008 《环境化学 (Environmental Chemistry): 全面解析与深度探讨》
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书籍大纲
▮▮ 1. 绪论 (Introduction to Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 1.1 环境化学的定义与范畴 (Definition and Scope of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 1.1.1 环境的定义与组成 (Definition and Components of the Environment)
▮▮▮▮▮▮ 1.1.2 环境化学的研究对象与任务 (Research Objects and Tasks of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 1.1.3 环境化学与其他学科的关系 (Relationship between Environmental Chemistry and Other Disciplines)
▮▮▮▮ 1.2 环境问题的化学基础 (Chemical Basis of Environmental Problems)
▮▮▮▮▮▮ 1.2.1 污染物的来源、迁移与转化 (Sources, Migration, and Transformation of Pollutants)
▮▮▮▮▮▮ 1.2.2 污染物在环境中的效应 (Effects of Pollutants in the Environment)
▮▮▮▮▮▮ 1.2.3 环境化学的研究方法 (Research Methods in Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 1.3 环境化学的发展历程与展望 (Development History and Future Trends of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 1.3.1 环境化学的早期发展 (Early Development of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 1.3.2 环境化学的快速发展 (Rapid Development of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 1.3.3 环境化学的未来展望 (Future Prospects of Environmental Chemistry)
▮▮ 2. 环境化学基本原理 (Fundamental Principles of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 2.1 环境热力学与环境动力学 (Environmental Thermodynamics and Environmental Kinetics)
▮▮▮▮▮▮ 2.1.1 环境热力学基础 (Fundamentals of Environmental Thermodynamics)
▮▮▮▮▮▮ 2.1.2 环境动力学基础 (Fundamentals of Environmental Kinetics)
▮▮▮▮▮▮ 2.1.3 环境化学平衡 (Environmental Chemical Equilibrium)
▮▮▮▮ 2.2 界面化学与胶体化学 (Interface Chemistry and Colloid Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.1 界面现象与表面化学 (Interface Phenomena and Surface Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.2 环境胶体与胶体行为 (Environmental Colloids and Colloid Behavior)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.3 环境电化学 (Environmental Electrochemistry)
▮▮▮▮ 2.3 有机化学基础 (Fundamentals of Organic Chemistry for Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 2.3.1 有机化合物的结构与命名 (Structure and Nomenclature of Organic Compounds)
▮▮▮▮▮▮ 2.3.2 有机化合物的性质与反应 (Properties and Reactions of Organic Compounds)
▮▮▮▮▮▮ 2.3.3 重要的环境有机污染物类别 (Important Categories of Environmental Organic Pollutants)
▮▮ 3. 大气环境化学 (Atmospheric Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 3.1 大气圈的组成与结构 (Composition and Structure of the Atmosphere)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.1 大气圈的垂直分层 (Vertical Layers of the Atmosphere)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.2 大气的主要化学成分 (Major Chemical Components of the Atmosphere)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.3 大气中的微量成分与气溶胶 (Trace Components and Aerosols in the Atmosphere)
▮▮▮▮ 3.2 大气污染及其化学 (Atmospheric Pollution and its Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.1 颗粒物污染 (Particulate Matter Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.2 硫氧化物与酸雨 (Sulfur Oxides and Acid Rain)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.3 氮氧化物与光化学烟雾 (Nitrogen Oxides and Photochemical Smog)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.4 挥发性有机物 (VOCs) 污染 (Volatile Organic Compounds (VOCs) Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.5 温室气体与全球气候变化 (Greenhouse Gases and Global Climate Change)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.6 臭氧层破坏与保护 (Ozone Layer Depletion and Protection)
▮▮▮▮ 3.3 大气污染控制化学 (Atmospheric Pollution Control Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.1 大气污染源控制技术 (Atmospheric Pollution Source Control Technologies)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.2 大气污染物去除技术 (Atmospheric Pollutant Removal Technologies)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.3 室内空气污染与控制 (Indoor Air Pollution and Control)
▮▮ 4. 水环境化学 (Aquatic Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 4.1 自然水体的化学组成与特性 (Chemical Composition and Characteristics of Natural Waters)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.1 水的物理化学性质 (Physicochemical Properties of Water)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.2 天然水体的化学组成 (Chemical Composition of Natural Waters)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.3 水体的pH、氧化还原与缓冲体系 (pH, Redox, and Buffer Systems in Waters)
▮▮▮▮ 4.2 水体中的化学过程 (Chemical Processes in Aquatic Environments)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.1 溶解与沉淀过程 (Dissolution and Precipitation Processes)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.2 氧化还原过程 (Redox Processes)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.3 络合与配位过程 (Complexation and Coordination Processes)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.4 吸附与解吸过程 (Adsorption and Desorption Processes)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.5 水解与光化学反应 (Hydrolysis and Photochemical Reactions)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.6 生物化学反应 (Biochemical Reactions)
▮▮▮▮ 4.3 水体污染及其化学 (Aquatic Pollution and its Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.1 需氧污染物与水体富营养化 (Oxygen-Demanding Pollutants and Eutrophication)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.2 营养物污染 (Nutrient Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.3 重金属污染 (Heavy Metal Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.4 有机污染物污染 (Organic Pollutant Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.5 持久性有机污染物 (POPs) 污染 (Persistent Organic Pollutants (POPs) Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.6 新兴污染物污染 (Emerging Pollutant Pollution)
▮▮▮▮ 4.4 水污染控制与水质改善化学 (Aquatic Pollution Control and Water Quality Improvement Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.1 水处理的物理方法 (Physical Methods for Water Treatment)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.2 水处理的化学方法 (Chemical Methods for Water Treatment)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.3 水处理的生物方法 (Biological Methods for Water Treatment)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.4 饮用水处理工艺 (Drinking Water Treatment Processes)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.5 污水处理工艺 (Wastewater Treatment Processes)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.6 水体重污染控制与修复 (Heavily Polluted Water Body Control and Remediation)
▮▮ 5. 土壤环境化学 (Soil Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 5.1 土壤的组成与基本性质 (Composition and Basic Properties of Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.1.1 土壤的组成成分 (Compositional Components of Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.1.2 土壤的结构与质地 (Soil Structure and Texture)
▮▮▮▮▮▮ 5.1.3 土壤的物理化学性质 (Physicochemical Properties of Soil)
▮▮▮▮ 5.2 土壤中的化学过程 (Chemical Processes in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.1 土壤风化作用 (Soil Weathering Processes)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.2 土壤中的溶解沉淀过程 (Dissolution and Precipitation Processes in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.3 土壤中的氧化还原过程 (Redox Processes in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.4 土壤中的络合与配位过程 (Complexation and Coordination Processes in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.5 土壤中的吸附与解吸过程 (Adsorption and Desorption Processes in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.6 土壤中的离子交换过程 (Ion Exchange Processes in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.7 土壤有机质的转化 (Transformation of Soil Organic Matter)
▮▮▮▮ 5.3 土壤污染及其化学 (Soil Pollution and its Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.1 重金属污染 (Heavy Metal Pollution in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.2 有机污染物污染 (Organic Pollutant Pollution in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.3 农药污染 (Pesticide Pollution in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.4 化肥污染 (Fertilizer Pollution in Soil)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.5 固体废物污染 (Solid Waste Pollution in Soil)
▮▮▮▮ 5.4 土壤污染修复与土壤质量改善化学 (Soil Pollution Remediation and Soil Quality Improvement Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.1 土壤污染的物理修复技术 (Physical Remediation Technologies for Soil Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.2 土壤污染的化学修复技术 (Chemical Remediation Technologies for Soil Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.3 土壤污染的生物修复技术 (Bioremediation Technologies for Soil Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.4 土壤污染的植物修复技术 (Phytoremediation Technologies for Soil Pollution)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.5 土壤质量改善与可持续利用 (Soil Quality Improvement and Sustainable Utilization)
▮▮ 6. 生物地球化学循环与环境化学 (Biogeochemical Cycles and Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 6.1 生物地球化学循环概述 (Overview of Biogeochemical Cycles)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.1 生物地球化学循环的定义与类型 (Definition and Types of Biogeochemical Cycles)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.2 生物地球化学循环的基本特征 (Basic Characteristics of Biogeochemical Cycles)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.3 生物地球化学循环的环境意义 (Environmental Significance of Biogeochemical Cycles)
▮▮▮▮ 6.2 碳循环 (Carbon Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.1 碳循环的主要过程与碳库 (Main Processes and Carbon Pools in the Carbon Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.2 碳循环的碳通量与平衡 (Carbon Fluxes and Balance in the Carbon Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.3 人类活动对碳循环的影响与全球气候变化 (Human Impacts on the Carbon Cycle and Global Climate Change)
▮▮▮▮ 6.3 氮循环 (Nitrogen Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.1 氮循环的主要过程与氮库 (Main Processes and Nitrogen Pools in the Nitrogen Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.2 氮循环的氮通量与平衡 (Nitrogen Fluxes and Balance in the Nitrogen Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.3 人类活动对氮循环的影响与环境效应 (Human Impacts on the Nitrogen Cycle and Environmental Effects)
▮▮▮▮ 6.4 硫循环、磷循环与水循环 (Sulfur Cycle, Phosphorus Cycle, and Water Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.4.1 硫循环 (Sulfur Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.4.2 磷循环 (Phosphorus Cycle)
▮▮▮▮▮▮ 6.4.3 水循环 (Water Cycle)
▮▮ 7. 环境分析化学 (Environmental Analytical Chemistry)
▮▮▮▮ 7.1 环境分析化学概述 (Overview of Environmental Analytical Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.1 环境分析化学的定义与任务 (Definition and Tasks of Environmental Analytical Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.2 环境分析化学的特点与分析过程 (Characteristics and Analytical Process of Environmental Analytical Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.3 环境分析的质量保证与质量控制 (Quality Assurance and Quality Control in Environmental Analysis)
▮▮▮▮ 7.2 环境样品采集与保存 (Environmental Sample Collection and Preservation)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.1 环境样品采样的基本原则与方案设计 (Basic Principles and Sampling Plan Design for Environmental Sample Collection)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.2 大气样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Air Samples)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.3 水样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Water Samples)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.4 土壤样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Soil Samples)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.5 生物样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Biological Samples)
▮▮▮▮ 7.3 样品预处理技术 (Sample Pretreatment Techniques)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.1 样品预处理的目的与基本原则 (Purposes and Basic Principles of Sample Pretreatment)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.2 萃取与浓缩技术 (Extraction and Concentration Techniques)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.3 净化与分离技术 (Clean-up and Separation Techniques)
