的关键。然而，由于“干预→源→PM”之间存在复杂的非线性关系，仅依赖PM及其组分浓度来判断来源与干预效果，面临严峻挑战。为突破这一瓶颈，研究团队提出了一种基于PM同位素大数据的直接示踪策略。通过对全球1890起大气污染事件中采集的高维PM同位素数据进行综合分析，发现同位素指纹在全球跨时空大气污染溯源方面具有独立指示的优势。进一步，研究团队构建了不同PM组分的源同位素地图，并结合蒙特卡罗算法，解析了各区域PM组分的来源结构。进一步分析近20年的同位素大数据，揭示了PM不同组分的来源演变规律，识别出典型污染组分干预措施的实际效果。研究发现，PM组分的源排放与干预响应之间普遍存在不同步现象。据此，团队提出构建以同位素指纹为导向的干预动态调整系统，并探讨了未来在“双碳”背景下PM污染可能的发展趋势。本研究突破了传统PM同位素溯源方法受限于“单组分、单点位”分析，难以解释远距离传输和多组分复合污染的局限性。通过将环境同位素分析与先进数字技术深度融合，研究团队构建了一套适用于长时间尺度、大空间范围的多组分PM整体溯源的数据驱动方法体系，并成功实现了干预措施的化学指纹示踪。为确保PM来源识别与干预评估的准确性与可追溯性，团队基于区块链的同位素数据加密与存证技术，对全球范围内的PM及其潜在来源的同位素指纹信息进行加密管理。这一举措不仅提升了数据安全性，也为未来推动PM同位素领域的国际合作与数据共享奠定了可靠基础。图. 数据驱动的PM同位素溯源平台本研究由中国科学院生态环境研究中心牵头，联合山东大学、云南大学、德国马普化学研究所、南京大学、美国普渡大学、青岛大学、江汉大学等多家单位共同完成。论文第一作者为中国科学院大学中丹学院2021级博士生黄俞铭，通讯作者为中国科学院生态环境研究中心陆达伟研究员、山东大学宗政研究员和云南大学张静唯副教授。本研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和中国科学院相关项目的资助。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-59220-4环境化学与生态毒理学国家重点实验室2025年4月29日<!--!doctype-->
2025-04-29
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低温介导锰基纳米制剂组装及其肿瘤成像与治疗
2025年4月，环境化学与生态毒理学国家重点实验室彭汉勇课题组在核酸纳米合成技术及其诊疗应用方向取得新进展，研究成果以“Spherical Nucleic Acids-Directed Cryosynthesis of Manganese Nanoagents for Tumor Imaging and Therapy”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。DNA酶（DNAzyme）作为一类具有催化功能的核酸分子，可通过特异性识别并切割肿瘤相关mRNA分子，在肿瘤的分子诊断与靶向治疗领域展现出革命性应用前景。然而其生物医学转化面临双重挑战：一方面，细胞内源性金属辅因子（如Mn2+）浓度难以满足DNAzyme激活的催化需求；另一方面，外源性补充的游离Mn2+因血液半衰期短及非特异性分布，导致其在病灶部位的有效富集度与治疗效能显著受限。针对上述瓶颈问题，研究者开发了基于二氧化锰（MnO2）或磷酸钙（Mn/Ca-PO4）的锰基纳米递送系统，通过肿瘤微环境响应机制（如谷胱甘肽介导的还原反应）实现可控释放活性Mn2+，同时延长其体内循环时间。但现行合成策略存在显著缺陷：材料制备过程中的掺杂工艺及高价态锰（Mn4+）的还原依赖性，导致Mn2+负载容量受限，且存在生物降解动力学迟缓、活性组分释放效率低下等问题。因此，开发简便可控的合成与释放策略，并构建新型高效多功能锰基纳米载体体系，成为当前实现DNAzyme精准诊疗效能最大化的亟待突破的关键问题。图 多功能DNA模板化碳酸锰纳米颗粒（DtMnP）的制备与诊疗应用环境化学与生态毒理学国家重点实验室彭汉勇团队开发了一种温度调控的合成策略，用于制备多功能DNA模板化碳酸锰纳米颗粒（DtMnP）。该制备过程包含三个阶段：（1）以球形核酸（DNAzyme功能化的金纳米颗粒）为支架，通过磷酸配位实现Mn2+可控沉积，引发碳酸锰的异相成核；（2）通过调节温度来改变碳酸锰的溶解常数（Ksp），在液氮条件下快速冷冻促使纳米颗粒沿DNA模板生长；（3）冷冻干燥使纳米颗粒稳定，便于长期稳定保存，避免了传统纳米颗粒溶液常见的聚集问题。