第七届青年地学论坛

自然界土壤往往处于非饱和甚至干旱状态，然而很少有研究关注土壤矿物非饱和相界面对污染物的特殊催化转化作用。干燥的土壤矿物表面会表现出极强的表面酸性，对其表面吸附的污染物可能产生极强的催化水解效应。然而，该过程在高水相条件下往往难以发生，表面湿度是控制其催化水解效应的关键因素。以往的绝大多数有关污染物和土壤矿物相互作用的研究都在水相或泥浆体系中开展，而在非饱和状态下，土壤矿物固相颗粒对抗生素和抗性基因的催化转化研究十分缺乏。因此，自然状态下土壤中污染物（比如抗生素类）受土壤矿物的非生物降解过程可能与已有的认知规律存在较大的差异。理解土壤湿度对土壤抗生素污染的非生物催化转化过程对于评估实际土壤中抗生素的环境行为和环境风险具有重要意义。
土壤中典型矿物包括粘土矿物、铁/铝氧化物等。粘土矿物通常被认为是惰性矿物的，然而在非饱和状态下，干燥的高岭土铝氧层面羟基能够通过氢键作用诱导抗生素氯霉素的易水解基团（酰胺键）发生催化水解。研究结果表明暴露在33-76%空气湿度下（对应矿物表面湿度2-8%，wt/wt）的高岭土对氯霉素的催化水解效率最快，半衰期大约为10-40天。而在饱和状态以及水相中时，表面水分子层会屏蔽这种氢键作用，从而完全抑制水解反应的发生。对于蒙脱土而言，表面吸附的有限水分子容易受到层间阳离子的极化作用发生解离并释放质子，从而产生极强的表面酸度，比如我们前期的研究发现含水率< 5%的Fe³⁺-/Al³⁺-蒙脱土表面pH 值甚至能够接近浓硫酸的酸度（pH < 0），干燥的Fe³⁺-/Al³⁺-蒙脱土表面（含水率10-40%，wt/wt）对表面吸附的氯霉素的催化水解速率比在水相条件下快1-3个数量级。蒙脱土表面酸性受层间阳离子类型决定，着层间阳离子的价态越高、离子半径越小，所呈现的表面酸性越强。而在饱和状态以及水相中时，粘土矿物层间阳离子充分水合消除了这种极化现象[16]，使粘土矿物表面呈近中性。鉴于非饱和相土壤矿物对易水解抗生素具有很强的催化水解效应，设置合理的土壤干-湿交替，构建抗生素的非生物-生物联合降解过程，能够起到强化土壤中抗生素的矿化消除的目的。我们的研究也验证了该假设，采用七种实际土壤（包括4中红壤和3中黄壤），在不同湿度下验证氯霉素的非生物降解，发现低有机质含量（<10 mg/kg）的红壤在76%空气湿度一下能够快速水解氯霉素，并且经历干反应的土壤组在进入一定土壤湿度（土壤含水率30%）的湿反应阶段后，其矿化消除效率得到极大的促进。
本研究结果为理解天然土壤中污染物的迁移转化过程提供了新的认知，也为土壤中抗生素污染的强化消除提供理论指导。
 

矿物，抗生素，非饱和相界面，催化水解