▮▮▮▮ 7.4 常用的环境分析仪器与方法 (Commonly Used Environmental Analytical Instruments and Methods)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.1 光谱分析法 (Spectroscopic Analysis Methods)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.2 色谱分析法 (Chromatographic Analysis Methods)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.3 质谱分析法 (Mass Spectrometric Analysis Methods)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.4 电化学分析法 (Electrochemical Analysis Methods)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.5 生物分析方法 (Bioanalytical Methods)
▮▮ 8. 环境毒理学与生态毒理学 (Environmental Toxicology and Ecotoxicology)
▮▮▮▮ 8.1 环境毒理学概述 (Overview of Environmental Toxicology)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.1 环境毒理学的定义与范畴 (Definition and Scope of Environmental Toxicology)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.2 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxic Action)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.3 剂量-反应关系与毒性评价 (Dose-Response Relationship and Toxicity Assessment)
▮▮▮▮ 8.2 生态毒理学 (Ecotoxicology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.1 生态毒理学的定义与范畴 (Definition and Scope of Ecotoxicology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.2 生态毒性效应 (Ecotoxic Effects)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.3 生态风险评估与管理 (Ecological Risk Assessment and Management)
▮▮▮▮ 8.3 环境污染物毒性案例分析 (Case Studies of Environmental Pollutant Toxicity)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.1 重金属的毒性案例分析 (Case Studies of Heavy Metal Toxicity)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.2 持久性有机污染物 (POPs) 的毒性案例分析 (Case Studies of Persistent Organic Pollutants (POPs) Toxicity)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.3 农药的毒性案例分析 (Case Studies of Pesticide Toxicity)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.4 新兴污染物的毒性案例分析 (Case Studies of Emerging Pollutant Toxicity)
▮▮ 9. 绿色化学与环境可持续发展 (Green Chemistry and Environmental Sustainability)
▮▮▮▮ 9.1 绿色化学基本原则与实践 (Basic Principles and Practices of Green Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.1 绿色化学的定义与12项基本原则 (Definition and 12 Principles of Green Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.2 绿色化学在化工生产中的应用 (Applications of Green Chemistry in Chemical Production)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.3 绿色化学在环境污染控制中的应用 (Applications of Green Chemistry in Environmental Pollution Control)
▮▮▮▮ 9.2 环境可持续发展理念与战略 (Concepts and Strategies of Environmental Sustainability)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.1 环境可持续发展的定义与核心理念 (Definition and Core Concepts of Environmental Sustainability)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.2 环境可持续发展的基本原则与战略目标 (Basic Principles and Strategic Goals of Environmental Sustainability)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.3 环境可持续发展的实现途径 (Approaches to Achieve Environmental Sustainability)
▮▮▮▮ 9.3 清洁生产与循环经济 (Cleaner Production and Circular Economy)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.1 清洁生产的定义、原则与实施 (Definition, Principles, and Implementation of Cleaner Production)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.2 清洁生产的关键技术 (Key Technologies for Cleaner Production)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.3 循环经济的理念与模式 (Concepts and Models of Circular Economy)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.4 循环经济的发展路径与政策支持 (Development Paths and Policy Support for Circular Economy)
▮▮▮▮ 9.4 环境友好材料与技术 (Environmentally Friendly Materials and Technologies)
▮▮▮▮▮▮ 9.4.1 环境友好材料的类型与特点 (Types and Characteristics of Environmentally Friendly Materials)
▮▮▮▮▮▮ 9.4.2 环境友好材料的应用 (Applications of Environmentally Friendly Materials)
▮▮▮▮▮▮ 9.4.3 环境友好技术的分类与发展趋势 (Classification and Development Trends of Environmentally Friendly Technologies)
▮▮▮▮ 9.5 环境管理与环境政策 (Environmental Management and Environmental Policy)
▮▮▮▮▮▮ 9.5.1 环境管理的基本概念与环境管理体系 (Basic Concepts of Environmental Management and Environmental Management Systems)
▮▮▮▮▮▮ 9.5.2 环境政策的类型与环境法律法规 (Types of Environmental Policies and Environmental Laws and Regulations)
▮▮▮▮▮▮ 9.5.3 环境经济政策工具 (Environmental Economic Policy Instruments)
▮▮ 10. 环境化学前沿与展望 (Frontiers and Prospects of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮ 10.1 新兴污染物研究前沿 (Frontiers in Emerging Pollutant Research)
▮▮▮▮▮▮ 10.1.1 微塑料的环境行为与生态效应 (Environmental Behavior and Ecological Effects of Microplastics)
▮▮▮▮▮▮ 10.1.2 纳米材料的环境风险与管理 (Environmental Risks and Management of Nanomaterials)
▮▮▮▮▮▮ 10.1.3 抗生素的环境污染与抗性传播 (Environmental Pollution of Antibiotics and Antibiotic Resistance Spread)
▮▮▮▮▮▮ 10.1.4 内分泌干扰物 (EDCs) 的环境效应与健康风险 (Environmental Effects and Health Risks of Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs))
▮▮▮▮▮▮ 10.1.5 全氟化合物 (PFAS) 的环境污染与健康影响 (Environmental Pollution and Health Impacts of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS))
▮▮▮▮ 10.2 全球环境变化与环境化学 (Global Environmental Change and Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 10.2.1 全球气候变化的环境化学机制与减缓策略 (Environmental Chemical Mechanisms and Mitigation Strategies for Global Climate Change)
▮▮▮▮▮▮ 10.2.2 臭氧层破坏的环境化学过程与修复技术 (Environmental Chemical Processes and Remediation Technologies for Ozone Layer Depletion)
▮▮▮▮▮▮ 10.2.3 生物多样性丧失的环境化学驱动因素与保护对策 (Environmental Chemical Drivers and Conservation Strategies for Biodiversity Loss)
▮▮▮▮ 10.3 环境健康与人类福祉 (Environmental Health and Human Well-being)
▮▮▮▮▮▮ 10.3.1 环境污染与人类健康效应 (Environmental Pollution and Human Health Effects)
▮▮▮▮▮▮ 10.3.2 环境健康风险评估与管理 (Environmental Health Risk Assessment and Management)
▮▮▮▮▮▮ 10.3.3 环境与健康协同管理 (Synergistic Management of Environment and Health)
▮▮▮▮ 10.4 环境化学学科发展展望 (Prospects for the Development of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 10.4.1 环境化学学科交叉与融合 (Interdisciplinary and Integrated Development of Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 10.4.2 环境化学技术创新与应用 (Technological Innovation and Application in Environmental Chemistry)
▮▮▮▮▮▮ 10.4.3 环境化学人才培养与国际合作 (Talent Cultivation and International Cooperation in Environmental Chemistry)
▮▮ 附录A: 常用环境化学术语中英文对照 (Glossary of Common Environmental Chemistry Terms)
▮▮ 附录B: 环境化学常用数据与常数 (Common Data and Constants in Environmental Chemistry)
▮▮ 附录C: 环境化学相关法规与标准 (Environmental Chemistry Related Regulations and Standards)
1. 绪论 (Introduction to Environmental Chemistry)
本章介绍环境化学的定义、研究范畴、学科发展历程及其重要性，旨在为读者构建环境化学的基本框架，并激发学习兴趣。
1.1 环境化学的定义与范畴 (Definition and Scope of Environmental Chemistry)
明确环境化学的定义，阐述其研究对象、研究内容和学科特点，以及在环境保护中的作用。
1.1.1 环境的定义与组成 (Definition and Components of the Environment)
“环境 (environment)” 是一个复杂而多维的概念，广义上指的是环绕着人类及其他生物的一切外部条件的总和。这些条件影响着生物的生存和发展，也塑造着人类社会的生活方式和文明进程。为了更系统地理解环境，我们可以从其定义和组成两个方面进行深入解析。
① 环境的定义
从生态学的角度来看，环境是指生物体或生物群体周围的空间以及其中直接或间接影响生物生存和发展的各种外界条件的总和。这些条件可以是物理的、化学的、生物的以及社会经济的。环境并非静止不变，而是动态的，它随着时间和空间的变化而变化，并且不同类型的生物所处的环境也各有特点。
从人类社会角度出发，环境的概念更为广泛，它不仅包括影响人类生存的自然因素，还涵盖了社会、经济、文化等多个层面。因此，我们可以将环境定义为：以人类为中心的、由自然环境和社会环境相互交织而成的复杂系统，是人类赖以生存和发展的物质基础和空间场所。
② 环境的组成
为了更清晰地理解环境的内涵，通常将其划分为两大组成部分：自然环境 (natural environment) 和 社会环境 (social environment)。
⚝ 自然环境 (natural environment)：指的是未经人类大规模改造的、天然存在的环境要素的总和。它主要包括以下几个基本要素：
▮▮▮▮⚝ 大气 (atmosphere)：包围地球的气体圈层，是地球生命活动不可或缺的组成部分。大气层不仅为生物提供呼吸所需的氧气，还调节地球的气候和温度，阻挡有害的宇宙射线。大气的主要成分包括氮气 (N\( _2 \))、氧气 (O\( _2 \))、氩气 (Ar)、二氧化碳 (CO\( _2 \)) 等，以及微量的其他气体和气溶胶。
▮▮▮▮⚝ 水 (hydrosphere)：地球表面的水体总称，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、地下水等。水是生命之源，参与地球上几乎所有的生物化学过程，对气候调节、物质循环具有重要作用。水的化学性质独特，如高极性、氢键等，使其成为优良的溶剂和反应介质。
▮▮▮▮⚝ 土壤 (soil)：陆地表面具有一定肥力、能够生长植物的疏松表层。土壤是岩石风化和生物作用的产物，是陆地生态系统的基础。土壤由矿物质、有机质、水分、空气和生物组成，具有复杂的物理、化学和生物学性质，是污染物的重要受体和转化场所。
▮▮▮▮⚝ 生物 (biosphere)：地球上所有生物及其生存环境的总称，包括植物、动物、微生物等。生物通过物质循环和能量流动与环境相互作用，是环境的重要组成部分，也是环境质量的重要指示器。生物体内的化学过程，如光合作用、呼吸作用、生物降解等，深刻影响着环境的化学组成和性质。
▮▮▮▮⚝ 岩石圈 (lithosphere)：地球的固体外壳，主要由岩石和矿物组成。岩石圈是地球物质循环的重要组成部分，通过风化、侵蚀等地质作用，与大气圈、水圈和生物圈相互作用。岩石和矿物的化学组成直接影响土壤和水体的化学背景值。
⚝ 社会环境 (social environment)：指的是人类在自然环境基础上，通过社会活动所创造和构建的环境要素的总和。它主要包括：
▮▮▮▮⚝ 经济环境 (economic environment)：指经济发展水平、产业结构、资源利用方式、消费模式等经济活动相关的环境要素。经济活动是环境污染的重要来源，同时也为环境保护提供物质基础和技术手段。
▮▮▮▮⚝ 政治环境 (political environment)：指政府的环境政策、法律法规、环境管理体制、国际环境合作等政治因素。政治环境对环境保护起着决定性的导向和保障作用。
▮▮▮▮⚝ 文化环境 (cultural environment)：指社会文化传统、价值观念、伦理道德、生活方式、教育水平等文化因素。文化环境影响着公众的环境意识和行为模式，是环境保护的社会基础。
▮▮▮▮⚝ 技术环境 (technological environment)：指科技发展水平、环保技术研发与应用、信息技术等技术因素。技术进步为解决环境问题提供重要的工具和手段。
▮▮▮▮⚝ 人口环境 (population environment)：指人口数量、人口密度、人口结构、人口素质等人口因素。人口压力是环境问题的重要驱动因素之一，人口素质的提高则有助于环境保护。
③ 自然环境与社会环境的相互关系
自然环境和社会环境并非孤立存在，而是相互依存、相互影响、相互作用的统一整体。
⚝ 自然环境是社会环境的基础：人类社会的一切活动都离不开自然环境提供的物质资源和空间场所。自然环境质量直接影响人类的生存和发展，是社会环境存在和发展的前提。
⚝ 社会环境反作用于自然环境：人类的社会活动，特别是经济活动，深刻地影响着自然环境。不合理的开发利用自然资源、工业生产排放污染物、城市化进程等都可能导致环境污染和生态破坏，反过来制约社会经济的可持续发展。
⚝ 二者相互耦合，构成复杂环境系统：自然环境和社会环境相互交织、相互耦合，形成复杂的环境系统。环境问题往往是自然因素和社会因素共同作用的结果，解决环境问题需要综合考虑自然和社会两个方面的因素，采取系统性的解决方案。
理解环境的定义和组成，有助于我们从整体和系统的角度认识环境问题，为后续深入学习环境化学奠定基础。环境化学正是研究自然环境和社会环境中化学物质的组成、行为、转化、效应及其控制的科学，旨在运用化学原理和方法解决环境问题，保护环境质量，实现人与自然的和谐共生。
1.1.2 环境化学的研究对象与任务 (Research Objects and Tasks of Environmental Chemistry)
环境化学 (environmental chemistry) 是一门研究有害化学物质在环境中的来源、迁移、转化、归趋、效应及其控制的科学。其核心研究对象是污染物 (pollutants)，以及由人类活动或自然过程释放到环境中的、对人类健康和生态系统产生不利影响的化学物质。环境化学的任务和目标可以概括为以下几个方面：
① 识别与解析环境污染物
⚝ 识别环境污染物种类：环境化学的首要任务是识别环境中存在的各种污染物。随着工业发展和新技术的应用，新的化学物质不断涌现，许多物质进入环境后可能成为新型污染物。环境化学需要运用分析化学、有机化学、毒理学等知识，识别和筛选出环境中潜在的污染物，特别是那些具有持久性、生物累积性、毒性 (PBT) 的物质，以及新兴污染物 (emerging pollutants)，如内分泌干扰物 (endocrine disrupting chemicals, EDCs)、药物和个人护理品 (pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)、微塑料 (microplastics) 等。
⚝ 解析污染物化学性质：深入研究污染物的化学结构、理化性质 (如溶解度、挥发性、吸附性、氧化还原性等) 和反应活性。了解污染物的化学性质是理解其环境行为和效应的基础。例如，持久性有机污染物 (persistent organic pollutants, POPs) 的特点是难降解、脂溶性强，因此容易在环境中持久存在并富集在生物体内。重金属 (heavy metals) 则具有生物毒性，且在环境中形态多样，迁移转化复杂。
⚝ 确定污染物来源与排放特征：查明污染物的自然来源 (如火山爆发、森林火灾、生物代谢等) 和人为来源 (如工业排放、农业活动、交通运输、生活污染等)。区分污染物的来源有助于制定针对性的控制措施。同时，还需要研究污染物的排放量、排放方式、排放时间等特征，为污染源解析和减排提供依据。
② 探究污染物在环境中的行为与过程
⚝ 研究污染物在环境介质中的迁移与扩散：环境介质主要包括大气、水、土壤、生物等。污染物从排放源释放后，会在不同环境介质中迁移和扩散。环境化学需要研究污染物在大气中的输送、沉降，在水体中的溶解、稀释、扩散，在土壤中的吸附、解吸、淋溶，以及在生物体内的吸收、分布、蓄积等过程。理解污染物的迁移规律，有助于预测污染范围和影响程度。
⚝ 解析污染物在环境中的化学转化与生物转化：污染物在环境中并非一成不变，会发生各种化学反应和生物转化。例如，有机污染物可能发生光解、氧化、水解、生物降解等反应，重金属可能发生氧化还原、络合、沉淀等反应。环境化学需要研究这些转化反应的类型、速率、机制和影响因素，揭示污染物在环境中的归趋和最终产物。有些污染物经过转化后毒性降低，实现解毒；但也有些污染物转化后毒性增强，产生二次污染。
⚝ 构建污染物环境行为模型：基于污染物在环境中的迁移转化规律，建立数学模型，模拟和预测污染物在环境中的浓度分布、时空变化和长期趋势。环境行为模型是环境风险评估和管理的重要工具，可以为污染控制和决策提供科学依据。
③ 评估污染物对环境与健康的影响
⚝ 研究污染物对生物的毒性效应：毒理学是环境化学的重要分支。环境化学需要研究污染物对不同生物 (包括微生物、植物、动物和人类) 的毒性作用机制、毒性剂量-效应关系、毒性靶器官和靶分子。毒性效应评价是环境风险评估的基础。需要关注急性和慢性毒性、致癌性、致畸性、致突变性、生殖毒性、神经毒性、内分泌干扰效应等多种毒性终点。
⚝ 评估污染物对生态系统的影响：生态毒理学研究污染物对生态系统结构和功能的影响。环境化学需要评估污染物对种群数量、群落结构、食物网、生物多样性、生态系统生产力、物质循环等方面的效应。生态系统影响评价需要考虑污染物在生态系统中的累积、放大效应，以及不同物种的敏感性差异。
⚝ 分析污染物对人类健康的风险：环境流行病学和健康风险评估是环境化学的重要应用领域。环境化学需要研究污染物暴露途径 (如呼吸、饮水、食物、皮肤接触等)、暴露剂量、体内代谢过程，以及与人类疾病 (如癌症、呼吸系统疾病、心血管疾病、神经系统疾病、生殖发育障碍等) 的关联性。健康风险评估旨在量化污染物对人群健康的潜在危害，为制定健康保护措施提供依据。
⚝ 评估污染物的环境和社会经济效应：除了生物毒性和生态效应，污染物还会对环境质量 (如空气质量、水质、土壤质量) 产生负面影响，并可能引发社会经济问题，如资源损失、生产力下降、健康支出增加、社会不稳定等。环境化学需要综合评估污染物的环境、健康和社会经济效应，为环境管理和决策提供全面信息。
④ 研发环境污染控制与修复技术
⚝ 开发污染物减排与清洁生产技术：从源头控制是解决环境污染问题的根本途径。环境化学需要运用绿色化学原理，研发清洁生产工艺，减少工业生产、农业活动等过程中的污染物产生和排放。例如，开发低毒或无毒的替代品、优化反应路线、提高资源利用效率、减少废物产生等。
⚝ 研发污染物去除与治理技术：针对已排放到环境中的污染物，需要研发高效、经济、环境友好的去除和治理技术。环境化学需要研究物理、化学、生物等多种方法，如吸附、过滤、沉淀、氧化还原、生物降解、植物修复等，用于大气污染控制、水污染治理、土壤修复、固体废物处理等。
⚝ 发展环境监测与预警技术：环境监测是环境保护的基础。环境化学需要研发灵敏、快速、准确、自动化的环境监测技术和仪器，用于实时监测环境中污染物的浓度、分布和变化趋势。发展环境预警系统，可以及时发现和预警突发环境污染事件，为应急响应和污染控制提供支持。
⑤ 服务于环境管理与政策制定
⚝ 为环境标准制定提供科学依据：环境质量标准和污染物排放标准是环境管理的重要工具。环境化学的研究成果，如污染物毒性数据、环境基准值、环境行为模型等，可以为环境标准的制定提供科学依据，确保标准的科学性和合理性。
⚝ 为环境影响评价提供技术支撑：环境影响评价 (EIA) 是预防环境污染和生态破坏的重要手段。环境化学可以为EIA提供污染物排放预测、环境质量模拟、健康风险评估等技术支撑，为建设项目环境可行性论证和环境保护措施制定提供科学依据。
⚝ 为环境政策制定提供决策支持：环境政策是解决环境问题的宏观指导。环境化学的研究成果可以为政府制定环境政策提供决策支持，例如，为污染物总量控制、排污许可制度、环境经济政策、环境法律法规等提供科学依据和技术方案。
总之，环境化学是一门应用性很强的学科，其研究对象和任务紧密围绕着解决现实环境问题，服务于环境保护和可持续发展。随着环境问题的日益复杂和严峻，环境化学的重要性日益凸显，其研究领域不断拓展，技术方法不断创新，为构建美丽中国和人类命运共同体贡献着重要的科学力量。
1.1.3 环境化学与其他学科的关系 (Relationship between Environmental Chemistry and Other Disciplines)
环境化学 (environmental chemistry) 是一门典型的交叉学科，它与许多其他学科相互交叉、相互渗透、相互支撑，共同构成了解决复杂环境问题的知识体系。环境化学的学科特点之一就是其高度的综合性和交叉性。以下将从几个主要学科领域阐述环境化学与其他学科的关系：