DtMnP具有pH响应性释放的特点，在肿瘤微酸环境条件（pH 5.5）下，60分钟内可释放出90%的Mn2+。释放的Mn2+具有双重功能：（1）触发磁共振成像（MRI）的信号放大，实现MCF-7肿瘤的成像，并具有良好的生物安全性；（2）通过DNAzyme介导的EGR-1基因沉默（使mRNA下调60%），并结合Mn2+催化的芬顿反应产生具有细胞毒性的羟基自由基实现化学动力治疗（使MCF-7细胞凋亡率达到45%），从而发挥协同治疗的功效。该温度调控型核酸导向合成策略创新性地建立了一种普适性平台技术，不仅实现了多功能纳米颗粒的可控构筑，更通过核酸序列的模块化与功能化设计构建了灵活可编程的载体系统，显著提升了诊疗功能元件的按需组装能力。这种兼具肿瘤微环境响应特性和结构稳定性的纳米体系，为发展"诊-疗"联动的一体化纳米制剂提供了创新性技术路径。该论文的第一作者为助理研究员谢文菁、硕士研究生郝强军和硕士研究生叶子，通讯作者为中国科学院生态环境研究中心彭汉勇研究员。该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项(B类) 、国家自然科学基金委面上项目、青年基金等项目的支持。Spherical Nucleic Acids-Directed Cryosynthesis of Manganese Nanoagents for Tumor Imaging and TherapyWenjing Xie+, Qiangjun Hao+, Zi Ye+, Rui Sha, Bei Wen, Hailin Wang, Hongquan Zhang, Guohua Jia, X. Chris Le, Guibin Jiang, and Hanyong Peng*Angew.Chem. Int. Ed. 2025, e202503004论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503004环境化学与环境毒理重点实验室2025年4月17日<!--!doctype-->
2025-04-17
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经典论文解读：建立污泥中胞外聚合物无损化学提取的标准化方法
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：建立污泥中胞外聚合物无损化学提取的标准化方法解读人：张伟军文章作者：Bo Frølund, Rikke Palmgren, Kristian Keiding, Per Halkjær Nielsen文章标题：Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin文献来源：Water Research被引次数：2043次（Web of Science）；2941次（Google Scholar）研究背景胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是污泥中主要有机组分，以网络状结构包裹微生物细胞，对微生物的生存和污泥的理化性质具有重要影响。在不破坏微生物细胞和生物聚合物结构的前提下，非破坏性高效提取EPS是精确解析其化学组成和结构特性的先决条件。阳离子交换树脂通过置换阳离子导致污泥絮体分散，促使EPS释放到液相中。EPS阳离子交换树脂提取方法最早由Rudd等人提出，随后经过Per Halkjær Nielsen教授团队的系统研究，验证了方法的有效性和优越性，并进一步建立了用于提取污泥中EPS的标准化步骤。研究思路及核心发现研究思路研究通过设置不同条件（离子交换树脂投加量、搅拌强度、提取时间），以提取EPS含量、细胞完整性以及生物聚合物组分的结构变化作为量化指标，评估了阳离子交换树脂法对不同来源污泥中EPS的提取效能。研究发现，阳离子交换树脂提取法可以对EPS中的蛋白质、多糖、腐殖酸、DNA等生物聚合物组分实现高效提取，细胞裂解程度低，生物聚合物组分结构保持良好。研究总结了适用于不同研究目的提取操作参数，证明了阳离子交换树脂提取法再污泥EPS研究中的适用性和可靠性。核心发现1. 提取方法参数控制系统地研究了树脂添加量、搅拌强度与提取时间对EPS提取效率的影响。结果显示，当CER添加量为70 g/g VS、搅拌强度为900 rpm、提取时间超过12 h时，可获得较高的提取产率。另一方面，低速（600 rpm）、短时间（0.5-1 h）的提取模式适用于对细胞结构要求较高的温和提取。图1 碳水化合物、糖醛酸、蛋白质、腐殖物和DNA的提取量随提取时间的变化关系。实验条件为搅拌强度900 rpm，两种污泥CER添加量分别为65和85 g/g VS。2. 阳离子树脂提取法的效能与加热提取法（80 ℃）和碱提取法（pH=11）相比，CER法在蛋白、腐殖物、多糖等主要组分的提取效率显著提升。阳离子树脂法对蛋白质和腐殖酸具有很高的提取效率，能够提取污泥中50%的蛋白质和70%的腐殖酸。表1 三种不同提取方法的EPS提取率对比（浓度单位为 mg/g VS）3. 细胞和提取组分的结构变化通过细胞染色计数和胞内酶活监测，发现提取初期（1-2 h）细胞裂解较少；同时，HPSEC分析表明，提取过程中各类高分子组分保持较好的完整性，无明显降解或结构破坏，证明了CER法的温和性与结果可重复性。图2. 两种污泥不同提取时间的HPLC-SEC分析结果，提取时间分别为0.5、4、8和17 h，（A）和（B）分别为两种不同来源污泥，随着提取时间延长，紫外响应信号增强，EPS结构无明显变化图3. 污泥中细胞总数（DAPI染色）和具有呼吸活性的细胞数（CTC染色）随提取时间的变化研究领域地位研究总结的阳离子交换树脂提取法因其高效率和低细胞破坏率成为活性污泥EPS研究中最广泛使用的提取方法之一。该方法已被应用于颗粒污泥形成机制、膜污染控制、生物絮体稳定性等多个方向的研究，在环境微生物学与污水处理工程领域均产生重要影响。作者佩尔·哈尔克耶·尼尔森 （Per Halkjær Nielsen）丹麦奥尔堡大学微生物群落多学科中心负责人，环境微生物领域的杰出教授，长期致力于生物污水处理系统的微生物生态学研究。现任国际水协会（IWA）战略委员会委员，IWA/ISME BioCluster主席。在环境微生物领域发表了超过650篇学术论文，引用次数超过53,000次。2010年获得丹麦皇室授予的丹尼布罗勋章（Ridder af Dannebrog），2021年获得国际水协会Ardern-Lockett奖。论文链接：https://doi.org/10.1016/0043-1354(95)00323-1<!--!doctype-->
2025-04-09
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刘睿课题组在Pd表面活性H行为研究取得重要进展
中国科学院生态环境研究中心刘睿课题组在活性H的生成和表面迁移行为原位追踪方面取得重要研究进展，该研究成果以“Reactive Hydrogen Species Behaviors on Pd/TiN: In situ SERS Guided Regulation for Chemoselective Hydrogenation”为题，在线发表于Angew Chem Int Edit期刊上，并被选为热点文章（Hot paper）。作为催化加氢还原反应的关键步骤，活性H生成与迁移过程不仅直接影响贵金属催化剂的利用效率，更是调控产物选择性的基础。H2的解离和表面迁移过程非常复杂，不仅存在均列和异裂两个不同的解离方式, 生成的H物种还可以跨界面传输，迁移到载体表面，即所谓H-溢流过程。作为最小的, 且高度活泼的分析物，活性H物种分析和追踪颇具挑战性。为解决这一难题，刘睿课题组提出一种基于化学键示踪的策略，用于追踪活性氢的动态行为：H₂在Pd表面解离后形成Pd-H键，当活性H迁移至载体表面时则会形成对应的化学键（如在氮化物表面形成具有特征振动光谱的N-H键）。通过监测νPd-H振动峰可追踪H₂的解离过程，而νN-H振动峰则能指示活性H向TiN载体的迁移路径，从而实现通过N-H键对活性氢的示踪。结合原位光谱实验和理论计算，研究发现Pdₙ团簇位点在H2/D2解离、H/D向TiN转移以及H/D*在TiN表面迁移这三个关键过程中均展现出最低的能垒,可能是较为理想的催化加氢位点。图. 利用νN-D/νPd-D比值定量Pd1与Pdn位点相对丰度。基于上述结果，研究发展了以D2分子为探针，利用νN-D/νPd-D比值作为结构判据的原位SERS解析Pd位点结构新方法。通过该方法系统分析了不同合成方法制备的Pd/TiN催化剂，筛选了合成富集单原子（Pd1）和团簇（Pdₙ）的催化剂的方法。催化研究表明，Pd1/TiN催化剂通过异裂解离H₂和选择性还原硝基，在卤代硝基苯加氢反应中展现出卓越性能，可实现99.5%的卤代苯胺选择性。