① 与化学 (Chemistry) 的关系
化学是环境化学的基础和核心。环境化学的理论基础、研究方法和技术手段都离不开化学的支撑。
⚝ 分析化学 (Analytical Chemistry)：分析化学是环境化学最重要的支撑学科之一。环境化学研究需要对环境样品中的污染物进行定性、定量分析，以了解污染物的种类、浓度、形态等信息。分析化学提供各种分析方法和技术，如光谱分析、色谱分析、质谱分析、电化学分析等，用于环境监测和污染物分析。环境分析化学是分析化学在环境领域的应用和发展。
⚝ 有机化学 (Organic Chemistry)：有机污染物是环境污染的重要组成部分，如持久性有机污染物 (POPs)、挥发性有机物 (VOCs)、多环芳烃 (PAHs)、农药、内分泌干扰物 (EDCs) 等。有机化学提供有机化合物的结构、性质、反应等方面的知识，帮助环境化学家理解有机污染物的环境行为、转化机制和毒性效应。环境有机化学是研究有机污染物在环境中行为和效应的分支。
⚝ 无机化学 (Inorganic Chemistry)：无机污染物也是环境污染的重要来源，如重金属、无机阴阳离子、酸雨等。无机化学提供无机化合物的结构、性质、反应等方面的知识，帮助环境化学家理解无机污染物的环境化学过程，如氧化还原、沉淀溶解、络合等。
⚝ 物理化学 (Physical Chemistry)：物理化学原理，如热力学、动力学、化学平衡、界面化学、胶体化学等，是理解环境化学过程的重要理论基础。例如，热力学原理用于预测环境化学反应的方向和限度，动力学原理用于研究环境化学反应的速率和机制，界面化学和胶体化学原理用于研究污染物在环境介质中的吸附、迁移和聚集行为。
⚝ 绿色化学 (Green Chemistry)：绿色化学是指导环境友好化学品和工艺设计的理念和方法。环境化学与绿色化学密切相关，绿色化学为环境污染的源头控制提供了理论和技术指导，环境化学的研究需求也推动了绿色化学的发展。
② 与生物学 (Biology) 的关系
生物学是环境化学的重要关联学科。生物与环境相互作用，生物过程深刻影响着环境的化学组成和性质，污染物对生物和生态系统产生毒性效应。
⚝ 生态学 (Ecology)：生态学研究生物与环境之间的相互关系，以及生态系统的结构、功能和演变规律。环境化学与生态学紧密结合，形成了生态毒理学 (ecotoxicology) 这门交叉学科。生态毒理学研究污染物对生态系统和生物群落的毒性效应，以及生态风险评估和管理。环境化学的研究需要从生态系统的角度出发，考虑污染物对生态系统的整体影响。
⚝ 微生物学 (Microbiology)：微生物在环境物质循环和污染物降解转化中起着关键作用。微生物学研究微生物的种类、生理、代谢、生态功能等。环境微生物学是研究微生物在环境化学过程中的作用的分支，例如，微生物参与有机污染物的生物降解、重金属的生物转化、生物地球化学循环等。生物修复技术也利用微生物的代谢能力去除污染物。
⚝ 植物学 (Botany) 和动物学 (Zoology)：植物和动物是生态系统的重要组成部分，也是污染物毒性效应的受体。植物学和动物学研究植物和动物的生理、生态、分类等。环境化学需要研究污染物对植物和动物的毒性效应，以及植物修复技术在土壤和水体修复中的应用。
⚝ 毒理学 (Toxicology)：毒理学研究外源化学物对生物体的毒性作用机制、剂量-效应关系、毒性评价等。环境毒理学是毒理学在环境领域的应用，研究环境污染物对人类健康和生物的毒性风险。环境化学需要运用毒理学原理和方法，评估污染物的健康风险和生态风险。
③ 与地理学 (Geography) 的关系
地理学研究地球表层自然要素和人文要素的空间分布、相互作用和演变规律。环境化学与地理学密切相关，共同研究环境问题的空间特征和区域差异。
⚝ 自然地理学 (Physical Geography)：自然地理学研究地球表层自然环境要素 (如气候、水文、地貌、土壤、植被等) 的分布、过程和相互作用。环境化学需要考虑地理环境因素对污染物迁移、转化和分布的影响。例如，气候条件影响大气污染物的扩散和转化，水文条件影响水污染物的输送和稀释，土壤类型影响污染物在土壤中的吸附和迁移。
⚝ 人文地理学 (Human Geography)：人文地理学研究人类活动与地理环境的关系，如人口分布、城市化、工业布局、土地利用等。人类活动是环境污染的主要来源，人文地理学可以帮助环境化学家理解污染源的空间分布和排放特征，以及社会经济因素对环境问题的影响。
⚝ 环境地理学 (Environmental Geography)：环境地理学是地理学与环境科学的交叉学科，研究环境问题的空间格局、区域差异、环境演变和可持续发展。环境化学与环境地理学共同研究区域环境问题，如区域大气污染、流域水污染、土壤污染的空间分布和成因，以及区域环境规划和管理。
⚝ 地理信息系统 (GIS) 和遥感 (RS)：GIS和RS是地理学的重要技术手段，也广泛应用于环境化学研究。GIS可以用于环境数据的空间分析、制图和可视化，RS可以用于环境监测和污染源识别。环境化学可以利用GIS和RS技术，进行区域环境质量评价、污染源空间分析、环境风险评估和环境管理决策。
④ 与工程学 (Engineering) 的关系
工程学是应用科学知识解决实际问题的学科。环境工程学是工程学在环境领域的应用，与环境化学密切合作，共同解决环境污染问题。
⚝ 环境工程学 (Environmental Engineering)：环境工程学主要研究环境污染控制与治理技术，如大气污染控制工程、水污染控制工程、固体废物处理工程、土壤修复工程等。环境化学为环境工程学提供污染物性质、环境行为、毒性效应等基础知识，环境工程学则将环境化学的研究成果应用于污染控制和治理工程实践。环境化学家和环境工程师密切合作，共同研发和应用环境友好技术。
⚝ 化学工程学 (Chemical Engineering)：化学工程学研究化学工业生产过程的规律和工程技术。化学工程原理和技术可以应用于清洁生产工艺的开发，减少工业生产过程中的污染物产生和排放。环境化学与化学工程学合作，推动化工产业的绿色化转型。
⚝ 材料科学与工程 (Materials Science and Engineering)：环境友好材料的研发是环境化学和材料科学与工程共同关注的领域。环境友好材料，如可降解塑料、生物基材料、环境净化材料等，可以减少环境污染，促进资源循环利用。环境化学家和材料科学家合作，开发新型环境友好材料，并研究其环境应用。
⑤ 与其他学科的关系
除了上述主要学科，环境化学还与其他学科存在密切联系：
⚝ 数学 (Mathematics) 和统计学 (Statistics)：数学和统计学是环境化学研究的重要工具。数学模型用于模拟和预测污染物在环境中的行为和效应，统计学方法用于环境数据的分析和处理，以及环境风险评估。
⚝ 计算机科学 (Computer Science) 和信息科学 (Information Science)：计算机技术和信息技术在环境化学研究中得到广泛应用。例如，计算机模拟用于污染物环境行为预测，数据库和信息系统用于环境数据管理和共享，人工智能技术用于环境监测和污染预警。
⚝ 法学 (Law) 和经济学 (Economics)：环境法学研究环境法律法规，环境经济学研究环境经济政策。环境化学的研究成果可以为环境法律法规和环境经济政策的制定提供科学依据，环境法律法规和环境经济政策也为环境保护提供制度保障和经济激励。
⚝ 社会学 (Sociology) 和伦理学 (Ethics)：环境问题不仅是科学问题，也是社会问题和伦理问题。社会学研究社会因素对环境问题的影响，环境伦理学探讨人与自然关系的伦理原则。环境化学需要与社会学和伦理学合作，共同推动环境问题的社会解决和伦理反思。
综上所述，环境化学是一门高度交叉和综合的学科，它与化学、生物学、地理学、工程学等多个学科相互交叉、融合，共同构成了解决复杂环境问题的知识体系。这种学科交叉性是环境化学的特点和优势，也是应对日益复杂和严峻的环境挑战的必然要求。通过加强学科交叉合作，环境化学将不断拓展研究领域，创新技术方法，为实现环境可持续发展做出更大的贡献。
1.2 环境问题的化学基础 (Chemical Basis of Environmental Problems)
从化学视角分析环境问题的根源，探讨污染物产生、迁移、转化和效应的化学机制。
1.2.1 污染物的来源、迁移与转化 (Sources, Migration, and Transformation of Pollutants)
环境问题，从根本上来说，很多都与化学物质的污染密切相关。理解环境问题的化学基础，首先需要从污染物的来源 (sources)、迁移 (migration) 与转化 (transformation) 这三个关键环节入手，深入剖析环境污染的化学机制。
① 污染物的来源 (Sources of Pollutants)
污染物进入环境的来源多种多样，可以根据其成因分为自然来源 (natural sources) 和人为来源 (anthropogenic sources) 两大类。
⚝ 自然来源 (Natural Sources)：自然界本身也会产生一些化学物质，在特定条件下可能构成环境污染。但通常情况下，自然来源的污染物排放量相对较小，且环境系统具有一定的自净能力，能够维持生态平衡。主要的自然来源包括：
▮▮▮▮⚝ 火山爆发 (Volcanic Eruptions)：火山爆发会释放大量的火山灰、二氧化硫 (SO\( _2 \))、硫化氢 (H\( _2 \)S)、二氧化碳 (CO\( _2 \))、氯化氢 (HCl) 等气体和颗粒物到大气中，造成大气污染，甚至引发酸雨、气候变化等环境问题。
▮▮▮▮⚝ 森林火灾 (Forest Fires)：森林火灾会产生大量的烟尘、一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO\( _2 \))、氮氧化物 (NO\( _x \))、挥发性有机物 (VOCs) 等污染物，影响空气质量，破坏森林生态系统。
▮▮▮▮⚝ 土壤风化与侵蚀 (Soil Weathering and Erosion)：土壤风化和侵蚀过程会释放土壤中的重金属、矿物质、营养盐等物质到水体和大气中，可能导致水体富营养化、土壤重金属污染等问题。
▮▮▮▮⚝ 生物代谢 (Biological Metabolism)：生物代谢过程会产生一些挥发性有机物 (VOCs)，如植物释放的异戊二烯、微生物产生的甲烷 (CH\( _4 \))、硫化氢 (H\( _2 \)S) 等。这些物质在一定浓度下可能影响空气质量和气候变化。
▮▮▮▮⚝ 宇宙尘埃 (Cosmic Dust)：宇宙尘埃进入大气层，可能携带一些重金属和有机物，对大气成分产生微小影响。
▮▮▮▮⚝ 天然放射性 (Natural Radioactivity)：自然界中存在天然放射性元素，如铀 (U)、钍 (Th)、镭 (Ra) 等，其衰变产生的放射性物质可能对环境和生物产生辐射影响。
⚝ 人为来源 (Anthropogenic Sources)：人为来源是当前环境污染的主要来源，特别是工业革命以来，人类活动强度和规模不断扩大，导致污染物排放量急剧增加，对环境造成了严重的压力。主要的人为来源包括：
▮▮▮▮⚝ 工业排放 (Industrial Emissions)：工业生产是重要的污染源。不同行业排放的污染物种类繁多，包括废气 (如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、VOCs、重金属烟尘等)、废水 (如重金属废水、有机废水、酸碱废水等)、固体废物 (如工业废渣、危险废物等)。工业排放是大气污染、水污染、土壤污染和固体废物污染的主要来源。
▮▮▮▮⚝ 农业活动 (Agricultural Activities)：农业活动也会产生多种污染物。化肥和农药的过量使用会导致土壤和水体污染，如硝酸盐污染、农药残留污染、富营养化等。畜禽养殖业产生大量的粪便和废水，可能造成水体和土壤污染，以及氨气、硫化氢等恶臭气体污染。农膜使用不当会造成土壤“白色污染”。
▮▮▮▮⚝ 交通运输 (Transportation)：汽车、飞机、轮船等交通工具排放的尾气是城市大气污染的重要来源，主要污染物包括一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、颗粒物等。交通噪声也是城市环境问题之一。
▮▮▮▮⚝ 生活污染 (Domestic Pollution)：城市生活排放的污水 (生活污水) 和垃圾 (生活垃圾) 是重要的污染源。生活污水主要含有有机物、氮磷营养盐、病原微生物等，未经处理排放会造成水体污染。生活垃圾处理不当会造成二次污染，如垃圾渗滤液污染、焚烧产生的二噁英污染等。
▮▮▮▮⚝ 能源利用 (Energy Utilization)：化石燃料 (煤炭、石油、天然气) 的燃烧是大气污染和温室气体排放的主要来源。燃煤电厂、工业锅炉、民用燃煤等排放二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、二氧化碳等污染物。核能利用可能产生放射性污染。
▮▮▮▮⚝ 其他人为活动：如矿产开采、冶炼、建筑施工、餐饮服务、医疗卫生等行业，以及军事活动、科研实验等，也可能产生不同类型的污染物。
② 污染物的迁移 (Migration of Pollutants)
污染物从排放源释放后，会在不同的环境介质 (大气、水、土壤、生物) 之间迁移和扩散。污染物的迁移途径和速率受多种因素影响，包括污染物的理化性质、环境介质的特性、气象条件、水文条件、地质条件等。主要的迁移途径包括：
⚝ 大气迁移 (Atmospheric Migration)：大气是污染物远距离迁移的重要介质。气态污染物和细颗粒物可以通过大气环流输送到全球各地，造成区域性甚至全球性污染。大气迁移的主要方式包括：
▮▮▮▮⚝ 扩散 (Diffusion)：污染物在空气中由高浓度区域向低浓度区域扩散，是污染物在大气中混合和稀释的主要方式。
▮▮▮▮⚝ 对流 (Convection)：大气环流、风等气流运动带动污染物水平和垂直方向迁移。
▮▮▮▮⚝ 沉降 (Deposition)：颗粒物在重力作用下沉降到地面，气态污染物也可能通过干沉降 (直接吸附到地表) 或湿沉降 (随降水沉降) 方式迁移到地表。
⚝ 水体迁移 (Aquatic Migration)：水体是污染物重要的迁移通道。污染物可以通过河流、湖泊、海洋、地下水等水体迁移扩散，造成流域性甚至跨区域水污染。水体迁移的主要方式包括：
▮▮▮▮⚝ 溶解与扩散 (Dissolution and Diffusion)：水溶性污染物溶解在水中，随水流扩散迁移。
▮▮▮▮⚝ 水流输送 (Water Flow Transport)：河流、洋流等水流运动带动污染物迁移。
▮▮▮▮⚝ 悬浮物输送 (Suspended Sediment Transport)：污染物吸附在悬浮颗粒物上，随悬浮物一起迁移。
▮▮▮▮⚝ 生物迁移 (Biomigration)：水生生物 (如鱼类、浮游生物) 可以摄取和富集污染物，并通过生物迁徙将污染物输送到其他水域。
⚝ 土壤迁移 (Soil Migration)：土壤是污染物的重要受体和蓄积场所。污染物可以通过土壤孔隙水、土壤颗粒、土壤生物等介质在土壤中迁移。土壤迁移的主要方式包括：
▮▮▮▮⚝ 淋溶 (Leaching)：污染物随降水或灌溉水向下渗透，迁移到土壤深层或地下水中。
▮▮▮▮⚝ 径流 (Runoff)：地表径流将土壤表层污染物冲刷到地表水体中。
▮▮▮▮⚝ 扩散 (Diffusion)：污染物在土壤孔隙中由高浓度区域向低浓度区域扩散。
▮▮▮▮⚝ 生物扰动 (Bioturbation)：土壤动物 (如蚯蚓、昆虫) 的活动可以扰动土壤，促进污染物迁移。
▮▮▮▮⚝ 植物吸收 (Plant Uptake)：植物根系可以吸收土壤中的污染物，并通过植物体内运输将污染物迁移到地上部分。
⚝ 生物迁移 (Biotic Migration)：生物体不仅是污染物的受体，也可以作为污染物迁移的载体。生物迁移主要指污染物在食物链中的传递和富集，以及生物迁徙过程中的污染物输送。
▮▮▮▮⚝ 生物富集 (Bioaccumulation)：生物体从环境中直接吸收和蓄积污染物，导致体内污染物浓度高于环境浓度。
▮▮▮▮⚝ 生物放大 (Biomagnification)：污染物在食物链中逐级传递，随着营养级的升高，生物体内污染物浓度不断增加。
▮▮▮▮⚝ 生物迁徙 (Biological Migration)：迁徙性生物 (如候鸟、洄游鱼类) 在不同区域之间迁徙，可以将污染物从一个区域输送到另一个区域。
③ 污染物的转化 (Transformation of Pollutants)
污染物在环境中并非一成不变，会发生各种化学转化和生物转化。污染物的转化过程可以改变其化学形态、毒性和环境行为。主要的转化过程包括：
⚝ 化学转化 (Chemical Transformation)：指污染物在环境中发生的非生物化学反应，主要包括：
▮▮▮▮⚝ 氧化还原反应 (Redox Reactions)：许多污染物可以发生氧化还原反应，改变其价态和化学性质。例如，硫化物可以被氧化为硫酸盐，硝酸盐可以被还原为氮气，重金属离子可以发生价态转化。
▮▮▮▮⚝ 水解反应 (Hydrolysis)：一些污染物可以与水发生水解反应，断裂化学键，改变分子结构。例如，酯类、酰胺类农药可以发生水解。
▮▮▮▮⚝ 光化学反应 (Photochemical Reactions)：大气中的污染物在太阳光照射下可以发生光化学反应，如光解、光氧化、光异构化等。光化学反应是光化学烟雾形成的重要机制。
▮▮▮▮⚝ 络合反应 (Complexation)：金属离子可以与水中的配体 (如无机阴离子、有机配体) 形成络合物，改变金属离子的溶解性、迁移性和生物有效性。
▮▮▮▮⚝ 吸附解吸 (Adsorption and Desorption)：污染物可以被吸附到土壤、沉积物、悬浮颗粒物等固体介质表面，也可以从固体介质表面解吸出来。吸附解吸过程影响污染物的迁移性和生物有效性。
⚝ 生物转化 (Biotic Transformation)：指生物体 (主要是微生物) 参与的污染物转化过程，也称为生物降解 (biodegradation) 或生物修复 (bioremediation)。生物转化主要包括：
▮▮▮▮⚝ 生物降解 (Biodegradation)：微生物利用自身的代谢能力，将有机污染物分解为无毒或低毒的小分子物质，如二氧化碳、水、无机盐等。生物降解是自然环境中最重要的污染物净化机制之一。
▮▮▮▮⚝ 生物转化 (Biotransformation)：微生物通过酶催化作用，改变污染物的分子结构，使其毒性降低或性质改变。生物转化不一定完全降解污染物，但可以改变其环境行为和效应。
▮▮▮▮⚝ 生物富集与生物放大 (Bioaccumulation and Biomagnification)：一些生物体可以富集和放大污染物，但这也可以被视为一种生物转化过程，因为生物体改变了污染物的分布和浓度。
理解污染物的来源、迁移与转化规律，是环境化学研究的基础，也是制定污染控制和治理策略的关键。环境化学家需要综合运用化学、生物学、地理学等知识，深入研究污染物的环境行为，为解决环境问题提供科学依据和技术支撑。
1.2.2 污染物在环境中的效应 (Effects of Pollutants in the Environment)
污染物进入环境后，会与环境介质和生物体发生相互作用，产生各种各样的效应。这些效应可以从多个层面进行分类和描述，主要包括毒性效应 (toxic effects)、环境效应 (environmental effects) 和社会经济效应 (socio-economic effects)。
① 毒性效应 (Toxic Effects)
毒性效应是指污染物对生物体产生的有害作用。毒性效应是环境污染最直接、最受关注的效应之一。毒性效应可以从不同角度进行分类：
⚝ 按受体分类：
▮▮▮▮⚝ 生物毒性 (Biological Toxicity)：指污染物对生物体 (包括微生物、植物、动物和人类) 产生的毒害作用。生物毒性是环境毒理学和生态毒理学研究的核心内容。
▮▮▮▮⚝ 人体毒性 (Human Toxicity)：指污染物对人类健康产生的危害。人体毒性是环境健康风险评估关注的重点。
▮▮▮▮⚝ 生态毒性 (Ecotoxicity)：指污染物对生态系统和生态过程产生的有害影响。生态毒性是生态风险评估的核心内容。
⚝ 按作用方式分类：
▮▮▮▮⚝ 急性毒性 (Acute Toxicity)：指生物体在短时间内 (通常为24-96小时) 暴露于高浓度污染物后产生的毒性效应。急性毒性通常表现为死亡、急性中毒症状等。
▮▮▮▮⚝ 慢性毒性 (Chronic Toxicity)：指生物体长期 (数周、数月、数年甚至终生) 暴露于低浓度污染物后产生的毒性效应。慢性毒性通常表现为生长抑制、繁殖障碍、免疫功能下降、慢性疾病 (如癌症、神经系统疾病、内分泌紊乱等) 等。
▮▮▮▮⚝ 遗传毒性 (Genotoxicity)：指污染物对生物体遗传物质 (DNA、染色体) 产生的损伤作用，可能导致基因突变、染色体畸变等遗传效应，甚至引发癌症和遗传性疾病。
▮▮▮▮⚝ 致癌性 (Carcinogenicity)：指污染物诱发癌症的能力。致癌污染物是人类健康的重要威胁。
▮▮▮▮⚝ 致畸性 (Teratogenicity)：指污染物导致胚胎或胎儿发育异常，产生先天性畸形的能力。
▮▮▮▮⚝ 致突变性 (Mutagenicity)：指污染物诱发基因突变的能力。致突变污染物可能导致遗传性疾病和癌症。
▮▮▮▮⚝ 内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption)：指某些污染物 (内分泌干扰物，EDCs) 可以干扰生物体内分泌系统的正常功能，影响激素的合成、分泌、运输、代谢和作用，从而产生生殖、发育、免疫、神经等多种不良效应。
⚝ 按毒性效应的可逆性分类：
▮▮▮▮⚝ 可逆性毒性 (Reversible Toxicity)：指污染物引起的毒性效应在停止暴露后可以恢复。
▮▮▮▮⚝ 不可逆性毒性 (Irreversible Toxicity)：指污染物引起的毒性效应在停止暴露后无法完全恢复，甚至造成永久性损伤。例如，神经毒性、遗传毒性、致癌性等往往具有不可逆性。
② 环境效应 (Environmental Effects)
环境效应是指污染物对环境质量和生态环境产生的负面影响。环境效应不仅包括对生物的毒性效应，还包括对非生物环境要素 (如大气、水、土壤) 的影响，以及由此引发的生态系统功能紊乱和环境问题。主要的环境效应包括：
⚝ 大气污染 (Air Pollution)：大气污染物 (如颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、VOCs、臭氧等) 导致空气质量下降，影响人体健康、能见度、气候和生态系统。典型的大气污染问题包括雾霾、酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏、温室效应等。
⚝ 水污染 (Water Pollution)：水污染物 (如有机物、重金属、营养盐、病原微生物、持久性有机污染物、新兴污染物等) 导致水质恶化，影响饮用水安全、水生生物生存和水生态系统功能。典型水污染问题包括水体富营养化、重金属污染、有机污染、新兴污染物污染等。
⚝ 土壤污染 (Soil Pollution)：土壤污染物 (如重金属、有机污染物、农药、化肥、固体废物等) 导致土壤质量下降，影响土壤肥力、农产品安全和土壤生态系统功能。典型土壤污染问题包括重金属污染、有机污染、农药残留污染、土壤盐渍化、土壤酸化等。
⚝ 生态破坏 (Ecological Degradation)：环境污染和生态破坏往往相互关联、相互促进。环境污染是生态破坏的重要驱动因素之一，生态破坏又会加剧环境污染。生态破坏主要表现为：
▮▮▮▮⚝ 生物多样性丧失 (Biodiversity Loss)：环境污染、栖息地破坏、过度开发等导致物种数量减少、濒危物种增加、生态系统稳定性下降。
▮▮▮▮⚝ 生态系统功能紊乱 (Ecosystem Dysfunction)：环境污染破坏生态系统的物质循环、能量流动和信息传递，导致生态系统生产力下降、稳定性降低、服务功能丧失。
▮▮▮▮⚝ 土地退化 (Land Degradation)：土壤污染、水土流失、沙漠化、盐渍化等导致土地生产力下降、生态环境恶化。
▮▮▮▮⚝ 气候变化 (Climate Change)：温室气体 (如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等) 排放导致全球气候变暖，引发极端天气事件频发、海平面上升、冰川融化、生态系统变化等一系列环境问题。
③ 社会经济效应 (Socio-economic Effects)
环境污染不仅对生物和环境产生负面影响，还会对人类社会经济发展产生广泛而深远的影响。社会经济效应主要包括：
⚝ 健康影响与经济损失：环境污染导致人群健康水平下降，疾病发病率和死亡率升高，医疗卫生支出增加，劳动力损失，生产力下降，造成巨大的经济损失。例如，大气污染导致呼吸系统疾病、心血管疾病、肺癌等发病率升高，水污染导致传染病、消化系统疾病等流行，土壤污染导致农产品质量下降，影响食品安全和农业生产。
⚝ 资源损失与环境退化：环境污染导致自然资源 (如清洁空气、清洁水、肥沃土壤、生物资源等) 质量下降和数量减少，生态系统服务功能 (如水源涵养、气候调节、空气净化、生物多样性保护等) 丧失，环境质量退化，影响社会经济的可持续发展。
⚝ 社会冲突与环境不公：环境污染可能引发社会冲突和环境不公问题。例如，污染企业周边居民健康受损，环境权益受到侵害，可能引发群体性事件和社会矛盾。环境污染往往在经济欠发达地区和弱势群体中更为严重，导致环境不公问题。
⚝ 国际环境问题与全球治理：一些环境问题具有跨国界、全球性特征，如气候变化、臭氧层破坏、生物多样性丧失、跨境污染等。这些问题需要国际社会共同应对，涉及国际政治、经济、外交等多个层面，对全球治理体系提出挑战。
理解污染物在环境中的效应，有助于我们认识环境问题的严重性和复杂性，增强环境保护意识，推动环境污染防治和生态环境保护。环境化学的研究不仅要揭示污染物的环境行为和毒性机制，还要评估污染物的环境效应和社会经济效应，为环境管理和决策提供科学依据，促进环境与经济社会的协调发展。
1.2.3 环境化学的研究方法 (Research Methods in Environmental Chemistry)
环境化学 (environmental chemistry) 作为一门交叉学科，其研究方法也具有多样性和综合性。为了深入解析环境污染的化学机制，评估污染物对环境和健康的影响，并研发污染控制与修复技术，环境化学家需要运用多种研究方法，主要包括实验方法 (experimental methods)、分析方法 (analytical methods)、模型方法 (model methods) 和系统分析方法 (system analysis methods)。
① 实验方法 (Experimental Methods)
实验方法是环境化学研究的基础和核心方法之一。通过控制实验条件，模拟环境过程，研究污染物在不同环境介质中的行为、转化和效应。主要的实验方法包括：