而Pd1/TiN催化剂在苯酚加氢反应中表现出独特的双功能特性：Pd团簇高效解离H₂产生活性氢物种（H-溢流效应），TiN作为反应中心催化苯酚加氢，二者协同作用实现了室温常压下的超高效率（>99.9%环己酮选择性，TOF>30min-1）。这一研究不仅揭示了Pd位点结构对活性H行为影响的机制，建立了Pd活性位点的光谱表征新方法，更为深入研究催化过程中的“合成—结构—活性”关系提供了参考。中国科学院生态环境研究中心博士研究生张小玲为论文第一作者，刘睿研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金以及中科院青促会优秀会员的支持。环境化学与环境毒理重点实验室2025年4月1日<!--!doctype-->
2025-04-01
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刘睿课题组高精度温度场分布测量及表界面反应机制研究取得进展
2025年3月，刘睿课题组发展了基于表面增强拉曼光谱（SERS）的表—界面亚微米尺度温度场分布测量方法，该方法为深入研究反应发生在表面还是界面这个有趣的问题提供了新的思路。相关研究以“Surface-Enhanced Raman Spectroscopy-Based Spatial Temperature Profiling in Space-Confined Hollow Carbon Nanospheres for a Reaction Mechanism Study”为题，发表于Analytical Chemistry期刊。温度是最基本的物理化学参数之一，通过温度调控反应速率也是化学工程、能源转换及环境治理等领域常用的策略。近年来研究还发现，通过近场光热效应可以显著提升局部温度，精准加快限域空间内的化学反应速率。然而，传统测温技术普遍存在空间分辨率和灵敏度不足的问题，难于满足亚微米的限域空间温度场的高灵敏分析。本研究结合金纳米颗粒的亚微米级空间定位特性与对温度敏感的苯异腈分子，成功构建了亚微米分辨率的表——界面空间温度测量方法。基于构建纳米传感器系统，深入解析了中空碳纳米球（HCNS）在光热转换过程中内部、外表界和体相溶液的温度梯度分布。利用发展的方法，研究证实了太阳辐照条件下HCNS纳米腔内部存在显著温升现象，并揭示出纳米腔与表面间的显著温差。结合温度场空间分布特征，以及反应动力学与温度间的关系，研究明确单原子铁活化过一硫酸盐氧化苯酚反应发生在催化剂-溶液的界面，而不是催化剂表面。该工作不仅为SERS纳米温度传感器设计提供了新思路，更通过反应位点空间定位为机理研究开辟了新维度。该工作获得中国科学院战略性先导专项B、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会的资助。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c06321<!--!doctype-->
2025-03-31
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栾富波课题组在地下水中砷铀同步去除方面取得进展
中国科学院生态环境研究中心栾富波课题组在地下水中砷铀同步去除方面取得进展，提出了TiO2–U(VI)–As(V)三元表面络合新机制，成功实现了地下水中砷和铀的高效同步去除。相关研究成果“Ternary surface complexation promotes simultaneous removal of arsenic and uranium by TiO2”为题发表于PNAS（2025,122 (12) e2501354122）。由于地球化学作用，原生含砷和铀地下水分布广泛，对饮用水安全构成了潜在威胁。传统处理方法通常可单独去除砷或铀，但在两者共存情况下，这些方法往往去除效果不佳。研究发现，{001}-TiO2能够高效同步去除地下水中砷和铀。铀的存在显著增强了砷的吸附效率（3.4倍），极大地增强了砷和铀的协同去除效果。原位ATR-FTIR光谱结果表明，三元表面络合物（TiO2–U(Ⅵ)-As(V)）的形成是砷和铀协同去除的关键机制。具体而言，As(V)能够有效取代{001}-TiO2表面吸附U(Ⅵ)-CO32−络合物中的CO32−配体，并促成该三元络合物的生成。密度泛函理论（DFT）计算进一步证明了三元络合物形成过程的热力学可行性。此外，使用后的TiO₂材料可简单再生，经过重复使用后仍能保持优异的吸附容量和动力学性能。上述研究不仅揭示了砷和铀在矿物界面上的复杂作用机制，更为解决地下水中砷和铀同步去除难题提供了解决方案。TiO2–U(Ⅵ)-As(V)三元络合物形成机理中国科学院生态环境研究中心博士研究生林雷鸣和博士研究生李正为论文共同第一作者，生态环境研究中心栾富波研究员和孟颖助理研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2501354122环境水质学国家重点实验室2025年3月27日