⚝ 实验室模拟实验 (Laboratory Simulation Experiments)：在实验室条件下，构建模拟环境系统 (如模拟大气反应器、模拟水体、模拟土壤柱等)，控制温度、湿度、光照、pH值、氧化还原电位等环境因素，研究污染物在模拟环境中的迁移、转化和效应。实验室模拟实验具有可控性强、条件易于调节、结果可靠性高等优点，是研究污染物环境行为和化学机制的重要手段。例如，可以用模拟光化学反应器研究VOCs的光化学降解机理，用模拟土壤柱实验研究重金属在土壤中的淋溶迁移规律。
⚝ 现场实验 (Field Experiments)：在真实的环境条件下，进行污染物释放、迁移、转化和效应的观测和研究。现场实验更接近真实环境，结果更具有实际意义，但现场条件复杂多变，难以精确控制，实验周期长，成本高。现场实验常用于验证实验室研究结果，评估污染控制和修复技术的实际效果。例如，可以在污染场地进行土壤修复现场试验，评估不同修复技术的修复效果和环境影响。
⚝ 控制生态系统实验 (Controlled Ecosystem Experiments)：为了研究污染物对生态系统的影响，可以构建人工控制的生态系统 (如微宇宙、中宇宙、大型生态围隔等)，模拟自然生态系统的结构和功能，控制污染物暴露水平，观测污染物对生态系统结构和功能的影响。控制生态系统实验介于实验室实验和现场实验之间，具有一定的可控性和生态相关性，是研究生态毒理学效应的重要方法。
② 分析方法 (Analytical Methods)
分析方法是环境化学研究的关键技术手段。环境化学研究需要对环境样品 (如大气、水、土壤、生物样品) 中的污染物进行定性、定量分析，以了解污染物的种类、浓度、形态、分布等信息。环境分析方法主要包括：
⚝ 样品采集与预处理 (Sample Collection and Pretreatment)：环境分析的第一步是采集具有代表性的环境样品，并进行必要的预处理，如萃取、浓缩、净化、分离等，以消除干扰，富集待测物，提高分析灵敏度。样品采集和预处理的质量直接影响分析结果的准确性和可靠性。
⚝ 仪器分析方法 (Instrumental Analysis Methods)：利用各种分析仪器，基于物质的物理化学性质，进行污染物定性和定量分析。常用的仪器分析方法包括：
▮▮▮▮⚝ 光谱分析法 (Spectroscopic Analysis Methods)：基于物质与电磁辐射相互作用的原理，进行成分分析。常用的光谱分析法包括紫外-可见分光光度法 (UV-Vis)、荧光分光光度法 (FS)、红外光谱法 (IR)、原子吸收光谱法 (AAS)、原子荧光光谱法 (AFS)、电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-OES)、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 等。光谱分析法具有灵敏度高、选择性好、分析速度快等优点，广泛应用于环境污染物分析。
▮▮▮▮⚝ 色谱分析法 (Chromatographic Analysis Methods)：基于物质在两相之间分配系数的差异，实现物质分离和分析。常用的色谱分析法包括气相色谱法 (GC)、液相色谱法 (LC)、离子色谱法 (IC) 等。色谱分析法具有分离效率高、分析范围广等优点，特别适用于复杂样品中多组分污染物的分离和分析。
▮▮▮▮⚝ 质谱分析法 (Mass Spectrometric Analysis Methods)：基于物质离子质荷比的差异，进行成分分析。质谱分析法具有灵敏度极高、定性能力强、可提供分子结构信息等优点，常与色谱分析法联用 (GC-MS, LC-MS)，用于复杂环境样品中痕量有机污染物的定性和定量分析。
▮▮▮▮⚝ 电化学分析法 (Electrochemical Analysis Methods)：基于物质的电化学性质，进行成分分析。常用的电化学分析法包括pH计、电导率仪、离子选择性电极 (ISE)、极谱法、伏安法等。电化学分析法具有操作简便、成本低廉、可在线监测等优点，常用于水质参数和重金属离子的快速测定。
⚝ 生物分析方法 (Bioanalytical Methods)：利用生物体或生物组分 (如酶、抗体、细胞、微生物等) 的生物活性和特异性，进行污染物分析。生物分析方法具有灵敏度高、选择性好、可反映生物效应等优点，常用于环境毒性检测和生物监测。常用的生物分析方法包括生物传感器、酶联免疫吸附测定 (ELISA)、生物毒性测试等。
③ 模型方法 (Model Methods)
模型方法是环境化学研究的重要辅助手段。通过建立数学模型，模拟和预测污染物在环境中的行为、转化和效应，为环境管理和决策提供科学依据。环境模型主要包括：
⚝ 环境行为模型 (Environmental Fate and Transport Models)：模拟污染物在环境介质中的迁移、扩散、转化和归趋过程，预测污染物在不同时间和空间的浓度分布和变化趋势。环境行为模型可以用于污染源解析、污染范围预测、环境风险评估和污染控制方案优化。常用的环境行为模型包括大气扩散模型、水动力模型、水质模型、土壤污染物迁移模型等。
⚝ 生态毒理学模型 (Ecotoxicological Models)：模拟污染物对生物和生态系统的毒性效应，预测污染物对生物种群、群落和生态系统的影响。生态毒理学模型可以用于生态风险评估、生态保护目标设定和生态修复方案设计。常用的生态毒理学模型包括种群动力学模型、生态系统模型、物种敏感性分布模型等。
⚝ 健康风险评估模型 (Health Risk Assessment Models)：评估污染物对人类健康的风险，预测不同暴露情景下人群的健康风险水平。健康风险评估模型可以用于环境健康管理、健康保护措施制定和环境标准制定。常用的健康风险评估模型包括剂量-反应模型、暴露评估模型、风险表征模型等。
⚝ 全球环境模型 (Global Environmental Models)：模拟全球尺度的环境变化过程，如全球气候变化、全球生物地球化学循环、全球污染物迁移等。全球环境模型可以用于全球环境问题研究、全球环境变化预测和全球环境治理决策。常用的全球环境模型包括全球气候模型、全球碳循环模型、全球大气化学模型等。
④ 系统分析方法 (System Analysis Methods)
系统分析方法是从系统整体的角度，综合考虑环境、经济、社会等多个因素，分析和解决复杂环境问题的方法。系统分析方法强调综合性、整体性、动态性和优化性，常用的系统分析方法包括：
⚝ 生命周期评价 (Life Cycle Assessment, LCA)：评估产品或服务从“摇篮到坟墓”全生命周期内的环境影响，包括资源消耗、能源消耗、污染物排放、生态影响等。LCA可以用于产品环境足迹计算、环境友好产品设计、清洁生产工艺优化和环境政策评估。
⚝ 物质流分析 (Material Flow Analysis, MFA)：分析特定区域或行业物质投入、产出和循环利用情况，揭示物质流动规律，识别资源利用效率低和环境污染严重的环节，为资源节约和污染减排提供决策支持。
⚝ 环境经济核算 (Environmental Economic Accounting)：将环境资源纳入国民经济核算体系，反映环境资源消耗和环境污染损失对经济发展的影响，为绿色GDP核算、环境经济政策制定和可持续发展评价提供依据。
⚝ 风险评估 (Risk Assessment)：系统识别、评估和管理环境风险，包括健康风险、生态风险、社会风险等。风险评估包括风险识别、风险评估、风险管理和风险沟通等环节，为环境风险管理和应急响应提供科学依据。
⚝ 情景分析 (Scenario Analysis)：基于不同的假设条件，构建未来环境发展情景，分析不同情景下的环境影响和发展趋势，为环境规划和政策制定提供前瞻性信息。
环境化学的研究方法是不断发展和完善的。随着科学技术的进步，新的分析仪器、实验技术、模型方法和系统分析方法不断涌现，为环境化学研究提供了更加强大的工具和手段。环境化学家需要根据研究目的和问题特点，灵活运用各种研究方法，深入解析环境污染的化学机制，为解决环境问题、保护环境质量、实现可持续发展做出贡献。
1.3 环境化学的发展历程与展望 (Development History and Future Trends of Environmental Chemistry)
回顾环境化学的发展阶段，总结学科发展特点，展望未来的发展趋势和研究方向。
1.3.1 环境化学的早期发展 (Early Development of Environmental Chemistry)
环境化学 (environmental chemistry) 作为一门独立的学科，其发展历程可以追溯到19世纪末20世纪初。在工业革命的推动下，环境污染问题开始显现，人们逐渐认识到化学物质在环境污染中的作用，并开始运用化学知识和方法研究环境问题。环境化学的早期发展阶段，可以概括为萌芽阶段和初步发展阶段。
① 萌芽阶段 (Late 19th Century - Early 20th Century)
⚝ 背景：19世纪末20世纪初，随着工业化进程加快，城市人口迅速增长，工业生产规模扩大，燃煤量增加，城市大气污染和水污染问题日益突出。伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾等早期环境污染事件引起了社会关注。
⚝ 主要特点：
▮▮▮▮⚝ 环境问题的化学研究开始萌芽：一些化学家开始关注环境污染问题，运用化学知识研究污染物成分、来源和转化。例如，对酸雨、烟雾、工业废水等进行化学分析，识别污染物种类和浓度。
▮▮▮▮⚝ 分析化学在环境研究中发挥作用：分析化学方法开始应用于环境样品分析，如重量分析、容量分析、比色分析等，用于测定大气、水体中的主要污染物，如二氧化硫、颗粒物、重金属等。
▮▮▮▮⚝ 环境化学概念尚未形成：此时期，环境化学尚未形成独立的学科体系，环境问题的化学研究分散在化学、公共卫生、工程学等学科领域。
⚝ 代表性研究：
▮▮▮▮⚝ 对伦敦烟雾事件的化学研究：19世纪末以来，伦敦频繁发生严重的烟雾事件，造成大量人员死亡。化学家对伦敦烟雾的成分进行分析，发现主要污染物是煤烟、二氧化硫和硫酸雾，揭示了燃煤是伦敦烟雾的主要来源。
▮▮▮▮⚝ 对早期酸雨现象的化学研究：19世纪中期，英国化学家罗伯特·安格斯·史密斯 (Robert Angus Smith) 首次提出“酸雨”概念，并对英国工业区降水的酸度进行测定，发现工业区降水呈酸性，并与大气污染有关。
▮▮▮▮⚝ 对饮用水消毒的化学研究：19世纪末20世纪初，氯气消毒技术开始应用于饮用水处理，有效控制了饮用水传播的疾病，提高了饮用水安全水平。化学家研究了氯气消毒的化学原理和应用技术。
② 初步发展阶段 (1940s - 1960s)
⚝ 背景：二战后，化学工业和石油化工快速发展，新型化学物质大量涌现，环境污染类型更加复杂，有机污染物、持久性污染物、新兴污染物等问题开始显现。公众环境意识逐渐觉醒，环境保护运动兴起。
⚝ 主要特点：
▮▮▮▮⚝ 环境化学学科雏形显现：一些化学家开始系统地研究环境污染的化学问题，环境化学的概念和学科框架开始形成。
▮▮▮▮⚝ 有机污染物研究受到重视：随着有机化学的发展，有机污染物 (如农药、石油烃、多氯联苯等) 的环境问题受到重视，有机污染物分析方法和环境行为研究开始发展。
▮▮▮▮⚝ 仪器分析技术开始应用：色谱分析、光谱分析等现代仪器分析技术开始应用于环境分析，提高了环境监测的灵敏度和准确性。
▮▮▮▮⚝ 环境毒理学研究起步：人们开始关注污染物对生物的毒性效应，环境毒理学研究起步，研究污染物对生物的急性毒性和慢性毒性。
⚝ 代表性事件与研究：
▮▮▮▮⚝ 洛杉矶光化学烟雾事件 (1940s-1950s)：洛杉矶频繁发生光化学烟雾事件，严重影响城市空气质量和居民健康。化学家研究了光化学烟雾的形成机制，揭示了汽车尾气中的碳氢化合物和氮氧化物在阳光照射下发生光化学反应，生成臭氧、PAN等二次污染物。
▮▮▮▮⚝ 滴滴涕 (DDT) 的环境问题：二战后，DDT作为高效杀虫剂被广泛应用，但其持久性和生物富集性问题逐渐显现，对生态环境和人类健康造成潜在威胁。蕾切尔·卡逊 (Rachel Carson) 的著作《寂静的春天》(Silent Spring, 1962) 揭露了DDT的环境危害，引发了公众对持久性有机污染物 (POPs) 的关注。
▮▮▮▮⚝ 水俣病事件 (1950s-1960s)：日本水俣湾发生严重的水俣病事件，造成大量居民神经系统损伤。化学家研究发现，水俣病是由工业废水排放的汞 (Hg) 污染造成的，甲基汞通过食物链富集，导致人体汞中毒。水俣病事件警示了重金属污染的严重危害。
▮▮▮▮⚝ 环境分析化学方法的发展：气相色谱 (GC)、液相色谱 (LC)、紫外-可见分光光度法 (UV-Vis)、原子吸收光谱法 (AAS) 等仪器分析技术在环境分析中得到应用，提高了环境监测能力。
环境化学的早期发展阶段，为学科的建立和发展奠定了基础。早期的环境化学研究主要集中在识别污染物种类、分析污染物浓度、研究污染物来源和转化、评估污染物毒性效应等方面。虽然此时期环境化学学科体系尚未完善，但其研究成果为认识环境污染问题、推动环境保护事业发展做出了重要贡献。
1.3.2 环境化学的快速发展 (Rapid Development of Environmental Chemistry)
环境化学 (environmental chemistry) 在20世纪中后期迎来了快速发展时期 (1970s - 20世纪末)。这一时期，全球环境问题日益突出，公众环境意识普遍提高，环境保护运动蓬勃发展，政府和学术界对环境化学的重视程度显著提升，推动了环境化学学科的快速发展和成熟。
① 快速发展阶段 (1970s - 20世纪末)
⚝ 背景：20世纪60-70年代，全球环境问题集中爆发，如大气污染、水污染、土壤污染、酸雨、臭氧层破坏、全球气候变化等。一系列重大环境事件 (如伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、水俣病事件、切尔诺贝利核事故等) 震惊世界，引发了公众对环境问题的广泛关注和深刻反思。1972年联合国人类环境会议 (斯德哥尔摩会议) 的召开，标志着全球环境保护事业进入新阶段。
⚝ 主要特点：
▮▮▮▮⚝ 环境化学学科体系基本建立：环境化学作为一门独立的学科得到确立和发展，学科体系逐步完善，研究领域不断拓展，分支学科不断涌现。
▮▮▮▮⚝ 研究领域拓展与深化：研究对象从传统污染物 (如SO\( _2 \)、NO\( _x \)、颗粒物、重金属、有机污染物等) 扩展到新兴污染物 (如持久性有机污染物 (POPs)、内分泌干扰物 (EDCs)、二噁英、多氯联苯等)，研究内容从污染物分析、环境行为、毒性效应扩展到污染控制、环境修复、绿色化学、环境可持续发展等。
▮▮▮▮⚝ 分析技术进步与应用：环境分析技术快速发展，气相色谱-质谱联用 (GC-MS)、液相色谱-质谱联用 (LC-MS)、电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS) 等高灵敏度、高选择性、高通量分析技术广泛应用于环境监测和污染物分析，提高了环境化学研究水平。
▮▮▮▮⚝ 模型方法和系统分析方法兴起：环境模型方法 (如环境行为模型、生态毒理学模型、健康风险评估模型等) 和系统分析方法 (如生命周期评价 (LCA)、风险评估、情景分析等) 在环境化学研究中得到广泛应用，为环境管理和决策提供科学支撑。
▮▮▮▮⚝ 国际合作与交流加强：全球环境问题日益突出，国际环境合作与交流加强，环境化学领域的国际学术交流、合作研究、人才培养等活动日益频繁，推动了环境化学的全球发展。
⚝ 代表性事件与研究进展：
▮▮▮▮⚝ 《寂静的春天》的影响：蕾切尔·卡逊的《寂静的春天》 (1962) 持续产生深远影响，推动了对持久性有机污染物 (POPs) 的研究和控制。POPs的环境持久性、生物累积性、长距离迁移性和毒性受到高度关注，POPs的分析方法、环境行为、毒性机制、控制技术等成为环境化学研究热点。
▮▮▮▮⚝ 酸雨问题研究与控制：20世纪70-80年代，酸雨问题在欧美和亚洲地区日益严重，对森林、湖泊、土壤和建筑物造成严重损害。环境化学家深入研究了酸雨的形成机制、环境效应和控制技术，推动了二氧化硫和氮氧化物减排措施的实施，酸雨问题得到一定程度的缓解。
▮▮▮▮⚝ 臭氧层破坏问题与蒙特利尔议定书：20世纪80年代，科学家发现南极臭氧层空洞，揭示了氯氟烃 (CFCs) 等消耗臭氧层物质 (ODS) 对臭氧层的破坏作用。环境化学家研究了臭氧层破坏的化学机制和ODS的替代品，推动了《蒙特利尔议定书》(1987) 的签署和实施，全球逐步淘汰ODS，臭氧层破坏趋势得到遏制。
▮▮▮▮⚝ 全球气候变化问题与IPCC：20世纪80年代以来，全球气候变暖趋势日益明显，全球气候变化问题成为全球关注的焦点。环境化学家研究了温室气体 (如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等) 的来源、排放、大气化学转化和温室效应机制，为政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 提供科学评估报告，推动了《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC) 和《京都议定书》(Kyoto Protocol) 等国际气候协议的达成。
▮▮▮▮⚝ 环境分析技术的飞跃发展：GC-MS、LC-MS、ICP-MS等高灵敏度、高选择性、高通量分析技术在环境分析中得到广泛应用，使得环境化学家能够检测和分析环境中痕量、复杂、新型污染物，极大地提高了环境监测和研究能力。
▮▮▮▮⚝ 环境模型方法和系统分析方法的应用：环境模型方法和系统分析方法在环境化学研究中得到广泛应用，为环境管理和决策提供了科学工具和方法，推动了环境管理的科学化和系统化。
环境化学的快速发展阶段，是学科体系建立、研究领域拓展、技术方法创新的关键时期。环境化学在解决重大环境问题、推动环境保护事业发展、促进环境科学进步方面发挥了重要作用。环境化学也逐渐成为环境科学的重要支柱学科之一。
1.3.3 环境化学的未来展望 (Future Prospects of Environmental Chemistry)
进入21世纪，环境化学 (environmental chemistry) 面临着新的机遇和挑战。全球环境问题依然严峻，且呈现出复杂化、综合化、全球化的趋势。同时，科技进步和社会发展也为环境化学提供了新的发展动力和方向。展望未来，环境化学将在解决全球环境问题、推动可持续发展中发挥更加重要的作用，其发展趋势和研究热点主要体现在以下几个方面：
① 研究领域更加广泛与深入
⚝ 新兴污染物研究将成为热点：新兴污染物 (emerging pollutants)，如内分泌干扰物 (EDCs)、药物和个人护理品 (PPCPs)、微塑料、纳米材料、抗生素、全氟化合物 (PFAS) 等，由于其环境持久性、生物活性、潜在毒性和环境风险，受到越来越多的关注。未来环境化学将加强对新兴污染物的环境行为、毒性效应、生态风险和控制技术的研究，为新兴污染物环境管理提供科学依据。
⚝ 环境健康研究将更加突出：环境污染与人类健康密切相关。未来环境化学将更加关注环境污染对人类健康的影响，加强环境健康风险评估、环境流行病学、环境与健康协同管理等研究，为改善人群健康、预防环境相关疾病提供科学支撑。
⚝ 生态毒理学研究将更加深入：生态系统是环境保护的重要对象。未来环境化学将深入研究污染物对生态系统结构、功能和稳定性的影响，加强生态风险评估、生态修复、生物多样性保护等研究，为生态环境保护和生态文明建设提供科学基础。
⚝ 全球环境变化研究将更加重要：全球气候变化、臭氧层破坏、生物多样性丧失等全球环境问题日益突出。未来环境化学将加强对全球环境变化中的化学过程和机制研究，为全球环境问题解决和全球环境治理提供科学方案。
⚝ 环境介质界面化学研究将深化：环境介质界面 (如气-液界面、固-液界面、生物-环境界面等) 是环境化学反应和污染物迁移转化的重要场所。未来环境化学将深化环境介质界面化学研究，揭示界面过程的微观机制，为污染物控制和环境修复提供新思路。
② 技术方法更加先进与高效
⚝ 高灵敏度、高选择性、高通量分析技术将广泛应用：GC-MS/MS、LC-MS/MS、高分辨质谱 (HRMS)、多维色谱、原子光谱联用等先进分析技术将更加广泛应用于环境监测和污染物分析，提高环境分析的灵敏度、选择性和通量，满足复杂环境样品分析需求。
⚝ 在线、实时、原位监测技术将快速发展：传感器技术、光谱技术、电化学技术、生物传感技术等将与信息技术、物联网技术融合，发展在线、实时、原位环境监测技术和仪器，实现环境污染的快速、准确、动态监测和预警。
⚝ 组学技术和生物信息学技术将深入应用：基因组学、蛋白质组学、代谢组学、转录组学等组学技术和生物信息学技术将应用于环境毒理学研究，揭示污染物毒性作用的分子机制和生物标志物，提高环境健康风险评估的科学性和准确性。
⚝ 大数据、人工智能技术将助力环境化学研究：大数据技术、人工智能技术 (如机器学习、深度学习) 将应用于环境化学研究，用于环境数据挖掘、污染源解析、环境质量预测、环境风险评估、污染控制方案优化等，提高环境化学研究的效率和智能化水平。
⚝ 绿色化学与环境友好技术将成为主流：绿色化学理念将深入人心，绿色化学原理和技术将广泛应用于化工生产、材料制备、能源利用、污染控制等领域，推动产业绿色转型和环境友好发展。环境友好材料、清洁生产工艺、高效污染控制技术、生态修复技术等将成为环境化学技术发展的主流方向。
③ 学科交叉融合更加深入与广泛
⚝ 环境化学与生命科学、医学、材料科学、信息科学等学科交叉融合将更加紧密：环境化学将与生物学、生态学、医学、药学、材料科学、化学工程、信息科学、计算机科学、地理学、经济学、法学、社会学等学科加强交叉融合，共同解决复杂环境问题，拓展环境化学研究领域，创新环境化学研究方法。
⚝ 多学科交叉研究平台和团队将不断涌现：为应对复杂环境挑战，需要构建多学科交叉研究平台和团队，汇聚不同学科领域的专家，开展协同创新，共同攻克环境科学难题。
⚝ 环境化学人才培养将更加注重交叉学科背景和综合能力：未来环境化学人才培养将更加注重交叉学科知识体系构建，培养学生的环境化学专业知识、多学科交叉知识、创新思维能力、实践能力和解决复杂环境问题的综合能力。
④ 服务于全球可持续发展和人类命运共同体构建
⚝ 环境化学将在应对全球环境挑战中发挥关键作用：全球气候变化、环境污染、资源短缺、生态破坏等全球环境挑战日益严峻，威胁人类生存和发展。环境化学将在应对全球环境挑战中发挥关键作用，为全球环境治理提供科学支撑和技术方案。
⚝ 环境化学将为实现联合国可持续发展目标 (SDGs) 做出重要贡献：联合国2030年可持续发展议程提出了17个可持续发展目标 (SDGs)，其中多个目标与环境问题密切相关。环境化学将在实现SDGs中发挥重要作用，为清洁饮水和卫生设施、清洁能源、可持续城市和社区、负责任的消费和生产、气候行动、水下生物、陆地生物等SDGs的实现贡献力量。
⚝ 环境化学将助力构建人类命运共同体：环境问题是全球性问题，需要国际社会共同应对。环境化学将加强国际合作与交流，推动全球环境科学研究和技术创新，促进全球环境治理体系建设，为构建人类命运共同体贡献智慧和力量。
总之，环境化学作为一门充满活力和发展潜力的学科，在未来将继续快速发展，并在解决全球环境问题、推动可持续发展中发挥更加重要的作用。环境化学家将以更加开放的视野、更加创新的思维、更加务实的行动，迎接环境挑战，开创环境化学发展的新局面，为构建美丽地球和人类美好未来做出更大贡献。
2. 环境化学基本原理 (Fundamental Principles of Environmental Chemistry)
本章系统介绍环境化学涉及的热力学、动力学、平衡、界面化学、胶体化学等基本原理，为后续章节的学习奠定理论基础。
2.1 环境热力学与环境动力学 (Environmental Thermodynamics and Environmental Kinetics)
讲解热力学在预测环境化学反应方向和限度中的应用，以及动力学在研究环境化学反应速率和机制中的作用。
2.1.1 环境热力学基础 (Fundamentals of Environmental Thermodynamics)
介绍热力学第一定律、第二定律和第三定律在环境化学中的应用，以及自由能 (吉布斯自由能, Gibbs Free Energy)、焓 (焓, Enthalpy)、熵 (熵, Entropy) 等热力学函数在环境过程中的意义。
环境热力学是研究环境化学过程中能量转换和平衡状态的学科，它基于热力学三大定律，为理解和预测环境化学反应的方向和限度提供了理论框架。在环境化学中，热力学原理被广泛应用于污染物在环境介质中的分配、相变、化学反应以及能量流动等过程的研究。
① 热力学第一定律 (The First Law of Thermodynamics)，也称为能量守恒定律 (Law of Conservation of Energy)，指出能量在孤立系统中不会凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种形式。在环境化学中，这意味着污染物在环境中的迁移、转化和降解等过程都伴随着能量的转移和转化，但总能量保持不变。例如，太阳辐射能被植物吸收进行光合作用，将光能转化为化学能；污染物在生物体内的代谢过程，将化学能转化为生物能等，都遵循能量守恒定律。
② 热力学第二定律 (The Second Law of Thermodynamics) 描述了自发过程的方向和限度，引入了熵 (entropy, \(S\)) 的概念，熵是系统混乱程度的度量。第二定律指出，在孤立系统中，自发过程总是朝着熵增的方向进行，即系统的总熵总是增加或保持不变，而不会自发减少。在环境化学中，污染物从高浓度区域向低浓度区域扩散，热量从高温物体向低温物体传递，都是熵增的过程。环境污染的扩散和稀释，从热力学角度看，也是符合熵增原理的自发过程。
③ 热力学第三定律 (The Third Law of Thermodynamics) 阐述了绝对零度 (0 K) 时，完美晶体的熵值为零。虽然第三定律在环境化学中的直接应用不如第一和第二定律广泛，但它为计算物质的绝对熵提供了理论基础，进而可以用于计算和评估环境化学过程中的熵变和自由能变化。
在环境热力学中，几个重要的热力学函数对于理解环境化学过程至关重要：
⚝ 焓 (Enthalpy, \(H\)): 焓是系统内能 (internal energy, \(U\)) 与压强 (\(p\)) 和体积 (\(V\)) 乘积之和，即 \(H = U + pV\)。焓变 (\(\Delta H\)) 代表恒压条件下反应的热效应。放热反应 (\(\Delta H < 0\)) 有利于环境污染物的去除或转化，而吸热反应 (\(\Delta H > 0\)) 则需要外部能量输入。例如，燃烧过程是典型的放热反应，可以用于处理某些有机废弃物。
⚝ 熵 (Entropy, \(S\)): 熵是系统混乱程度的度量，熵值越高，系统越混乱。熵变 (\(\Delta S\)) 反映了系统混乱程度的变化。环境污染扩散、污染物降解产物分散等过程都伴随着熵增。
⚝ 吉布斯自由能 (Gibbs Free Energy, \(G\)): 吉布斯自由能综合考虑了焓和熵对过程方向的影响，定义为 \(G = H - TS\)，其中 \(T\) 是热力学温度。吉布斯自由能变 (\(\Delta G\)) 可以判断恒温恒压条件下化学反应的自发性：
▮▮▮▮⚝ \(\Delta G < 0\): 反应自发进行 (spontaneous)。
▮▮▮▮⚝ \(\Delta G > 0\): 反应非自发进行 (non-spontaneous)。
▮▮▮▮⚝ \(\Delta G = 0\): 反应处于平衡状态 (equilibrium)。
在环境化学中，吉布斯自由能变常用于评估污染物降解反应、吸附过程、溶解沉淀过程等的自发性。例如，通过计算特定条件下污染物降解反应的 \(\Delta G\)，可以判断该降解反应在热力学上是否可行。
理解和应用环境热力学原理，可以帮助我们从能量角度分析环境化学过程，预测污染物行为，并为环境污染控制和治理提供理论指导。例如，在设计污染物去除工艺时，可以优先选择吉布斯自由能变为负值的自发反应，以提高效率并降低能耗。
2.1.2 环境动力学基础 (Fundamentals of Environmental Kinetics)
讲解化学反应速率 (化学反应速率, Chemical Reaction Rate)、速率方程 (速率方程, Rate Equation)、活化能 (活化能, Activation Energy) 等动力学概念，以及动力学在环境污染物降解、转化过程研究中的应用。
环境动力学是研究化学反应速率和反应机理的学科。与热力学关注反应的可能性和平衡状态不同，动力学侧重于反应发生的快慢和途径。在环境化学中，动力学原理对于理解污染物在环境中的迁移、转化、降解等过程的速率和机制至关重要。
① 化学反应速率 (Chemical Reaction Rate) 是指单位时间内反应物浓度或产物浓度的变化量。通常用单位时间内反应物浓度的减少或产物浓度的增加来表示。反应速率的单位通常是 mol·L\(^{-1}\)·s\(^{-1}\) 或 mol·L\(^{-1}\)·min\(^{-1}\) 等。反应速率的大小受到多种因素的影响，如温度、浓度、催化剂等。
② 速率方程 (Rate Equation)，也称为速率定律 (Rate Law)，是描述反应速率与反应物浓度之间定量关系的数学表达式。对于一般反应 \(aA + bB \rightarrow cC + dD\)，其速率方程通常可以表示为：
\[ v = k[A]^m[B]^n \]
其中，\(v\) 是反应速率，\([A]\) 和 \([B]\) 分别是反应物 A 和 B 的浓度，\(k\) 是速率常数 (rate constant)，\(m\) 和 \(n\) 分别是反应物 A 和 B 的反应级数 (reaction order)。\(m\) 和 \(n\) 的值通常通过实验确定，它们与反应的化学计量系数 \(a\) 和 \(b\) 没有必然联系。\(m+n\) 称为总反应级数。速率常数 \(k\) 随温度升高而增大，其大小反映了反应速率的快慢，\(k\) 值越大，反应速率越快。
③ 活化能 (Activation Energy, \(E_a\)) 是指反应物分子从常态转化为活化状态 (activated state) 所需要的最低能量。活化能越高，反应速率越慢；活化能越低，反应速率越快。活化能的概念可以通过过渡态理论 (transition state theory) 来理解，反应物分子需要克服一定的能量势垒才能转化为产物，活化能就是这个能量势垒的高度。
温度对反应速率的影响可以用阿伦尼乌斯方程 (Arrhenius equation) 来描述：
\[ k = Ae^{-E_a/RT} \]
其中，\(k\) 是速率常数，\(A\) 是指前因子 (pre-exponential factor) 或频率因子 (frequency factor)，\(E_a\) 是活化能，\(R\) 是理想气体常数，\(T\) 是热力学温度。阿伦尼乌斯方程表明，反应速率常数 \(k\) 随温度 \(T\) 升高呈指数增长，活化能 \(E_a\) 越大，温度对反应速率的影响越显著。
在环境化学中，环境动力学原理被广泛应用于研究污染物的降解、转化过程。例如，研究污染物光解 (photolysis) 速率、生物降解 (biodegradation) 速率、水解 (hydrolysis) 速率、氧化还原反应速率等，可以帮助我们了解污染物在环境中的持久性 (persistence) 和归趋 (fate)。通过测定反应速率常数和活化能，可以预测污染物在不同环境条件下的降解速率，评估污染物的环境风险，并为污染控制和修复提供科学依据。
例如，对于某种有机污染物在水体中的光解反应，可以通过实验测定不同光照强度下的降解速率，建立速率方程，计算速率常数和活化能，从而预测该污染物在自然水体中的光解速率和半衰期 (half-life)。对于生物降解过程，可以研究微生物对污染物的降解动力学，优化生物修复 (bioremediation) 工艺。
理解和应用环境动力学原理，可以更深入地认识污染物在环境中的行为，为环境管理和决策提供重要的科学支撑。
2.1.3 环境化学平衡 (Environmental Chemical Equilibrium)
阐述化学平衡原理在环境介质中污染物分配、溶解、吸附等过程中的应用，以及平衡常数 (平衡常数, Equilibrium Constant) 的意义和影响因素。
化学平衡 (chemical equilibrium) 是指在一定条件下，可逆反应正反应速率与逆反应速率相等，反应体系中各组分浓度保持不变的状态。在环境化学中，化学平衡原理广泛应用于描述和预测污染物在不同环境介质之间的分配、溶解、吸附、挥发等过程，以及污染物与环境组分之间的相互作用。
① 化学平衡状态的特征：
⚝ 动态平衡 (dynamic equilibrium)：化学平衡是一种动态平衡，正反应和逆反应仍在进行，但速率相等，宏观上各组分浓度保持不变。
⚝ 条件性 (conditional)：化学平衡状态与外界条件（如温度、压强、浓度等）有关，条件改变，平衡可能发生移动。
⚝ 可逆性 (reversible)：化学平衡只存在于可逆反应中。
② 平衡常数 (Equilibrium Constant, \(K\)) 是描述化学平衡状态的定量参数，它反映了反应进行的程度。对于一般可逆反应 \(aA + bB \rightleftharpoons cC + dD\)，其平衡常数表达式为：
\[ K = \frac{{[C]^c[D]^d}}{{[A]^a[B]^b}} \]
其中，\([A]\), \([B]\), \([C]\), \([D]\) 分别是反应物 A, B 和产物 C, D 在平衡状态时的浓度。平衡常数 \(K\) 的大小反映了反应进行的程度：
⚝ \(K\) 值越大，平衡时产物浓度越高，反应正向进行的程度越大，反应物转化率越高。
⚝ \(K\) 值越小，平衡时反应物浓度越高，反应正向进行的程度越小，反应物转化率越低。
⚝ \(K = 1\)，平衡时反应物和产物浓度相当。
平衡常数 \(K\) 的大小只与温度有关，与浓度、压强、催化剂等因素无关。温度升高，吸热反应的 \(K\) 值增大，放热反应的 \(K\) 值减小。
③ 影响化学平衡的因素：
⚝ 浓度 (Concentration)：增加反应物浓度或减少产物浓度，平衡向正反应方向移动；反之，平衡向逆反应方向移动。（勒夏特列原理, Le Chatelier's principle）
⚝ 压强 (Pressure) (对于气相反应)：增加压强，平衡向气体分子数减少的方向移动；减少压强，平衡向气体分子数增加的方向移动。
⚝ 温度 (Temperature)：升高温度，平衡向吸热反应方向移动；降低温度，平衡向放热反应方向移动。
⚝ 催化剂 (Catalyst)：催化剂可以同等程度地加快正反应和逆反应速率，缩短达到平衡的时间，但不影响平衡状态，即不改变平衡常数和平衡组成。
④ 化学平衡在环境化学中的应用：
⚝ 污染物在环境介质中的分配：例如，污染物在水相和气相之间的分配可以用亨利定律 (Henry's Law) 描述，其亨利常数 (Henry's Law constant) 可以看作是分配平衡常数，反映了污染物在两相中的平衡浓度比。污染物在水相和土壤固相之间的分配可以用吸附平衡常数 (adsorption equilibrium constant) 描述，如弗罗因德利希吸附等温线 (Freundlich isotherm) 和朗格缪尔吸附等温线 (Langmuir isotherm) 等。
⚝ 污染物的溶解与沉淀：溶解平衡和沉淀平衡是描述难溶电解质在水溶液中溶解和沉淀行为的平衡。溶度积常数 (solubility product constant, \(K_{sp}\)) 是描述沉淀溶解平衡的重要参数，可以用于预测沉淀的生成和溶解条件。例如，重金属离子在水体中是否会形成沉淀，可以通过比较离子积 (ion product) 和溶度积常数来判断。
⚝ 酸碱平衡 (acid-base equilibrium) 和络合平衡 (complexation equilibrium)：水体和土壤中的 pH 值、缓冲容量、金属离子的形态分布等都与酸碱平衡和络合平衡密切相关。酸度系数 (acid dissociation constant, \(K_a\))、碱度系数 (base dissociation constant, \(K_b\))、络合稳定常数 (complex formation constant, \(\beta\)) 等平衡常数可以用于定量描述这些平衡关系。
理解和应用化学平衡原理，可以帮助我们预测污染物在环境中的存在形态、迁移行为和环境效应，为环境污染控制和风险评估提供理论基础。例如，通过了解污染物的分配平衡常数，可以预测污染物在不同环境介质中的浓度分布；通过了解溶度积常数，可以预测重金属离子在水体中形成沉淀的条件，从而采取相应的控制措施。
2.2 界面化学与胶体化学 (Interface Chemistry and Colloid Chemistry)
介绍界面化学和胶体化学的基本原理，及其在环境介质中污染物迁移、转化和归趋中的重要作用。
2.2.1 界面现象与表面化学 (Interface Phenomena and Surface Chemistry)
讲解表面张力 (表面张力, Surface Tension)、表面能 (表面能, Surface Energy)、吸附 (吸附, Adsorption)、润湿 (润湿, Wetting) 等界面现象，以及表面活性剂 (表面活性剂, Surfactants) 在环境污染控制中的应用。
界面化学 (interface chemistry) 是研究相界面区域性质和现象的学科。界面是指两种或多种聚集态物质之间的分界面，如气-液界面、液-液界面、液-固界面、气-固界面等。在环境体系中，界面广泛存在，如大气颗粒物表面、水体-沉积物界面、土壤颗粒表面、生物膜表面等。界面化学现象在环境污染物的迁移、转化、富集、生物效应等方面起着至关重要的作用。
① 界面现象 (Interface Phenomena) 是指发生在相界面区域的各种物理化学现象，主要包括：
⚝ 表面张力 (Surface Tension, \(\gamma\))：液体表面层分子间相互作用力比液体内部弱，导致液体表面具有收缩趋势，形成尽可能小的表面积。表面张力是液体表面收缩力大小的度量，单位通常是 N/m 或 dyn/cm。表面张力的大小与液体的性质、温度等因素有关。水具有较高的表面张力，这影响了水滴的形状、毛细现象等。
⚝ 表面能 (Surface Energy, \(\sigma\))：形成单位面积的新表面所需要的能量称为表面能。表面能与表面张力在数值上相等，单位也相同。表面能反映了界面区域的能量状态，系统总是趋向于降低表面能，因此界面具有自发收缩的趋势。
⚝ 吸附 (Adsorption)：指物质在界面上的富集现象。被吸附的物质称为吸附质 (adsorbate)，提供吸附的物质称为吸附剂 (adsorbent)。根据吸附力性质的不同，吸附可分为物理吸附 (physisorption) 和化学吸附 (chemisorption)。物理吸附主要是范德华力 (van der Waals force) 作用，吸附力较弱，吸附过程可逆；化学吸附主要是化学键作用，吸附力较强，吸附过程通常不可逆。在环境化学中，吸附是污染物在土壤、沉积物、活性炭等固相介质中富集的重要机制。
⚝ 润湿 (Wetting)：指液体在固体表面铺展的现象。润湿性可以用接触角 (contact angle, \(\theta\)) 来衡量，接触角是液滴在固体表面上的液-气界面与固-液界面之间的夹角。
▮▮▮▮⚝ \(\theta < 90^\circ\): 润湿良好 (hydrophilic)，液体易于在固体表面铺展。
▮▮▮▮⚝ \(\theta > 90^\circ\): 润湿不良 (hydrophobic)，液体不易在固体表面铺展。
▮▮▮▮⚝ \(\theta = 90^\circ\): 临界润湿。
▮▮▮▮⚝ \(\theta = 0^\circ\): 完全润湿。
润湿性在环境过程中影响着污染物的迁移、扩散、吸附、生物有效性等。例如，土壤的润湿性影响着水分的入渗和保持，进而影响植物生长和污染物迁移。
② 表面活性剂 (Surfactants) 是一类特殊的化学物质，分子中同时含有亲水基团 (hydrophilic group) 和疏水基团 (hydrophobic group)。表面活性剂可以显著降低液体的表面张力，改变界面的性质，因此在环境污染控制中具有广泛的应用。常见的表面活性剂类型包括阴离子表面活性剂 (anionic surfactants)、阳离子表面活性剂 (cationic surfactants)、非离子表面活性剂 (nonionic surfactants) 和两性离子表面活性剂 (amphoteric surfactants)。
③ 表面活性剂在环境污染控制中的应用：
⚝ 增溶作用 (solubilization)：表面活性剂可以形成胶束 (micelle)，将难溶性有机污染物增溶到水相中，提高其溶解度和生物有效性，促进生物降解。
⚝ 乳化作用 (emulsification)：表面活性剂可以降低油水界面张力，使油类污染物乳化分散到水相中，便于去除和处理。
⚝ 分散作用 (dispersion)：表面活性剂可以分散固体颗粒，防止颗粒聚集沉淀，提高悬浮稳定性，有利于污染物去除。
⚝ 泡沫浮选 (foam flotation)：利用表面活性剂产生的泡沫富集污染物，然后将泡沫分离去除，用于处理废水和土壤。
⚝ 土壤淋洗 (soil flushing)：表面活性剂可以提高土壤中污染物的溶解度和迁移性，促进淋洗去除。
⚝ 油污分散剂 (oil dispersant)：在海洋溢油事故中，使用油污分散剂可以将油膜分散成小油滴，加速油污的自然降解和扩散，减轻对生态环境的危害。
理解和应用界面化学原理和表面活性剂技术，可以为环境污染控制和修复提供有效的手段。例如，在石油污染土壤修复中，可以使用表面活性剂淋洗技术提高石油烃的去除效率；在水处理中，可以使用表面活性剂泡沫浮选技术去除重金属离子和有机污染物。
2.2.2 环境胶体与胶体行为 (Environmental Colloids and Colloid Behavior)
介绍环境胶体 (环境胶体, Environmental Colloids) 的种类、性质和稳定性，以及胶体在污染物迁移、富集过程中的作用。
胶体 (colloid) 是指分散相粒子尺寸介于 1 nm ~ 1000 nm 之间的分散体系。胶体粒子尺寸介于分子和宏观粒子之间，具有独特的物理化学性质，如丁达尔效应 (Tyndall effect)、布朗运动 (Brownian motion)、电泳现象 (electrophoresis) 等。在环境体系中，胶体广泛存在于大气、水、土壤等介质中，被称为环境胶体。环境胶体在污染物迁移、转化、生物有效性等方面起着重要的作用。
① 环境胶体的种类：
⚝ 无机胶体 (inorganic colloids)：主要包括粘土矿物 (clay minerals)、金属氧化物 (metal oxides)、氢氧化物 (hydroxides)、硅酸盐 (silicates) 等。例如，土壤中的粘土矿物、水体中的铁锰氧化物颗粒、大气中的矿物气溶胶等。
⚝ 有机胶体 (organic colloids)：主要包括腐殖质 (humic substances)、生物大分子 (biomacromolecules)、微生物 (microorganisms) 及其分泌物等。例如，水体中的溶解性有机质 (dissolved organic matter, DOM)、土壤中的腐殖酸 (humic acid)、富里酸 (fulvic acid) 等。
⚝ 生物胶体 (biocolloids)：主要包括细菌 (bacteria)、病毒 (viruses)、藻类 (algae)、原生动物 (protozoa) 等微生物及其聚集体。生物胶体既具有生物活性，又具有胶体特性，在环境过程中起着特殊的作用。
② 环境胶体的性质：
⚝ 表面效应 (surface effect)：胶体粒子具有巨大的比表面积 (specific surface area)，表面原子或分子处于不饱和状态，具有较高的表面能，易于吸附周围介质中的物质。
⚝ 吸附性 (adsorptivity)：环境胶体可以吸附水中的离子、有机分子、重金属、污染物等，影响污染物的迁移、转化和生物有效性。
⚝ 凝聚与分散性 (coagulation and dispersion)：胶体粒子之间存在相互作用力，如范德华力、静电作用力、水化作用力等，这些作用力决定了胶体的凝聚和分散行为。胶体的稳定性 (stability) 取决于分散力与凝聚力之间的平衡。
⚝ 电性 (electrical property)：大多数环境胶体粒子表面带有电荷，通常是负电荷。表面电荷来源于晶格缺陷、离子吸附、官能团解离等。胶体粒子的表面电荷影响着胶体的稳定性、吸附性、迁移行为等。
③ 胶体的稳定性 (Colloid Stability)：胶体的稳定性是指胶体粒子在分散介质中保持分散状态，不发生凝聚沉淀的性质。胶体的稳定性主要受以下因素影响：
⚝ 静电斥力 (electrostatic repulsion)：带同种电荷的胶体粒子之间存在静电斥力，可以阻止粒子相互接近凝聚，是胶体稳定性的主要因素之一。
⚝ 空间位阻 (steric hindrance)：胶体粒子表面吸附的溶剂分子或高分子链形成保护层，阻止粒子相互接近凝聚，产生空间位阻效应，提高胶体稳定性。
⚝ 水化作用 (hydration)：亲水胶体粒子表面吸附水分子形成水化层，水化层可以阻止粒子直接接触凝聚，提高胶体稳定性。
⚝ 外加电解质 (electrolyte)：外加电解质可以压缩胶体粒子的双电层 (electrical double layer)，降低静电斥力，导致胶体凝聚沉淀。电解质的聚沉能力与离子的价数有关，价数越高，聚沉能力越强（舒尔茨-哈迪规则, Schulze-Hardy rule）。
④ 胶体在污染物迁移、富集过程中的作用：
⚝ 污染物载体 (pollutant carrier)：环境胶体由于其巨大的比表面积和吸附性，可以吸附和携带污染物，成为污染物的载体，促进污染物的迁移和扩散。例如，胶体可以将土壤中的重金属、有机污染物等输送到水体中，造成二次污染。
⚝ 污染物富集介质 (pollutant enrichment medium)：环境胶体可以富集水体和土壤中的污染物，特别是疏水性有机污染物和重金属离子。胶体吸附污染物后，可能通过沉降、过滤等作用从水相中分离出来，导致污染物在沉积物和土壤中富集。
⚝ 影响污染物生物有效性 (bioavailability)：胶体吸附污染物后，可能降低污染物的生物有效性，影响生物对污染物的吸收和代谢。但另一方面，胶体也可能将吸附的污染物释放出来，增加污染物的生物有效性。
⚝ 参与污染物转化反应 (participate in pollutant transformation reactions)：环境胶体表面可以催化或参与某些污染物的转化反应，如氧化还原反应、水解反应、光化学反应等。例如，金属氧化物胶体可以催化有机污染物的氧化降解；粘土矿物胶体可以催化农药的水解。
理解和掌握环境胶体的性质和行为，对于研究污染物在环境中的迁移、转化、归趋，评估环境风险，制定污染控制和修复策略具有重要意义。例如，在水处理中，可以通过控制胶体的凝聚沉淀，去除水中的悬浮物和胶体污染物；在土壤修复中，可以利用胶体的吸附性，将污染物固化稳定化在土壤中。
2.2.3 环境电化学 (Environmental Electrochemistry)
阐述电化学原理 (电化学原理, Electrochemical Principles) 在环境分析、电化学修复等领域的应用，以及氧化还原反应 (氧化还原反应, Redox Reactions) 在环境化学过程中的重要性。
环境电化学 (environmental electrochemistry) 是研究环境体系中电化学现象和过程的学科。电化学是研究化学能与电能相互转化的科学，其核心是氧化还原反应。在环境化学中，电化学原理被广泛应用于环境分析监测、电化学修复技术、环境能源开发等领域。氧化还原反应是环境化学过程中的重要反应类型，涉及到污染物的迁移、转化、毒性、生物地球化学循环等多个方面。
① 电化学基本原理：
⚝ 氧化还原反应 (Redox Reactions)：电化学过程的核心是氧化还原反应，即电子转移反应。氧化反应 (oxidation) 是指物质失去电子，化合价升高的反应；还原反应 (reduction) 是指物质得到电子，化合价降低的反应。氧化反应和还原反应总是同时发生，构成一个完整的氧化还原反应。
⚝ 电极 (Electrode)：电极是进行电化学反应的场所，分为阳极 (anode) 和阴极 (cathode)。在电解池 (electrolytic cell) 中，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；在原电池 (galvanic cell) 中，负极 (negative electrode) 发生氧化反应，正极 (positive electrode) 发生还原反应。
⚝ 电极电位 (Electrode Potential, \(E\))：电极电位是衡量电极反应发生趋势大小的物理量，反映了电极的氧化或还原能力。标准电极电位 (standard electrode potential, \(E^\ominus\)) 是指在标准状态（298 K，100 kPa，溶液浓度为 1 mol·L\(^{-1}\)）下，电极反应的电极电位。标准氢电极 (standard hydrogen electrode, SHE) 的标准电极电位定义为 0 V。
⚝ 能斯特方程 (Nernst Equation)：能斯特方程描述了电极电位与溶液浓度、温度之间的关系。对于电极反应 \(Ox + ne^- \rightleftharpoons Red\)，其能斯特方程为：
\[ E = E^\ominus - \frac{RT}{nF} \ln \frac{[Red]}{[Ox]} \]
其中，\(E\) 是电极电位，\(E^\ominus\) 是标准电极电位，\(R\) 是理想气体常数，\(T\) 是热力学温度，\(n\) 是电极反应中转移的电子数，\(F\) 是法拉第常数，\([Ox]\) 和 \([Red]\) 分别是氧化态和还原态物质的浓度。
② 电化学原理在环境分析中的应用：
⚝ pH 计 (pH meter)：pH 计是利用玻璃电极 (glass electrode) 和参比电极 (reference electrode) 组成的电化学装置，测量溶液的 pH 值。玻璃电极的电位随溶液 pH 值变化而变化，通过测量电极电位可以确定溶液的 pH 值。
⚝ 溶解氧测定仪 (dissolved oxygen meter, DO meter)：溶解氧测定仪是利用极谱法 (polarography) 或伏安法 (voltammetry) 原理，测量水体中溶解氧浓度的电化学传感器。溶解氧电极通常由铂电极 (platinum electrode) 或金电极 (gold electrode) 作为工作电极，银/氯化银电极 (Ag/AgCl electrode) 作为参比电极。
⚝ 离子选择性电极 (ion-selective electrode, ISE)：离子选择性电极是一类对特定离子具有选择性响应的电化学传感器，可以用于测定水体、土壤、大气等环境介质中特定离子的浓度。常见的离子选择性电极包括氟离子选择性电极、氯离子选择性电极、硝酸根离子选择性电极、重金属离子选择性电极等。
⚝ 电化学传感器 (electrochemical sensor)：电化学传感器是利用电化学原理，将化学信号转化为电信号的分析器件。环境电化学传感器可以用于监测大气污染物 (如 SO\(_2\), NO\(_x\), O\(_3\))、水污染物 (如重金属离子、有机污染物)、土壤污染物等。
③ 电化学原理在环境修复中的应用：
⚝ 电化学修复技术 (electrochemical remediation technologies)：利用电化学原理去除或降解环境污染物的方法，包括电化学氧化 (electrochemical oxidation)、电化学还原 (electrochemical reduction)、电絮凝 (electrocoagulation)、电渗析 (electrodialysis)、电动修复 (electrokinetic remediation) 等。
⚝ 电化学氧化技术 (electrochemical oxidation technology)：利用阳极氧化反应，将有机污染物氧化降解为 CO\(_2\), H\(_2\)O 等无害物质。电化学氧化具有高效、清洁、无二次污染等优点，适用于处理难降解有机污染物。
⚝ 电化学还原技术 (electrochemical reduction technology)：利用阴极还原反应，将重金属离子还原为金属单质沉淀，或将硝酸盐还原为氮气等。电化学还原可以用于去除水体和土壤中的重金属和硝酸盐污染。
⚝ 电动修复技术 (electrokinetic remediation technology)：利用外加电场，驱动土壤中的离子和污染物迁移，然后通过电极或收集装置将污染物去除。电动修复适用于处理低渗透性土壤中的重金属和有机污染物。
④ 氧化还原反应在环境化学过程中的重要性：
⚝ 污染物转化 (pollutant transformation)：许多环境污染物的转化过程都是氧化还原反应，如有机污染物的生物降解、光化学降解、化学氧化等，重金属的价态转化、迁移性变化等。
⚝ 地球化学循环 (geochemical cycles)：氧化还原反应是生物地球化学循环 (biogeochemical cycles) 的重要驱动力，如碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等都涉及到复杂的氧化还原过程。
⚝ 环境质量 (environmental quality)：水体和土壤的氧化还原电位 (redox potential, Eh) 是评价环境质量的重要指标，影响着污染物的形态、迁移性、生物有效性以及生态系统的功能。