2025-03-27
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经典论文解读：重金属吸附到天然沉积物上的络合模型
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读: 重金属吸附到天然沉积物上的络合模型解读人：庄媛、杨晓芳作者：Xianghua Wen, Qing Du, Hongxiao Tang (汤鸿霄院士，我国环境水化学开拓者)文章标题：Surface Complexation Model for the Heavy Metal Adsorption on Natural Sediment文献来源：Environmental Science & Technology, 1998被引次数：108次(web of science)论文背景：重金属在沉积物上的吸附行为影响其迁移与归趋，但传统经验模型（如Langmuir等温线）难以解释吸附机制。1975年瑞士著名学者Werner Stumm教授基于热力学原理以及配位化学和双电层理论提出了表面络合模型（SCMs）理论，经过二十余年发展已成功用于描述重金属在纯矿物-溶液界面的吸附，但在天然吸附材料中的应用仍有限。基于此，本研究以中国乐安江沉积物为对象，通过电位滴定和吸附实验，系统评估了三种SCMs模型用于描述天然水体颗粒物对重金属吸附行为的表现。这篇论文是环境水质学实验室成立后在ES&T期刊上发表的第一篇文章，论文三位作者全部为中国学者，并于2000年入选美国科学情报研究所世界1000篇SCI经典引文奖。关键结论：三种表面络合模型，恒定电容模型CCM、扩散层模型DLM、三层模型TLM，均能良好拟合实验数据，预测吸附行为时相对误差相近。研究证明，SCMs可有效应用于天然材料，为重金属环境行为预测提供了新工具。研究方法：实验样品：中国江西省乐安河的沉积物样本，样品矿物相组成以伊利石（71%）、高岭石（15%）、绿泥石（14%）为主，比表面积13.3 m²/g，pHpzc为4.2。电位滴定实验：在不同离子强度（0.1、0.01、0.001 mol/L NaNO3）下进行，以获取样品表面电荷与pH的关系数据，用于确定表面位点密度、pHpzc和表面酸性常数。吸附实验：选择Cu和Cd作为吸附质，在恒定pH和不同金属浓度下测定吸附等温线，在不同pH和固定金属浓度下测定吸附边缘曲线。双电层模型结构：CCM，所有特异性吸附的离子都被分配到唯一的双电层平面内；DLM，界面区域设置了两个平面，一个用于吸附H⁺、OH⁻和所有特异性吸附物种的平面，另一个代表所有反离子最接近距离的扩散层平面；TLM，在界面区域设置了三个平面，包括一个用于吸附H⁺、OH⁻和强吸附离子的表面平面，一个用于弱吸附离子的近表面平面（β-平面），以及一个代表解离电荷最接近距离的扩散层平面。DLM和TLM通过泊松-玻尔兹曼方程描述扩散层中离子、电荷和电位的分布，利用古依-查平斯基方程来描述表面电荷与电位之间的关系。参数估计方法：采用图形外推法和非线性最小二乘优化法（使用FITEQL 2.0程序）来分析数据，确定模型参数。主要发现与结论：重金属Cu和Cd离子的吸附行为吸附热力学和吸附pH边实验结果表明，沉积物样品对Cu和Cd的吸附量均随pH升高而增加，吸附等温线呈Langmuir型，并且对Cu的吸附亲和力显著高于Cd。电位滴定确定沉积物颗粒表面固有酸性常数（图1-3，表2）通过图形法和CCM模型拟合实验数据，分别得到三个离子强度下的界面电容和表面羟基的固有酸性常数pKa1int和pKa2int。DLM模型拟合电位滴定数据，得到表面羟基的固有酸性常数pKa1int和pKa2int。TLM模型拟合电位滴定数据，得到两个电容（C1和C2）和四个固有酸性常数（pKa1int、pKa2int、pKNO3-int和pKNa+int）。重金属吸附实验数据拟合三个SCM模型能很好地解释Cu和Cd的pH吸附边缘实验数据（图5），拟合得到的沉积物与Cu离子的表面络合常数大于Cd离子（表3），说明对Cu的吸附亲和力更强，与吸附等温线的结果一致。三个模型拟合结果的相对误差均在15%以内。意义与反响：这项研究在相同的体系中同时应用三种SCM模型，虽然三种模型在参数确定和应用难度上存在差异，但证明了表面络合模型可用于天然水体颗粒物吸附重金属离子行为的描述和预测。该文章发表后在国际上引起巨大反响，填补了SCMs在天然沉积物中应用的空白，验证了SCMs在复杂天然水体颗粒物吸附行为研究中的适用性，推动重金属污染预测从实验室向实际环境扩展。论文链接：https://doi.org/10.1021/es970098q<!--!doctype-->