⚝ 环境修复 (environmental remediation)：氧化还原反应是许多环境修复技术的核心原理，如化学氧化、化学还原、生物修复、电化学修复等。
理解和应用环境电化学原理，可以为环境分析监测、污染控制和修复提供重要的技术手段，深入认识氧化还原反应在环境化学过程中的作用，有助于我们更好地理解和解决环境问题。
2.3 有机化学基础 (Fundamentals of Organic Chemistry for Environmental Chemistry)
复习有机化学基本知识，重点介绍与环境污染物相关的有机化合物的结构、性质和反应。
2.3.1 有机化合物的结构与命名 (Structure and Nomenclature of Organic Compounds)
回顾烷烃 (烷烃, Alkanes)、烯烃 (烯烃, Alkenes)、炔烃 (炔烃, Alkynes)、芳香烃 (芳香烃, Aromatic Hydrocarbons)、卤代烃 (卤代烃, Haloalkanes)、醇 (醇, Alcohols)、酚 (酚, Phenols)、醚 (醚, Ethers)、醛 (醛, Aldehydes)、酮 (酮, Ketones)、羧酸 (羧酸, Carboxylic Acids)、酯 (酯, Esters)、胺 (胺, Amines)、酰胺 (酰胺, Amides) 等常见有机化合物的结构特点和命名规则。
有机化学 (organic chemistry) 是研究含碳化合物的结构、性质、制备和应用的学科。有机化合物种类繁多，结构复杂，性质多样，是环境污染物的重要组成部分。理解有机化合物的结构和命名是学习环境化学的基础。
① 烷烃 (Alkanes)：
⚝ 结构特点：只含有碳碳单键 (C-C) 和碳氢单键 (C-H) 的饱和烃 (saturated hydrocarbons)。通式为 C\(_{n}\)H\(_{2n+2}\)。碳原子以 sp\(^3\) 杂化轨道成键，分子呈三维锯齿状链状或环状结构。
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 直链烷烃：根据碳原子数命名，碳原子数为 1-10 的烷烃依次命名为甲烷 (methane)、乙烷 (ethane)、丙烷 (propane)、丁烷 (butane)、戊烷 (pentane)、己烷 (hexane)、庚烷 (heptane)、辛烷 (octane)、壬烷 (nonane)、癸烷 (decane)。
▮▮▮▮⚝ 支链烷烃：选择最长碳链作为主链，按主链碳原子数命名为某烷；从离支链最近的一端开始编号，用阿拉伯数字标明支链的位置；将支链作为取代基，写在主链名称之前，取代基的名称按烷基命名，如甲基 (-CH\(_{3}\))、乙基 (-CH\(_{2}\)CH\(_{3}\)) 等。
② 烯烃 (Alkenes) 和 炔烃 (Alkynes)：
⚝ 结构特点：烯烃含有碳碳双键 (C=C)，属于不饱和烃 (unsaturated hydrocarbons)，通式为 C\(_{n}\)H\(_{2n}\) (单烯烃)。炔烃含有碳碳三键 (C≡C)，也是不饱和烃，通式为 C\(_{n}\)H\(_{2n-2}\)。碳碳双键中的碳原子以 sp\(^2\) 杂化轨道成键，分子呈平面结构；碳碳三键中的碳原子以 sp 杂化轨道成键，分子呈线型结构。
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 选择含有碳碳双键或三键的最长碳链为主链，按主链碳原子数命名为某烯或某炔。
▮▮▮▮⚝ 从离碳碳双键或三键最近的一端开始编号，用阿拉伯数字标明双键或三键的位置，数字写在烯或炔字之前。
▮▮▮▮⚝ 如有支链，命名方法与烷烃类似，支链作为取代基，写在主链名称之前，并标明位置。
③ 芳香烃 (Aromatic Hydrocarbons)：
⚝ 结构特点：含有苯环 (benzene ring) 结构的环状不饱和烃。苯环是由 6 个碳原子和 6 个氢原子组成的平面环状结构，具有特殊的共轭体系 (conjugated system) 和芳香性 (aromaticity)。
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 单环芳香烃：苯 (benzene) 是最简单的芳香烃。苯的衍生物命名时，将苯环作为母体，取代基作为前缀，如甲苯 (toluene)、苯酚 (phenol)、苯胺 (aniline) 等。
▮▮▮▮⚝ 多环芳香烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)：由两个或多个苯环稠合而成的芳香烃，如萘 (naphthalene)、蒽 (anthracene)、菲 (phenanthrene) 等。多环芳香烃通常采用俗名。
④ 卤代烃 (Haloalkanes)：
⚝ 结构特点：烷烃分子中的一个或多个氢原子被卤素原子 (F, Cl, Br, I) 取代的化合物。
⚝ 命名规则：将卤素原子作为取代基，命名为氟代 (fluoro-)、氯代 (chloro-)、溴代 (bromo-)、碘代 (iodo-) 某烷。如有多个卤素原子，按字母顺序排列，并用二、三等数字表示卤素原子的数目。
⑤ 醇 (Alcohols) 和 酚 (Phenols)：
⚝ 结构特点：醇是烃分子中的氢原子被羟基 (-OH) 取代的化合物，羟基与烷基或环烷基相连。酚是羟基直接与苯环相连的化合物。
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 醇：选择含有羟基的最长碳链为主链，按主链碳原子数命名为某醇。从离羟基最近的一端开始编号，用阿拉伯数字标明羟基的位置，数字写在醇字之前。
▮▮▮▮⚝ 酚：酚类化合物通常采用俗名，如苯酚、邻甲酚、对硝基苯酚等。
⑥ 醚 (Ethers)：
⚝ 结构特点：含有醚键 (C-O-C) 的化合物。醚键将两个烃基连接起来。
⚝ 命名规则：简单醚的命名方法是将醚键两侧的烃基名称依次写出，中间加“醚”字，烃基名称按简单到复杂顺序排列。如甲乙醚 (methyl ethyl ether)、二乙醚 (diethyl ether) 等。
⑦ 醛 (Aldehydes) 和 酮 (Ketones)：
⚝ 结构特点：醛含有醛基 (-CHO)，酮含有羰基 (C=O)，羰基与两个烃基相连。
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 醛：选择含有醛基的最长碳链为主链，按主链碳原子数命名为某醛。醛基碳原子编号为 1 号碳。
▮▮▮▮⚝ 酮：选择含有羰基的最长碳链为主链，按主链碳原子数命名为某酮。从离羰基最近的一端开始编号，用阿拉伯数字标明羰基的位置，数字写在酮字之前。
⑧ 羧酸 (Carboxylic Acids) 和 酯 (Esters)：
⚝ 结构特点：羧酸含有羧基 (-COOH)，酯是羧酸分子中羟基上的氢原子被烃基取代的化合物，含有酯基 (-COO-)。
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 羧酸：选择含有羧基的最长碳链为主链，按主链碳原子数命名为某酸。羧基碳原子编号为 1 号碳。
▮▮▮▮⚝ 酯：酯的命名方法是将酯基上的烃基和酰基名称依次写出，中间加“酯”字。酰基名称来源于羧酸名称，将“酸”字改为“酸基”。如乙酸乙酯 (ethyl acetate)、苯甲酸甲酯 (methyl benzoate) 等。
⑨ 胺 (Amines) 和 酰胺 (Amides)：
⚝ 结构特点：胺是氨分子 (NH\(_{3}\)) 中的一个或多个氢原子被烃基取代的化合物，含有氨基 (-NH\(_{2}\), -NHR, -NR\(_{2}\))。酰胺是羧酸分子中羟基被氨基或取代氨基取代的化合物，含有酰胺基 (-CONH\(_{2}\), -CONHR, -CONR\(_{2}\)).
⚝ 命名规则：
▮▮▮▮⚝ 胺：简单胺的命名方法是将氨基上的烃基名称依次写出，中间加“胺”字，烃基名称按简单到复杂顺序排列。如甲胺 (methylamine)、二甲胺 (dimethylamine)、三乙胺 (triethylamine) 等。
▮▮▮▮⚝ 酰胺：酰胺的命名方法是将酰基名称和氨基名称依次写出，中间加“酰胺”字。酰基名称来源于羧酸名称，将“酸”字改为“酰胺”。如乙酰胺 (acetamide)、N,N-二甲基甲酰胺 (N,N-dimethylformamide, DMF) 等。
掌握这些常见有机化合物的结构特点和命名规则，对于理解有机污染物的性质和行为至关重要。
2.3.2 有机化合物的性质与反应 (Properties and Reactions of Organic Compounds)
介绍各类有机化合物的物理性质和化学性质，以及重要的有机反应类型，如取代反应 (取代反应, Substitution Reaction)、加成反应 (加成反应, Addition Reaction)、消除反应 (消除反应, Elimination Reaction)、氧化还原反应 (氧化还原反应, Redox Reaction) 等。
有机化合物的性质主要包括物理性质和化学性质。物理性质如熔点、沸点、溶解性、密度、颜色、气味等，化学性质如反应活性、反应类型、稳定性等。有机化合物的性质与其结构密切相关。
① 物理性质：
⚝ 分子间作用力 (intermolecular forces)：有机化合物分子之间存在范德华力、偶极-偶极作用力、氢键等分子间作用力。分子间作用力的大小影响着有机化合物的熔点、沸点、溶解性等物理性质。
▮▮▮▮⚝ 范德华力：存在于所有分子之间，包括色散力 (dispersion force)、诱导力 (induced dipole force) 和取向力 (dipole-dipole force)。烷烃分子之间主要存在色散力，分子量越大，色散力越强，熔点和沸点越高。
▮▮▮▮⚝ 偶极-偶极作用力：存在于极性分子之间，如醛、酮、酯、酰胺等。偶极-偶极作用力比范德华力强，极性分子的熔点和沸点通常高于相对分子质量相近的非极性分子。
▮▮▮▮⚝ 氢键 (hydrogen bond)：存在于含有 O-H, N-H, F-H 键的分子之间，如醇、酚、羧酸、胺、酰胺等。氢键是较强的分子间作用力，含有氢键的有机化合物熔点和沸点显著升高。
⚝ 溶解性 (solubility)：根据“相似相溶”原理，极性有机化合物易溶于极性溶剂 (如水、乙醇)，非极性有机化合物易溶于非极性溶剂 (如苯、氯仿)。含有羟基、羧基、氨基等亲水基团的有机化合物极性较强，溶解度较大；烃类、卤代烃等非极性有机化合物溶解度较小。
⚝ 挥发性 (volatility)：有机化合物的挥发性与其沸点有关，沸点越低，挥发性越强。低分子量的烷烃、烯烃、卤代烃、醚、醛、酮等挥发性较强，是挥发性有机物 (VOCs) 的主要成分。
② 化学性质：有机化合物的化学性质主要取决于其官能团 (functional group)。常见的有机反应类型包括取代反应、加成反应、消除反应、氧化还原反应、重排反应等。
⚝ 取代反应 (Substitution Reaction)：指有机分子中某个原子或基团被其他原子或基团取代的反应。常见的取代反应类型包括亲核取代反应 (nucleophilic substitution reaction, S\(_{N}\)) 和亲电取代反应 (electrophilic substitution reaction, S\(_{E}\)).
▮▮▮▮⚝ 烷烃的卤代反应 (halogenation of alkanes) 是典型的自由基取代反应 (free radical substitution reaction)。
▮▮▮▮⚝ 醇与卤化氢反应生成卤代烃是亲核取代反应。
▮▮▮▮⚝ 苯的硝化反应 (nitration of benzene)、磺化反应 (sulfonation of benzene)、卤代反应、傅-克反应 (Friedel-Crafts reaction) 等是亲电取代反应。
⚝ 加成反应 (Addition Reaction)：指不饱和有机分子 (含有双键或三键) 与其他分子发生反应，双键或三键断裂，原子或基团加到不饱和碳原子上的反应。常见的加成反应类型包括亲电加成反应 (electrophilic addition reaction, A\(_{E}\)) 和亲核加成反应 (nucleophilic addition reaction, A\(_{N}\)).
▮▮▮▮⚝ 烯烃和炔烃与卤素、卤化氢、水、氢气等发生加成反应是亲电加成反应。
▮▮▮▮⚝ 醛和酮与格氏试剂 (Grignard reagent)、氢氰酸 (HCN)、醇等发生加成反应是亲核加成反应。
⚝ 消除反应 (Elimination Reaction)：指从饱和有机分子中消除小分子 (如 H\(_{2}\)O, HX, ROH 等)，形成不饱和化合物的反应。常见的消除反应类型包括脱水反应 (dehydration reaction) 和脱卤化氢反应 (dehydrohalogenation reaction)。
▮▮▮▮⚝ 醇的分子内脱水反应生成烯烃。
▮▮▮▮⚝ 卤代烃与强碱作用发生脱卤化氢反应生成烯烃或炔烃。
⚝ 氧化还原反应 (Redox Reaction)：有机化合物的氧化还原反应是指有机分子中碳原子的氧化态发生变化的反应。
▮▮▮▮⚝ 醇的氧化反应：伯醇 (primary alcohol) 氧化生成醛，醛进一步氧化生成羧酸；仲醇 (secondary alcohol) 氧化生成酮；叔醇 (tertiary alcohol) 难以氧化。
▮▮▮▮⚝ 醛的氧化反应：醛容易被氧化生成羧酸。
▮▮▮▮⚝ 酮的还原反应：酮被还原生成仲醇。
▮▮▮▮⚝ 羧酸的还原反应：羧酸被还原生成伯醇。
▮▮▮▮⚝ 烯烃和炔烃的氧化反应：烯烃和炔烃可以被高锰酸钾 (KMnO\(_{4}\))、臭氧 (O\(_{3}\)) 等氧化剂氧化，发生双键或三键的断裂。
⚝ 酯化反应 (Esterification)：羧酸与醇在酸催化下反应生成酯和水的反应。酯化反应是可逆反应。
⚝ 水解反应 (Hydrolysis)：指化合物与水反应，分子发生断裂，同时水分子中的氢原子和羟基分别加到断裂的两个部分上的反应。酯、酰胺、卤代烃等容易发生水解反应。
⚝ 聚合反应 (Polymerization)：由小分子 (单体, monomer) 相互加成或缩合，形成高分子量化合物 (聚合物, polymer) 的反应。聚合反应分为加聚反应 (addition polymerization) 和缩聚反应 (condensation polymerization)。
理解这些重要的有机反应类型，可以帮助我们预测有机污染物在环境中的转化途径和降解产物，评估其环境行为和风险。例如，有机污染物的水解反应、氧化还原反应、生物降解等都是环境化学研究的重要内容。
2.3.3 重要的环境有机污染物类别 (Important Categories of Environmental Organic Pollutants)
重点介绍持久性有机污染物 (持久性有机污染物, POPs)、挥发性有机物 (挥发性有机物, VOCs)、半挥发性有机物 (半挥发性有机物, SVOCs)、内分泌干扰物 (内分泌干扰物, EDCs) 等环境有机污染物的结构特点和环境行为。
环境有机污染物种类繁多，根据其环境行为、毒性特征和来源，可以分为不同的类别。持久性有机污染物 (POPs)、挥发性有机物 (VOCs)、半挥发性有机物 (SVOCs)、内分泌干扰物 (EDCs) 是环境化学中受到广泛关注的几类重要有机污染物。
① 持久性有机污染物 (Persistent Organic Pollutants, POPs)：
⚝ 定义：POPs 是一类具有持久性 (persistence)、生物累积性 (bioaccumulation)、长距离迁移性 (long-range transport) 和高毒性 (toxicity) 的有机污染物。POPs 难以降解，可以在环境中长期存在，并在生物体内富集，通过食物链传递，对人类健康和生态环境造成严重危害。
⚝ 结构特点：POPs 通常具有结构稳定、难降解的特点，分子中含有卤素原子 (如 Cl, Br, F) 或稠环结构，如多氯联苯 (polychlorinated biphenyls, PCBs)、滴滴涕 (dichlorodiphenyltrichloroethane, DDT)、二噁英 (dioxins)、呋喃 (furans)、多环芳烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs) 等。
⚝ 环境行为：POPs 具有低挥发性、低水溶性、高脂溶性，易于吸附在土壤、沉积物和生物体脂肪组织中。POPs 可以通过大气、水流、生物迁移等途径进行长距离迁移，甚至在全球范围内分布。
⚝ 环境效应：POPs 具有慢性毒性、致癌性、致畸性、致突变性，以及内分泌干扰效应、免疫毒性、神经毒性等多种毒性效应。POPs 对人类健康和野生动物造成严重危害，如生殖障碍、发育异常、免疫功能下降、癌症等。
⚝ 典型POPs：
▮▮▮▮⚝ 农药类：滴滴涕 (DDT)、氯丹 (chlordane)、灭蚁灵 (mirex)、毒杀芬 (toxaphene)、七氯 (heptachlor)、艾氏剂 (aldrin)、狄氏剂 (dieldrin)、异狄氏剂 (endrin)。
▮▮▮▮⚝ 工业化学品类：多氯联苯 (PCBs)、六氯苯 (hexachlorobenzene, HCB)。
▮▮▮▮⚝ 副产物类：二噁英 (dioxins)、呋喃 (furans)。
② 挥发性有机物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)：
⚝ 定义：VOCs 是指在常温常压下易挥发的有机化合物。VOCs 主要来源于工业生产、交通运输、溶剂使用、燃烧过程等。VOCs 是大气污染的重要来源，也是室内空气污染的主要污染物。
⚝ 结构特点：VOCs 通常是低分子量、低沸点的有机化合物，如烷烃、烯烃、芳香烃、卤代烃、醛、酮、醇、醚、酯等。
⚝ 环境行为：VOCs 易挥发到大气中，参与大气化学反应，形成光化学烟雾 (photochemical smog)、臭氧 (ozone, O\(_{3}\))、二次有机气溶胶 (secondary organic aerosol, SOA) 等二次污染物，加剧大气污染。
⚝ 环境效应：VOCs 对人体健康有多种危害，如刺激眼睛和呼吸道、引起头痛、恶心、乏力等症状，长期暴露可能导致神经系统、免疫系统、肝脏、肾脏等损伤，某些 VOCs 具有致癌性。
⚝ 典型VOCs：苯 (benzene)、甲苯 (toluene)、二甲苯 (xylene)、乙苯 (ethylbenzene)、甲醛 (formaldehyde)、乙醛 (acetaldehyde)、丙酮 (acetone)、三氯乙烯 (trichloroethylene)、四氯化碳 (carbon tetrachloride) 等。
③ 半挥发性有机物 (Semi-Volatile Organic Compounds, SVOCs)：
⚝ 定义：SVOCs 是指挥发性介于 VOCs 和非挥发性有机物之间的有机化合物。SVOCs 在环境介质中既可以以气态形式存在，也可以以颗粒态形式存在。
⚝ 结构特点：SVOCs 通常是中等分子量、中等沸点的有机化合物，如多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、有机氯农药 (organochlorine pesticides)、邻苯二甲酸酯 (phthalate esters)、溴代阻燃剂 (brominated flame retardants, BFRs) 等。
⚝ 环境行为：SVOCs 可以在大气、水、土壤、沉积物、生物体等环境介质中迁移和分布。SVOCs 既可以通过呼吸、饮食、皮肤接触等途径进入人体，也可以通过食物链富集。
⚝ 环境效应：SVOCs 具有多种毒性效应，如致癌性、致畸性、内分泌干扰效应、神经毒性、免疫毒性等。
⚝ 典型SVOCs：多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、有机氯农药、邻苯二甲酸酯、溴代阻燃剂等。
④ 内分泌干扰物 (Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs)：
⚝ 定义：EDCs 也称为环境激素 (environmental hormones)，是指外源性化学物质，可以干扰生物体内分泌系统的正常功能，影响生物体的生长发育、生殖、免疫等过程。
⚝ 结构特点：EDCs 的结构多样，包括天然激素 (如雌激素, estrogen)、合成激素 (如乙炔雌酚, ethinylestradiol)、农药 (如有机氯农药、有机磷农药)、工业化学品 (如双酚A, bisphenol A, BPA; 邻苯二甲酸酯, phthalates; 多氯联苯, PCBs; 二噁英, dioxins)、重金属 (如镉, cadmium; 铅, lead; 汞, mercury) 等。
⚝ 环境行为：EDCs 可以通过多种途径进入环境，如工业排放、农业施用、生活污水等。EDCs 可以在水、土壤、沉积物、生物体等环境介质中分布和迁移。
⚝ 环境效应：EDCs 可以模拟、阻断或干扰内源性激素的作用，引起内分泌紊乱，导致生殖系统发育异常、性早熟、不孕不育、肿瘤、免疫功能下降、神经系统发育障碍等多种健康问题。EDCs 对人类和野生动物都具有危害，特别是对发育期的儿童和胎儿更为敏感。
⚝ 典型EDCs：双酚A (BPA)、邻苯二甲酸酯、壬基酚 (nonylphenol, NP)、辛基酚 (octylphenol, OP)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英、某些农药 (如有机氯农药、有机磷农药)、某些重金属 (如镉、铅、汞) 等。
了解这些重要环境有机污染物的类别、结构特点、环境行为和环境效应，对于环境监测、风险评估、污染控制和管理至关重要。针对不同类型的有机污染物，需要采取不同的控制和治理策略，以保护人类健康和生态环境。
3. 大气环境化学 (Atmospheric Environmental Chemistry)
本章深入探讨大气圈的组成、结构、化学过程，以及主要大气污染物的来源、转化、迁移和环境效应，并介绍大气污染控制策略。大气是地球生命系统的重要组成部分，维持着地球的温度平衡和生物生存。然而，随着工业化和城市化的快速发展，大气污染日益严重，对人类健康和生态环境造成了巨大威胁。本章旨在全面解析大气环境化学的核心内容，帮助读者理解大气污染的化学本质，掌握大气污染控制的基本原理和技术，为环境保护和可持续发展提供理论基础和实践指导。
3.1 大气圈的组成与结构 (Composition and Structure of the Atmosphere)
大气圈是包围地球的气体外壳，是地球系统中最重要的组成部分之一。它不仅为地球上的生物提供了呼吸的空气，还调节着地球的气候和天气模式。了解大气圈的组成和结构是研究大气环境化学的基础。
3.1.1 大气圈的垂直分层 (Vertical Layers of the Atmosphere)
大气圈并非均匀一致，而是根据温度、密度和化学成分的垂直变化，可以划分为不同的层次。从地面向上，主要分为对流层 (troposphere)、平流层 (stratosphere)、中间层 (mesosphere) 和热层 (thermosphere) 等。
① 对流层 (Troposphere)：
▮▮▮▮对流层是大气圈最靠近地面的layer，也是与人类活动关系最密切的一层，其厚度在赤道地区约为17-18公里，两极地区约为8-9公里。
▮▮▮▮ⓐ 主要特征：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 温度随高度升高而降低，平均递减率为 \( 0.65^\circ C/100m \)。这是因为对流层的热量主要来自地面辐射，离地面越远，热量越少。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 空气密度最大，约占大气总质量的75%。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 大气运动以对流运动为主，空气垂直方向和水平方向的流动都很活跃，有利于水汽的垂直输送和水循环的进行，因此，对流层中天气现象复杂多变，如云、雨、雪、雾等都发生在对流层。
▮▮▮▮ⓔ 化学过程：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 对流层是大气化学反应最活跃的区域，各种污染物主要集中在对流层。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 光化学反应是重要的化学过程，例如，光化学烟雾的形成就发生在对流层。
▮▮▮▮ⓗ 重要性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 对流层是人类赖以生存的layer，我们呼吸的空气、生活和生产活动都发生在对流层。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 对流层的空气质量直接影响人类健康和生态环境。
② 平流层 (Stratosphere)：
▮▮▮▮平流层位于对流层之上，高度约为10-50公里。
▮▮▮▮ⓐ 主要特征：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 温度随高度升高而升高，在平流层顶部达到最高值，接近 \( 0^\circ C \)。这种温度分布称为逆温层，是由臭氧 (O\( _3 \)) 吸收太阳紫外辐射引起的。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 空气垂直运动较弱，水平运动为主，大气层结稳定。
▮▮▮▮ⓓ 化学过程：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 臭氧层 (ozone layer) 位于平流层中部，高度约为20-30公里，是平流层最重要的特征。臭氧层能够吸收太阳辐射中大部分的紫外线 (ultraviolet radiation)，保护地球生物免受紫外线伤害。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 臭氧的生成和破坏是一个动态平衡过程，受到多种因素的影响，如氯氟烃 (chlorofluorocarbons, CFCs) 等物质会破坏臭氧层。
▮▮▮▮ⓖ 重要性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 臭氧层是地球生命的保护伞，对地球生态系统至关重要。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 平流层的稳定层结对全球大气环流和气候有重要影响。
③ 中间层 (Mesosphere)：
▮▮▮▮中间层位于平流层之上，高度约为50-85公里。
▮▮▮▮ⓐ 主要特征：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 温度随高度升高而降低，是大气圈中最冷的layer，在中间层顶部温度可低至 \( -90^\circ C \) 甚至更低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 空气非常稀薄，密度很小。
▮▮▮▮ⓓ 化学过程：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 中间层大气化学研究相对较少，但已知存在一些重要的化学反应，如电离作用和化学发光。
▮▮▮▮ⓕ 重要性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 中间层对研究高层大气物理和化学过程具有重要意义。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 流星体在中间层燃烧，形成流星现象。
④ 热层 (Thermosphere)：
▮▮▮▮热层位于中间层之上，高度约为85公里以上。
▮▮▮▮ⓐ 主要特征：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 温度随高度升高而急剧升高，可达数百甚至上千摄氏度，但由于空气极其稀薄，热层的“热”与我们日常感受的热是不同的。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 大气密度极低，主要成分是原子和离子。
▮▮▮▮ⓓ 化学过程：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 热层大气主要发生电离和激发过程，太阳辐射中的高能粒子和射线使气体分子和原子电离，形成电离层 (ionosphere)。
▮▮▮▮ⓕ 重要性：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 电离层对无线电通讯具有重要作用，可以反射无线电波，实现远距离通讯。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 热层是地球大气圈的最外层，与空间环境直接相连。
大气圈的垂直分层结构示意图如下：
1
graph LR
2
A[地面] --> B(对流层 Troposphere);
3
B --> C(平流层 Stratosphere);
4
C --> D(中间层 Mesosphere);
5
D --> E(热层 Thermosphere);
6
E --> F[外层 Exosphere];
7
style B fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
8
style C fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
9
style D fill:#fcf,stroke:#333,stroke-width:2px
10
style E fill:#ffc,stroke:#333,stroke-width:2px
3.1.2 大气的主要化学成分 (Major Chemical Components of the Atmosphere)
干燥空气的主要成分是氮气 (nitrogen, N\( _2 \))、氧气 (oxygen, O\( _2 \))、氩气 (argon, Ar) 和二氧化碳 (carbon dioxide, CO\( _2 \))。这些成分占了干燥空气体积的99%以上。
① 氮气 (N\( _2 \))：
▮▮▮▮氮气是大气中最主要的成分，约占干燥空气体积的78%。
▮▮▮▮ⓐ 来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 大气中的氮气主要来源于地球早期的地质活动和生物固氮作用。
▮▮▮▮ⓒ 浓度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 大气中氮气的浓度相对稳定，但在某些特殊情况下，如闪电作用下，氮气可以转化为氮氧化物。
▮▮▮▮ⓔ 环境意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 氮气是生物体蛋白质和核酸的重要组成元素，是生命活动不可或缺的元素。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 大气中的氮气在氮循环 (nitrogen cycle) 中起着关键作用。
② 氧气 (O\( _2 \))：
▮▮▮▮氧气是大气中第二大成分，约占干燥空气体积的21%。
▮▮▮▮ⓐ 来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 大气中的氧气主要来源于植物的光合作用 (photosynthesis)。
▮▮▮▮ⓒ 浓度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 大气中氧气的浓度相对稳定，但受到光合作用和呼吸作用 (respiration) 的动态平衡影响。
▮▮▮▮ⓔ 环境意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 氧气是绝大多数生物呼吸作用的必要气体，维持着地球上绝大多数生物的生命活动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 氧气参与地球表面的氧化还原反应，影响着地表物质的化学形态和环境过程。
③ 氩气 (Ar)：
▮▮▮▮氩气是一种惰性气体，约占干燥空气体积的0.93%。
▮▮▮▮ⓐ 来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 大气中的氩气主要来源于地球内部放射性元素钾-40 ( \( ^{40}K \)) 的衰变。
▮▮▮▮ⓒ 浓度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 氩气在大气中的浓度非常稳定，几乎不参与大气化学反应。
▮▮▮▮ⓔ 环境意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 氩气本身对环境没有直接影响，但可以作为示踪剂用于研究大气运动和扩散过程。
④ 二氧化碳 (CO\( _2 \))：
▮▮▮▮二氧化碳是大气中重要的微量气体，约占干燥空气体积的0.04% (400 ppm左右)，但其浓度正在不断上升。
▮▮▮▮ⓐ 来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 自然来源：火山喷发、动植物呼吸作用、有机物分解等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 人为来源：化石燃料燃烧 (fossil fuel combustion)、工业生产、土地利用变化等。
▮▮▮▮ⓓ 浓度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 二氧化碳在大气中的浓度受到自然循环和人类活动的影响，呈现明显的季节性和长期变化趋势。
▮▮▮▮ⓕ 环境意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 二氧化碳是重要的温室气体 (greenhouse gas)，对地球的温室效应 (greenhouse effect) 起着关键作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 大气中二氧化碳浓度的升高是全球气候变化 (global climate change) 的主要原因之一。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 二氧化碳是植物光合作用的原料，参与碳循环 (carbon cycle)。
除了上述主要成分外，大气中还含有少量的其他气体，如氖气 (Ne)、氦气 (He)、甲烷 (CH\( _4 \))、氧化亚氮 (N\( _2 \)O)、臭氧 (O\( _3 \)) 等，以及水汽 (H\( _2 \)O) 和气溶胶 (aerosol)。
3.1.3 大气中的微量成分与气溶胶 (Trace Components and Aerosols in the Atmosphere)
大气中的微量成分虽然含量很低，但对大气化学、气候和人类健康具有重要影响。气溶胶是由悬浮在大气中的固态或液态微粒组成的复杂混合物，对大气辐射平衡、云的形成和降水过程有重要影响。
① 大气中的微量气体成分：
▮▮▮▮大气中除了主要成分外，还存在许多微量气体成分，如臭氧 (O\( _3 \))、甲烷 (CH\( _4 \))、氧化亚氮 (N\( _2 \)O) 等。
▮▮▮▮ⓐ 臭氧 (O\( _3 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 来源：平流层臭氧主要通过氧气的光化学反应生成，对流层臭氧则主要是二次污染物，由氮氧化物和挥发性有机物在光化学作用下生成。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 环境效应：平流层臭氧吸收紫外线，保护地球生物；对流层臭氧是光化学烟雾的主要成分，是重要的温室气体和污染物，对人体健康和植物生长有害。
▮▮▮▮ⓓ 甲烷 (CH\( _4 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 来源：自然来源包括湿地、反刍动物、天然气泄漏等；人为来源包括农业活动（水稻种植、畜牧业）、化石燃料开采和燃烧、垃圾填埋等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 环境效应：甲烷是重要的温室气体，温室效应强度是二氧化碳的25倍左右（百年尺度），对全球气候变化有重要贡献。
▮▮▮▮ⓖ 氧化亚氮 (N\( _2 \)O)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 来源：自然来源包括土壤和海洋的微生物活动；人为来源包括农业活动（化肥施用）、工业生产、化石燃料燃烧等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 环境效应：氧化亚氮是重要的温室气体，温室效应强度是二氧化碳的近300倍，同时也是破坏臭氧层的物质之一。
▮▮▮▮ⓙ 其他微量气体：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 其他重要的微量气体还包括一氧化碳 (CO)、二氧化硫 (SO\( _2 \))、氮氧化物 (NO\( _x \))、氨气 (NH\( _3 \))、非甲烷挥发性有机物 (non-methane volatile organic compounds, NMVOCs) 等，它们主要来源于人类活动和自然过程，对大气环境质量和气候变化有重要影响。
② 大气气溶胶 (Atmospheric Aerosols)：
▮▮▮▮气溶胶是指悬浮在大气中的固态或液态微粒，粒径范围通常为 \( 0.001 \mu m \) 到 \( 100 \mu m \)。
▮▮▮▮ⓐ 种类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 根据来源分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 一次气溶胶 (primary aerosols)：直接从源排放到大气中的气溶胶，如沙尘、海盐、火山灰、生物质燃烧产生的烟尘、工业粉尘等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 二次气溶胶 (secondary aerosols)：由气态污染物通过大气化学反应转化生成的颗粒物，如硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、二次有机气溶胶 (secondary organic aerosols, SOA) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 根据化学成分分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 无机气溶胶：硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐、沙尘等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 有机气溶胶：一次有机气溶胶 (POA)、二次有机气溶胶 (SOA)、生物气溶胶等。
▮▮▮▮ⓗ 来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 自然来源：火山喷发、沙尘暴、海盐飞溅、森林火灾、植被释放的生物源挥发性有机物 (biogenic volatile organic compounds, BVOCs) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 人为来源：化石燃料燃烧、工业排放、交通运输、生物质燃烧、农业活动等。
▮▮▮▮ⓚ 性质：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 粒径分布：气溶胶的粒径分布范围很广，不同粒径的气溶胶具有不同的物理化学性质和环境效应。例如，PM2.5 (粒径小于等于 \( 2.5 \mu m \) 的颗粒物) 和 PM10 (粒径小于等于 \( 10 \mu m \) 的颗粒物) 是大气污染中重要的指标。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 化学组成：气溶胶的化学组成复杂多样，受到来源和大气化学过程的影响。
▮▮▮▮ⓝ 环境效应：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 气候效应：气溶胶通过散射和吸收太阳辐射，以及影响云的形成和性质，对地球辐射平衡和气候变化产生重要影响。某些气溶胶（如硫酸盐气溶胶）具有降温效应，而另一些气溶胶（如黑碳气溶胶）则具有增温效应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 健康效应：细颗粒物 (如PM2.5) 可以深入呼吸系统，对人体健康造成危害，引发呼吸系统疾病、心血管疾病等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 能见度效应：大气气溶胶是影响大气能见度的重要因素，高浓度的气溶胶会导致雾霾天气，降低能见度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生态效应：气溶胶沉降会影响土壤和水体的化学组成，对生态系统产生影响。
3.2 大气污染及其化学 (Atmospheric Pollution and its Chemistry)
大气污染是指由于人类活动或自然原因，大量污染物进入大气，超过大气的自净能力，导致大气成分、结构和功能发生改变，对人类健康、生态环境和财产造成不利影响的现象。大气污染问题日益突出，成为全球性的环境挑战。
3.2.1 颗粒物污染 (Particulate Matter Pollution)
颗粒物污染是指大气中颗粒物浓度超过一定标准，对环境和人体健康造成危害的污染现象。颗粒物是大气污染的重要组成部分，也是雾霾天气的主要成因。
① 颗粒物的来源：
▮▮▮▮ⓑ 自然来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 沙尘：风力作用下，沙漠和裸露地表的土壤颗粒被扬起，形成沙尘气溶胶。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 海盐：海浪和海风作用下，海水飞溅形成海盐气溶胶。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 火山灰：火山喷发释放出大量的火山灰和火山气体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 生物源气溶胶：花粉、孢子、细菌、病毒等生物颗粒物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 森林火灾：森林火灾产生的烟尘。
▮▮▮▮ⓗ 人为来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 工业排放：工业生产过程中产生的粉尘、烟尘、金属颗粒物等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 燃煤：燃煤电厂、工业锅炉和民用燃煤产生的烟尘和飞灰。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 交通运输：机动车尾气排放的颗粒物，以及道路扬尘。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 建筑扬尘：建筑施工、拆迁等过程产生的扬尘。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 生物质燃烧：秸秆焚烧、垃圾焚烧等产生的烟尘。
② 颗粒物的分类：
▮▮▮▮ⓑ 按粒径大小分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 总悬浮颗粒物 (total suspended particulate, TSP)：指粒径小于等于 \( 100 \mu m \) 的所有颗粒物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 可吸入颗粒物 (PM10)：指粒径小于等于 \( 10 \mu m \) 的颗粒物，可以被人体吸入呼吸系统深处。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 细颗粒物 (PM2.5)：指粒径小于等于 \( 2.5 \mu m \) 的颗粒物，可以进入肺泡，对人体健康危害更大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 超细颗粒物 (ultrafine particles, UFP)：指粒径小于 \( 0.1 \mu m \) 的颗粒物，可以进入血液循环系统，对人体健康危害极大。
▮▮▮▮ⓖ 按化学组成分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 无机颗粒物：沙尘、海盐、矿物颗粒、金属颗粒、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 有机颗粒物：一次有机颗粒物 (POA)、二次有机颗粒物 (SOA)、黑碳 (black carbon, BC)、有机碳 (organic carbon, OC) 等。
③ 颗粒物的粒径分布：
▮▮▮▮大气颗粒物的粒径分布范围很广，从纳米级到微米级，不同来源和形成机制的颗粒物具有不同的粒径分布特征。
▮▮▮▮ⓐ 模态分布：大气颗粒物的粒径分布通常呈现多模态分布，主要有三个模态：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 爱根核模 (nucleation mode)：粒径小于 \( 0.02 \mu m \)，主要由新凝结成核过程形成，数量多但质量小。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 积聚模 (accumulation mode)：粒径范围为 \( 0.02-1 \mu m \)，主要由凝结增长和聚并过程形成，是颗粒物质量的主要贡献者。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 粗模 (coarse mode)：粒径大于 \( 1 \mu m \)，主要由机械破碎和扬尘过程形成，如沙尘、海盐等。
④ 颗粒物的化学组成：
▮▮▮▮颗粒物的化学组成复杂多样，受到来源和大气化学过程的影响。
▮▮▮▮ⓐ 无机成分：硫酸根 (SO\( _4^{2-} \))、硝酸根 (NO\( _3^{-} \))、铵根 (NH\( _4^{+} \))、氯离子 (Cl\( ^{-} \))、钠离子 (Na\( ^{+} \))、钙离子 (Ca\( ^{2+} \))、钾离子 (K\( ^{+} \))、镁离子 (Mg\( ^{2+} \))、金属元素 (如重金属) 等。
▮▮▮▮ⓑ 有机成分：有机碳 (OC)、黑碳 (BC)、多环芳烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)、二噁英 (dioxins)、多氯联苯 (polychlorinated biphenyls, PCBs) 等。
⑤ 颗粒物的健康效应：
▮▮▮▮颗粒物，尤其是细颗粒物 (PM2.5) 和超细颗粒物，对人体健康危害严重。
▮▮▮▮ⓐ 呼吸系统疾病：颗粒物可以刺激和损伤呼吸道，引发哮喘、支气管炎、慢性阻塞性肺疾病 (COPD)、肺癌等。
▮▮▮▮ⓑ 心血管系统疾病：细颗粒物可以进入血液循环系统，引发心肌梗死、中风、高血压等心血管疾病。
▮▮▮▮ⓒ 其他健康效应：颗粒物还可能影响神经系统、内分泌系统、生殖系统等，增加儿童和老年人的死亡风险。
⑥ PM2.5和PM10污染问题：
▮▮▮▮PM2.5和PM10是大气颗粒物污染中最重要的指标，也是雾霾天气的主要成分。
▮▮▮▮ⓐ PM2.5污染：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ PM2.5粒径小，比表面积大，易吸附有毒有害物质，且易进入人体肺泡，对健康危害更大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ PM2.5来源复杂，既有一次排放，也有二次生成，控制难度大。
▮▮▮▮ⓓ PM10污染：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ PM10主要来源于扬尘和粗颗粒物排放，对能见度影响较大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ PM10对呼吸系统也有一定危害，但主要影响上呼吸道。
3.2.2 硫氧化物与酸雨 (Sulfur Oxides and Acid Rain)
硫氧化物 (sulfur oxides, SO\( _x \)) 主要指二氧化硫 (sulfur dioxide, SO\( _2 \)) 和三氧化硫 (sulfur trioxide, SO\( _3 \))，其中二氧化硫是主要的大气污染物。酸雨 (acid rain) 是指pH值小于5.6的降水，主要是由大气中的硫氧化物和氮氧化物等酸性污染物转化形成的。
① 硫氧化物的来源：
▮▮▮▮ⓑ 自然来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 火山喷发：火山喷发释放出大量的二氧化硫气体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 海洋生物活动：海洋生物代谢产生的硫化氢 (H\( _2 \)S) 释放到大气中，氧化后生成二氧化硫。
▮▮▮▮ⓔ 人为来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 燃煤：燃煤是二氧化硫最主要的人为来源，煤炭中含有硫元素，燃烧后转化为二氧化硫。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 工业排放：冶金、化工、石油炼制等工业生产过程排放的含硫废气。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 交通运输：船舶燃油和部分汽车尾气排放的二氧化硫。
② 硫氧化物的大气化学转化过程：
▮▮▮▮二氧化硫排放到大气中后，会发生一系列化学反应，最终转化为硫酸盐气溶胶和硫酸 (H\( _2 \)SO\( _4 \))。
▮▮▮▮ⓐ 气相氧化：
\[ SO_2 + OH \cdot \xrightarrow{M} HOSO_2 \cdot \\ HOSO_2 \cdot + O_2 \longrightarrow SO_3 + HO_2 \cdot \\ SO_3 + H_2O \longrightarrow H_2SO_4 \]
▮▮▮▮▮▮▮▮二氧化硫与大气中的羟基自由基 (hydroxyl radical, \( \cdot OH \)) 反应，生成亚硫酸氢自由基 (HOSO\( _2 \cdot \))，再被氧气氧化生成三氧化硫 (SO\( _3 \))，三氧化硫与水反应生成硫酸。
▮▮▮▮ⓑ 液相氧化：
▮▮▮▮▮▮▮▮二氧化硫溶解在云雾雨水中，在液相中被氧化剂（如臭氧、过氧化氢、氧气和过渡金属离子催化）氧化生成硫酸。
\[ SO_2(g) \rightleftharpoons SO_2(aq) \\ SO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons HSO_3^{-} + H^{+} \\ HSO_3^{-} + 氧化剂 \longrightarrow SO_4^{2-} \]
③ 酸雨的形成机制：
▮▮▮▮酸雨主要是由大气中的二氧化硫和氮氧化物等酸性污染物转化形成的。
▮▮▮▮ⓐ 主要酸性成分：硫酸和硝酸 (nitric acid, HNO\( _3 \)) 是酸雨的主要酸性成分，其中硫酸的贡献通常更大。
▮▮▮▮ⓑ 形成过程：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 酸性气体排放：二氧化硫和氮氧化物等酸性气体排放到大气中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 大气化学转化：酸性气体在大气中经过气相和液相氧化反应，转化为硫酸和硝酸等酸性物质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 降水过程：酸性物质被云雾雨雪吸收，随降水降落到地面，形成酸雨。
④ 酸雨的环境效应：
▮▮▮▮酸雨对生态环境和材料造成广泛的危害。
▮▮▮▮ⓐ 对水体的危害：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 水体酸化：酸雨导致湖泊、河流等水体pH值下降，水体酸化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 生物毒害：水体酸化对水生生物产生毒害作用，影响鱼类、浮游生物等生存和繁殖，破坏水生生态系统。