2025-03-26
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经典论文解读：水处理氧化工艺：我们在正轨上吗？
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：水处理氧化工艺：我们在正轨上吗？解读人：董慧峪作者：Urs von Gunten文章标题：Oxidation Processes in Water Treatment: Are We on Track?文献来源：Environmental Science & Technology, 2018, 52, 5062-5075研究背景：化学氧化工艺在水处理中的应用已有一个多世纪的历史，起初是作为消毒工艺，后用于降解水中的无机/有机污染物。化学消毒与砂滤的结合使得介水传播疾病发病率大幅下降，这也是人类公共卫生领域的重大创举之一。从上世纪70年代中期开始，随着饮用水中消毒副产物（DBPs）氯仿的检出，逐步发现氯化过程中生成的数百种卤代DBPs与膀胱癌/不良妊娠反应之间存在关联。DBPs是由化学氧化剂与水中基质如溶解有机物（DOM）、溴/碘离子反应生成的。因此，在饮用水处理中，消毒效果与DBPs生成之间的平衡（即急性毒性风险与慢性毒性风险的权衡）需通过科学评估以实现精准控制。当前国际主流共识将消毒保障微生物安全列为首要目标，不因过度控制DBPs生成而影响消毒效果。欧洲部分国家（如荷兰、瑞士）已不在供水系统中投加化学类消毒剂来规避DBPs长期暴露的健康风险及氯残留引发的口感与异味问题。需要指出的是，此类工艺尝试需通过水质化学风险与生物风险的系统性控制（水源地保护与自然净化、多屏障处理工艺、管网水质稳定技术）作为支撑。氧化工艺降解有机微污染物的技术难点在于会生成具有毒性的降解产物。因此，应用氧化工艺降解微污染物时应着重考虑：（1）反应动力学，以控制目标污染物的降解效率；（2）降解产物的生成机制；（3）背景基质生成DBPs；（4）降解产物和DBPs引发的毒性效应。在水处理氧化工艺中，难以通过测试水中所有（上千种）有机微污染物的降解来评估氧化效果。基于此，本文提出需以多学科交叉研究为基础，结合动力学、转化机制、DBPs生成及其毒性效应预测评估氧化工艺的效能。研究结果氧化工艺对特定目标化合物缺乏选择性是其主要局限，也是在应用中难以避免的挑战之一。水中普遍存在的背景基质会降低氧化处理效率，并引发DBPs生成等非预期结果。此外，有机微污染物在氧化中并非被彻底氧化，而是转化为多种产物。在连续的转化过程中，单个转化产物的浓度会逐渐降低，但某些情况下转化产物的毒性可能高于原化合物。我们如何确保氧化处理方式的风险不会超过其效益？尽管无法完全控制风险，但可通过严格的评估将其最小化。基于作者在氧化水处理与废水处理工艺领域超过25年的研究经验，未来水处理领域的氧化工艺研发应侧重：氧化工艺能否有效降低微污染物浓度？动力学参数是氧化工艺降解污染物效率的关键。基于已有发现，我们可评估氧化反应的动力学参数，用于预测污染物在实际氧化工艺的降解效率。开发新氧化工艺时，其整体能耗和运行成本需与基准工艺（如氯化、臭氧或紫外处理工艺）相当或更低。随着技术的不断发展，新氧化工艺的效率有望持续提升。未来针对现有及新氧化工艺，可开发基于计算化学的动力学预测工具来评估工艺氧化污染物的动力学参数。图1 化学氧化剂/工艺在城市水处理中减少微污染物的比较有毒降解产物形成的水质风险有多大？对于特定氧化剂和功能基团，可通过预测工具评估转化产物的形成风险。将这些工具与分析方法结合，可阐明转化产物的种类及其潜在的毒性效应。在未来的研究中，需填补与功能基团和氧化剂相关的基础数据空白；改进靶向与非靶向分析的工作流程与数据分析方法，并明确微量污染物氧化产物与背景基质氧化产物的差异性。在毒理学测试方法开发方面，需建立灵敏、稳定、标准化且高通量的毒理学测试方法，涵盖多种人体毒理学和生态毒理学有害结局终点。图2 含微污染物的水在氧化处理中毒性/生物效应的变化与氧化剂剂量/接触和生物后处理的关联性水背景基质如何影响氧化？由于天然或排放废水中DOM的多样性与复杂性，有毒DBPs的生成预测仍处于初步阶段。未来研究需量化DOM的活性官能团以更准确地预测氧化效率及后续DBPs的生成。图3 水中不同组分消耗氧化剂的占比。DOM是水处理过程中氧化剂的主要消耗者，其次是溴/碘离子，微污染物消耗氧化剂的贡献最小如何选择最适宜的氧化工艺？氧化处理的复杂性决定了在实际应用中应不断优化氧化工艺，并与其他处理技术（如生物降解/吸附）相结合，以同步去除转化产物并发挥多屏障工艺的协同作用。氧化处理后的生物/吸附处理在控制DBPs生成和转化产物方面具有显著优势，应优先应用此类组合工艺。同时，氧化工艺的组合应用需考虑不同应用场景的适配性（从市政供水到单个用户），并重点关注、解决其他水质参数（如溴离子）对氧化效能的影响。意义与反响文章自发表至2025年3月15日已被引用533次（Web of Science）。作者简介Urs von Gunten教授曾任瑞士联邦水质科学技术研究所（Eawag）饮用水能力中心主任、洛桑联邦理工学院（EPFL）教授。研究方向为氧化/消毒水处理技术，率先研究了氧化工艺中微量污染物的降解动力学与机制，推动臭氧、过氧化氢等氧化剂在水处理中的高效应用；明确了氯、臭氧等消毒剂与天然有机物反应生成副产物的关键路径，提出了优化消毒工艺以减少有害副产物的策略；建立了氧化工艺数据库，涵盖数千种污染物的降解速率与路径；提出了“从动力学到毒性评价”的研究框架，并将基础研究与工程实践紧密结合，显著提升水处理技术的环境友好性。Urs von Gunten教授长期与中国科学院生态环境研究中心（中国科学院国际杰出学者）、清华大学、哈尔滨工业大学等国内科研机构、高校科研人员开展国际合作，推动中欧在水质安全领域的联合研究。发表高水平论文逾300篇，H指数位列全球环境科学与工程领域前1%，2023年荣获Outstanding Achievements in Environmental Science & Technology Award。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.8b00586
2025-03-26
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王亚韡课题组在基于界面载流子调控的四溴双酚A光催化降解中H2O2持续产生研究中取得进展
2025年3月，王亚韡课题组在基于界面载流子调控的四溴双酚A光催化降解中H2O2持续产生研究中取得进展，相关研究以“Unexpected Persistent Production of H2O2 during Tetrabromobisphenol A Photocatalytic Degradation Based on Interface Carrier Regulation”为题，发表于Applied Catalysis B: Environment and Energy期刊。光催化技术在H2O2生成和有机污染物降解方面展现出巨大的潜力。在传统的光催化产H2O2过程中，ORR技术被视为一种具有潜力的策略，即通过光催化剂上的光生e-将水中的溶解氧还原并转化为H2O2。在这一过程中，通常会添加牺牲性质子供体（如乙醇和异丙醇等）以促进H2O2的生成。这些质子供体通常会消耗光生h+，从而使更多的光生e-参与ORR过程生成H2O2。然而，额外添加质子供体不仅增加了成本，还由于光生h+和ROS的氧化能力未被充分利用，导致光催化系统的能量转换效率较低。因此，额外的能量输入和较低的能量转换效率限制了其实际应用。假设典型有机污染物在加入光催化系统后，能够与光生h+高效反应并作为质子供体发挥作用，那么H2O2将在这一过程中协同生成。同时，污染物也能被氧化和降解，从而实现污染物去除与H2O2生成的双重目的。然而，H2O2作为一种常见的ROS，在光催化过程中很容易分解为·OH和O2·-，然后参与有机污染物的降解。因此，耦合不同的光催化领域以构建一个既能降解污染物又能生成H2O2的双功能体系仍然是一个挑战。本研究发现在构建S型异质结ZrO2/ZnIn2S4光催化降解四溴双酚A（TBBPA）过程中，H2O2可持续产生和累积，这不同于传统有机污染物光催化降解中依赖于H2O2的高消耗。进一步系统研究了TBBPA溶液中ZrO2/ZnIn2S4界面光生载流子的界面迁移、ROS形成和转化及TBBPA降解协同H2O2生成过程及机制。结果表明，ZrO2/ZnIn2S4催化剂界面In、S和O原子的电子轨道重叠促进了光生载流子在异质结界面的离域和转移，进而提供大量具有高氧化还原电位的光生载流子。TBBPA吸附在催化剂表面后，其与ZrO2/ZnIn2S4之间形成表面电场（SEF），加速了光生空穴（h+）直接攻击TBBPA降解，促进其界面产生更多光生电子（e-）用于ORR反应生成H2O2。其中TBBPA及其降解中间产物的酚羟基β剪切反应是促进H2O2持续生成的关键路径。此双功能光催化体系还可以用于其他酚羟基化合物降解同时伴随H2O2的累积，这为光催化系统在废水资源化利用方面提供了新思路。该论文的第一作者为博士生王思龙，通讯作者为吕继涛副研究员和赵利霞研究员。华东理工大学杨雪晶教授为共同作者。 该工作获得国家重点研究发展计划，中国科学院战略重点研究计划和国家自然科学基金的支持。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125274
2025-03-25
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经典论文解读:直接观测大气气溶胶成核过程
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读: 直接观测大气气溶胶成核过程解读人：楚碧武论文背景：新粒子生成是大气颗粒物（数浓度）的主要来源，对大气颗粒物的气候效应具有重要影响。揭示新粒子生成，特别是其成核过程的物理化学机制，对于建立准确的气候模型和科学的污染控制策略至关重要。然而，由于对成核生成的2nm以下的大气颗粒物的测量十分困难，极大限制了对成核过程的理解。开展成核过程中关键团簇的浓度、组分以及2nm以下纳米颗粒物的测量成为揭示气溶胶成核机制的关键。主要发现与结论：本文的作者利用先进的检测技术，在芬兰北部Hyytiala森林地区对大气离子、中性团簇、1-2nm粒径段的纳米颗粒物、以及硫酸、挥发性有机物、氨气等气体污染物开展了综合观测。观测结果表明，中性团簇在大气颗粒物成核过程中起主导作用。通过对比有明显成核现象的新粒子生成天和无新粒子生成的其它日期，发现大气中始终存在2nm以下的中性团簇，其浓度比3-12nm粒径段的颗粒物高一个数量级。其中0.9-1.3nm粒径段的团簇在新粒子生成天和其它日期的浓度和日变化特征都非常相似；在新粒子生成天，1.3-2.1nm的团簇出现了明显的日间峰值，但在其它日期则没有出现，表明这一粒径段范围的大气团簇的形成是能否产生新粒子生成事件的关键。同时，观测发现1.3-2.1nm的团簇的日间峰值紧随气态硫酸，验证了1-3nm的团簇/颗粒物的生成速率和气态硫酸浓度密切相关；观测数据也显示一些分子量为300-450Th的高含氧有机物浓度和1.2-1.7nm的团簇浓度具有明显的正相关关系，表明有机物也参加了气溶胶成核过程。大气团簇浓度总体上随粒径增加而迅速下降，但粒径增长速率随粒径增加而不断增大。最小尺寸的团簇上（<1.2nm），气态硫酸的摄取和挥发同时发生，导致了其非常慢的粒径增长速度。1.2-1.7nm粒径段的团簇/颗粒物的粒径增长基本可以通过气态硫酸来解释，但需要一个中性分子（如氨气，有机胺或者有机物，其中有机胺具有最强的稳定能力）的结合来增加团簇的化学稳定性。白天硫酸浓度（左 y 轴）和不同尺寸大小的中性团簇浓度（右 y 轴）在新粒子生成天（A）和无新粒子事件的其它日期（B）的日变化同时，该论文通过对比不同粒径的团簇/颗粒物的生成速率，指出小于1.5nm的团簇，由于其凝结蒸汽的高蒸发量，难以发生相变，导致大气成核的临界尺寸在1.5nm左右。在此基础上，论文提出了大气气溶胶生成的基本途径：（I）生成可凝结分子和小团簇；（II）硫酸分子、碱性分子（氨气或者有机胺）和有机分子形成临界团簇；（3）团簇快速增长为3nm左右的纳米颗粒物。新粒子生成过程中大气中性团簇的主要粒径段及其关键理化过程意义与反响：该论文提供了关于大气颗粒物成核过程的直接观测数据，揭示了大气颗粒物复杂的成核过程和关键影响因素。研究还指出了有机物在大气颗粒物形成和增长中的重要贡献，以及其在生物圈、云和气候反馈过程中的关键作用。该文章发表后在国际上引起巨大反响，促进了直接观测气溶胶成核过程以及高含氧有机物的先进仪器和技术的发展，极大地推动了新粒子生成相关领域的科学研究，目前SCI引用800余次。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.1227385<!--!doctype-->
2025-03-14