▮▮▮▮ⓓ 对土壤的危害：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 土壤酸化：酸雨导致土壤pH值下降，土壤酸化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 养分淋失：酸雨加速土壤中钙、镁、钾等营养元素的淋失，降低土壤肥力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 重金属活化：酸雨促进土壤中重金属的溶解和活化，增加重金属的生物有效性和毒性。
▮▮▮▮ⓗ 对森林的危害：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 叶片损伤：酸雨直接损伤植物叶片，影响植物光合作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 土壤酸化：酸雨导致土壤酸化，影响植物根系吸收养分，导致森林衰退。
▮▮▮▮ⓚ 对建筑材料的腐蚀：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 酸雨腐蚀建筑物、雕塑、桥梁等石材和金属材料，造成经济损失和文化遗产破坏。
⑤ 酸雨的控制措施：
▮▮▮▮控制酸雨的关键是减少硫氧化物和氮氧化物的排放。
▮▮▮▮ⓐ 源头控制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 减少燃煤：调整能源结构，减少煤炭消费，发展清洁能源（如天然气、核能、可再生能源）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 煤炭脱硫：燃煤前、燃煤中和燃煤后进行脱硫处理，减少二氧化硫排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 工业废气治理：对工业排放的含硫废气进行治理，采用脱硫技术。
▮▮▮▮ⓔ 末端治理：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 烟气脱硫 (flue gas desulfurization, FGD)：在燃煤电厂和工业锅炉等排放源安装烟气脱硫装置，去除烟气中的二氧化硫。常用的脱硫技术包括湿法脱硫、干法脱硫和半干法脱硫等。
3.2.3 氮氧化物与光化学烟雾 (Nitrogen Oxides and Photochemical Smog)
氮氧化物 (nitrogen oxides, NO\( _x \)) 主要指一氧化氮 (nitric oxide, NO) 和二氧化氮 (nitrogen dioxide, NO\( _2 \))，通常将两者合称为 NO\( _x \)。光化学烟雾 (photochemical smog) 是指在特定气象条件下，由汽车尾气、工业废气等排放的氮氧化物和挥发性有机物 (VOCs) 在阳光照射下发生复杂的光化学反应，生成臭氧、过氧乙酰硝酸酯 (peroxyacetyl nitrate, PAN) 等二次污染物，形成的二次污染现象。
① 氮氧化物的来源：
▮▮▮▮ⓑ 自然来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 闪电：闪电作用下，大气中的氮气和氧气反应生成一氧化氮。
\[ N_2 + O_2 \xrightarrow{闪电} 2NO \]
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 生物过程：土壤微生物的硝化和反硝化作用释放一氧化氮和氧化亚氮。
▮▮▮▮ⓑ 人为来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 燃煤：燃煤电厂和工业锅炉燃煤过程中产生氮氧化物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 机动车尾气：汽车发动机高温燃烧过程中，空气中的氮气和氧气反应生成氮氧化物，是城市氮氧化物污染的主要来源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 工业排放：硝酸生产、化肥生产、有色金属冶炼等工业过程排放氮氧化物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 生物质燃烧：生物质燃烧也产生一定量的氮氧化物。
② 氮氧化物的大气化学转化过程：
▮▮▮▮一氧化氮排放到大气中后，很快被氧化为二氧化氮，二氧化氮在光照条件下发生光解反应，生成原子氧 (O) 和一氧化氮，原子氧与氧气反应生成臭氧。
\[ NO + O_3 \longrightarrow NO_2 + O_2 \\ NO_2 + h\nu (\lambda < 420 nm) \longrightarrow NO + O \\ O + O_2 + M \longrightarrow O_3 + M \]
▮▮▮▮其中，M代表第三体分子，如 N\( _2 \) 或 O\( _2 \)，起能量传递作用。
③ 光化学烟雾的形成机制：
▮▮▮▮光化学烟雾的形成需要氮氧化物、挥发性有机物和阳光三个条件。
▮▮▮▮ⓐ 形成条件：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 氮氧化物 (NO\( _x \)) 和挥发性有机物 (VOCs)：作为前体物，是光化学烟雾形成的物质基础。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 阳光 (h\( \nu \))：提供光化学反应的能量，是光化学烟雾形成的重要驱动力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 静稳天气：不利于污染物扩散，使污染物浓度积累，有利于光化学烟雾的形成。
▮▮▮▮ⓔ 形成过程：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ NO-NO\( _2 \)-O\( _3 \) 光化学循环：在阳光照射下，二氧化氮光解生成原子氧和一氧化氮，原子氧与氧气反应生成臭氧，臭氧又与一氧化氮反应生成二氧化氮和氧气，形成 NO-NO\( _2 \)-O\( _3 \) 光化学循环。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ VOCs 的参与：挥发性有机物 (VOCs) 在光化学反应中起着重要作用，VOCs 与羟基自由基等氧化剂反应，生成过氧自由基 (RO\( _2 \cdot \))，过氧自由基可以将一氧化氮氧化为二氧化氮，但不消耗臭氧，打破 NO-NO\( _2 \)-O\( _3 \) 循环的平衡，导致臭氧积累。
\[ VOCs + OH \cdot \longrightarrow RO_2 \cdot + ... \\ RO_2 \cdot + NO \longrightarrow NO_2 + RO \cdot \\ RO \cdot + O_2 \longrightarrow HO_2 \cdot + R'CHO \\ HO_2 \cdot + NO \longrightarrow NO_2 + OH \cdot \]
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 二次污染物的生成：在光化学反应过程中，除了臭氧外，还会生成一系列二次污染物，如过氧乙酰硝酸酯 (PAN)、醛类、酮类、硝酸、有机气溶胶等，这些二次污染物共同构成了光化学烟雾。
④ 光化学烟雾的成分和危害：
▮▮▮▮ⓑ 主要成分：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 臭氧 (O\( _3 \))：光化学烟雾的主要成分，浓度可达背景值的数倍甚至数十倍。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 过氧乙酰硝酸酯 (PAN)：强刺激性污染物，对眼睛和呼吸道有强烈刺激作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 醛类、酮类：具有刺激性气味，对眼睛和呼吸道有刺激作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 硝酸、有机气溶胶等。
▮▮▮▮ⓖ 危害：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 刺激眼睛和呼吸道：光化学烟雾中的臭氧、PAN、醛类等污染物对眼睛和呼吸道有强烈刺激作用，引起眼睛刺痛、流泪、咳嗽、呼吸困难等症状。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 危害人体健康：长期暴露于光化学烟雾中，可能引发哮喘、支气管炎、肺功能下降等呼吸系统疾病，以及心血管疾病。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 损害植物：臭氧等污染物会损害植物叶片，影响植物光合作用，导致农作物减产和森林衰退。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 降低能见度：光化学烟雾中的气溶胶会降低大气能见度，影响交通安全。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 腐蚀材料：臭氧等污染物会加速橡胶、塑料、纺织品等材料的老化和腐蚀。
⑤ 光化学烟雾的控制策略：
▮▮▮▮控制光化学烟雾的关键是减少氮氧化物和挥发性有机物 (VOCs) 的排放。
▮▮▮▮ⓐ 控制氮氧化物排放：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 机动车尾气治理：推广使用三元催化转化器，减少汽车尾气中氮氧化物的排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 工业废气治理：对燃煤电厂、工业锅炉等排放源进行脱硝处理，减少氮氧化物排放。
▮▮▮▮ⓓ 控制挥发性有机物 (VOCs) 排放：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 工业 VOCs 治理：对化工、涂料、印刷、油品储运销等行业 VOCs 排放进行治理，采用吸附、吸收、催化燃烧、热力焚烧等技术。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 汽车尾气 VOCs 治理：推广使用三元催化转化器，减少汽车尾气中 VOCs 的排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 溶剂替代：在涂料、油墨、胶粘剂等行业推广使用水性、低 VOCs 含量或无 VOCs 含量产品，减少溶剂挥发。
3.2.4 挥发性有机物 (VOCs) 污染 (Volatile Organic Compounds (VOCs) Pollution)
挥发性有机物 (volatile organic compounds, VOCs) 是指在常温常压下易挥发的有机化合物。VOCs 种类繁多，来源广泛，是大气污染的重要组成部分，也是光化学烟雾和臭氧污染的重要前体物。
① VOCs 的来源：
▮▮▮▮ⓑ 自然来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 植物源排放：植物释放的异戊二烯 (isoprene)、单萜烯 (monoterpenes) 等生物源挥发性有机物 (BVOCs)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 湿地、森林、海洋等自然生态系统排放的 VOCs。
▮▮▮▮ⓔ 人为来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 工业排放：化工、涂料、印刷、制药、电子、家具制造等行业排放的 VOCs。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 交通运输：汽车尾气、船舶排放、飞机排放等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 溶剂使用：涂料、油墨、胶粘剂、清洗剂等溶剂挥发。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 油品储运销：汽油、柴油等油品储运销过程中的挥发损失。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 生物质燃烧：秸秆焚烧、垃圾焚烧等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 餐饮油烟：餐饮业烹饪过程中产生的油烟。
② VOCs 的种类：
▮▮▮▮VOCs 种类繁多，按化学结构可分为烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃、卤代烃、醇、醚、醛、酮、羧酸、酯等。
▮▮▮▮ⓐ 烷烃：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。
▮▮▮▮ⓑ 烯烃：乙烯、丙烯、丁烯、异戊二烯等。
▮▮▮▮ⓒ 芳香烃：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等。
▮▮▮▮ⓓ 卤代烃：氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等。
▮▮▮▮ⓔ 含氧 VOCs：甲醇、乙醇、甲醛、乙醛、丙酮、丁酮、乙酸乙酯等。
③ VOCs 的大气化学反应：
▮▮▮▮VOCs 在大气中可以发生多种化学反应，主要包括氧化反应、光解反应、加成反应等。
▮▮▮▮ⓐ 氧化反应：VOCs 与大气中的氧化剂（如羟基自由基、臭氧、硝酸根自由基）反应，发生氧化降解，生成二次污染物，如臭氧、二次有机气溶胶 (SOA) 等。
▮▮▮▮ⓑ 光解反应：某些 VOCs 在阳光照射下可以发生光解反应，如甲醛、乙醛等。
▮▮▮▮ⓒ 加成反应：烯烃等不饱和 VOCs 可以与臭氧等发生加成反应。
④ VOCs 的环境效应：
▮▮▮▮ⓑ 参与光化学烟雾和臭氧污染：VOCs 是光化学烟雾和臭氧污染的重要前体物，参与大气光化学反应，促进臭氧和二次有机气溶胶的生成。
▮▮▮▮ⓒ 危害人体健康：某些 VOCs 具有毒性、致癌性、致畸性，如苯、甲苯、二甲苯、甲醛等，长期暴露于高浓度 VOCs 环境中，可能引发呼吸系统疾病、神经系统疾病、血液系统疾病、癌症等。
▮▮▮▮ⓓ 影响气候变化：某些 VOCs 是温室气体，如甲烷，对全球气候变化有贡献。二次有机气溶胶也可能影响气候变化。
▮▮▮▮ⓔ 破坏臭氧层：某些卤代烃 VOCs (如氯氟烃 CFCs) 可以破坏平流层臭氧层。
⑤ VOCs 的控制技术：
▮▮▮▮VOCs 控制技术主要包括源头控制和末端治理。
▮▮▮▮ⓐ 源头控制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 溶剂替代：在涂料、油墨、胶粘剂等行业推广使用水性、低 VOCs 含量或无 VOCs 含量产品，减少溶剂挥发。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 工艺改进：改进生产工艺，减少 VOCs 产生和排放，如采用密闭生产、冷凝回收、吸附回收等技术。
▮▮▮▮ⓓ 末端治理：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 吸附法：活性炭吸附、分子筛吸附等，适用于低浓度 VOCs 治理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 吸收法：水吸收、油吸收等，适用于高浓度、易溶于水的 VOCs 治理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 催化燃烧法：适用于高浓度 VOCs 治理，将 VOCs 在催化剂作用下氧化为二氧化碳和水。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 热力焚烧法：适用于高浓度 VOCs 治理，将 VOCs 在高温下直接焚烧氧化。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 生物法：生物滤池、生物滴滤池等，适用于低浓度、易生物降解的 VOCs 治理。
3.2.5 温室气体与全球气候变化 (Greenhouse Gases and Global Climate Change)
温室气体 (greenhouse gases) 是指大气中能够吸收和辐射长波辐射 (longwave radiation)，产生温室效应的气体。主要的温室气体包括二氧化碳 (CO\( _2 \))、甲烷 (CH\( _4 \))、氧化亚氮 (N\( _2 \)O)、氟氯烃 (hydrofluorocarbons, HFCs)、全氟化碳 (perfluorocarbons, PFCs)、六氟化硫 (sulfur hexafluoride, SF\( _6 \)) 等。全球气候变化 (global climate change) 主要是指以全球变暖为主要特征的气候系统长期变化，主要由人类活动排放的温室气体增加引起。
① 温室气体的来源：
▮▮▮▮ⓑ 二氧化碳 (CO\( _2 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 自然来源：动植物呼吸作用、火山喷发、海洋释放等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 人为来源：化石燃料燃烧 (燃煤、燃油、燃气)、水泥生产、毁林等。
▮▮▮▮ⓔ 甲烷 (CH\( _4 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 自然来源：湿地、沼泽、白蚁、天然气水合物等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 人为来源：农业活动 (水稻种植、畜牧业)、天然气和石油开采、煤矿瓦斯排放、垃圾填埋等。
▮▮▮▮ⓗ 氧化亚氮 (N\( _2 \)O)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 自然来源：土壤和海洋的微生物活动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 人为来源：农业活动 (化肥施用)、工业生产 (硝酸生产、己二酸生产)、化石燃料燃烧、生物质燃烧等。
▮▮▮▮ⓚ 氟氯烃 (HFCs)、全氟化碳 (PFCs)、六氟化硫 (SF\( _6 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 完全人为来源：主要用于制冷剂、发泡剂、气溶胶推进剂、电子工业、灭火剂等。
② 温室气体的浓度变化：
▮▮▮▮自工业革命以来，由于人类活动的影响，大气中温室气体浓度显著增加。
▮▮▮▮ⓐ 二氧化碳 (CO\( _2 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 工业革命前 (1750年左右)：约 280 ppm。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 2023年：超过 420 ppm，且持续上升。
▮▮▮▮ⓓ 甲烷 (CH\( _4 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 工业革命前：约 720 ppb。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 2023年：超过 1900 ppb，且持续上升。
▮▮▮▮ⓖ 氧化亚氮 (N\( _2 \)O)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 工业革命前：约 270 ppb。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 2023年：超过 330 ppb，且持续上升。
③ 温室效应和全球气候变化的影响：
▮▮▮▮温室气体浓度的增加导致地球温室效应增强，引起全球气候变化，对自然生态系统和人类社会产生广泛而深远的影响。
▮▮▮▮ⓐ 全球变暖：全球平均气温持续升高，极端高温事件频率和强度增加。
▮▮▮▮ⓑ 海平面上升：冰川融化、海水热膨胀导致海平面上升，威胁沿海地区和岛屿国家。
▮▮▮▮ⓒ 极端天气事件：极端降水、干旱、洪涝、飓风、热浪等极端天气事件频率和强度增加。
▮▮▮▮ⓓ 生态系统影响：气候变化影响生态系统结构和功能，导致物种分布范围改变、生物多样性丧失、生态系统服务功能下降。
▮▮▮▮ⓔ 社会经济影响：气候变化影响农业生产、水资源安全、能源需求、人类健康、基础设施等，对社会经济发展造成重大挑战。
④ 减缓气候变化的措施：
▮▮▮▮减缓气候变化需要全球共同努力，采取多种措施，主要是减少温室气体排放和增加碳汇。
▮▮▮▮ⓐ 减少温室气体排放 (减排)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 能源转型：发展可再生能源 (太阳能、风能、水能、生物质能、地热能)，逐步替代化石燃料。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 提高能源效率：提高工业、建筑、交通等领域的能源利用效率，减少能源消耗。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 发展低碳交通：推广电动汽车、公共交通、自行车、步行等低碳交通方式。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 工业减排：采用低碳生产工艺，减少工业过程温室气体排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 农业减排：改进农业生产方式，减少农业活动甲烷和氧化亚氮排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 碳捕集与封存 (carbon capture and storage, CCS)：将工业排放的二氧化碳捕集起来，并封存到地下或海洋中，减少二氧化碳进入大气。
▮▮▮▮ⓗ 增加碳汇 (增汇)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 植树造林和森林保护：增加森林面积，提高森林碳汇能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 保护和恢复湿地、草地、海洋生态系统等碳汇。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 碳捕集与利用 (carbon capture and utilization, CCU)：将捕集的二氧化碳转化为有用的产品，如化学品、燃料、建材等。
3.2.6 臭氧层破坏与保护 (Ozone Layer Depletion and Protection)
臭氧层 (ozone layer) 是指平流层中臭氧 (O\( _3 \)) 浓度较高的区域，主要位于平流层中部，高度约为20-30公里。臭氧层能够吸收太阳辐射中大部分的紫外线 (UV-B 和 UV-C)，保护地球生物免受紫外线伤害。臭氧层破坏 (ozone layer depletion) 是指平流层臭氧浓度下降，导致到达地面的紫外线辐射增强的现象。
① 平流层臭氧层的形成与作用：
▮▮▮▮ⓑ 臭氧层的形成：
▮▮▮▮▮▮▮▮平流层臭氧主要通过氧气的光化学反应生成，称为查普曼循环 (Chapman cycle)。
\[ O_2 + h\nu (\lambda < 242 nm) \longrightarrow 2O \\ O + O_2 + M \longrightarrow O_3 + M \\ O_3 + h\nu (\lambda < 320 nm) \longrightarrow O_2 + O \\ O + O_3 \longrightarrow 2O_2 \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，第一步和第二步反应生成臭氧，第三步和第四步反应破坏臭氧，在自然条件下，臭氧的生成和破坏处于动态平衡，维持臭氧层相对稳定。
▮▮▮▮ⓑ 臭氧层的作用：
▮▮▮▮▮▮▮▮臭氧层能够吸收太阳辐射中波长较短、能量较高的紫外线 (UV-B 和 UV-C)，特别是对生物危害最大的 UV-B 辐射，臭氧层吸收了99%以上的 UV-B 辐射，使地球生物免受过量紫外线伤害。
② 臭氧层破坏的机制：
▮▮▮▮臭氧层破坏主要是由人类活动排放的消耗臭氧层物质 (ozone-depleting substances, ODS) 引起的。主要的 ODS 包括氯氟烃 (CFCs)、哈龙 (halons)、四氯化碳 (carbon tetrachloride, CCl\( _4 \))、甲基氯仿 (methyl chloroform, CH\( _3 \)CCl\( _3 \))、甲基溴 (methyl bromide, CH\( _3 \)Br) 等。
▮▮▮▮ⓐ CFCs 破坏臭氧层的机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮CFCs 等 ODS 物质在大气中非常稳定，可以长期存在，并缓慢扩散到平流层。在平流层强烈的紫外线照射下，CFCs 分解释放出氯原子 (Cl)。氯原子可以作为催化剂，参与臭氧破坏反应，一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。
\[ CFCl_3 + h\nu \longrightarrow CFCl_2 + Cl \\ Cl + O_3 \longrightarrow ClO + O_2 \\ ClO + O \longrightarrow Cl + O_2 \]
▮▮▮▮▮▮▮▮总反应： \( O_3 + O \longrightarrow 2O_2 \)
▮▮▮▮▮▮▮▮氯原子在反应中作为催化剂，不断循环破坏臭氧，而自身不被消耗。
▮▮▮▮ⓑ 其他 ODS 破坏臭氧层的机制：
▮▮▮▮▮▮▮▮哈龙释放溴原子 (Br)，溴原子破坏臭氧的效率比氯原子更高。
▮▮▮▮▮▮▮▮四氯化碳、甲基氯仿、甲基溴等也释放氯原子或溴原子，参与臭氧破坏反应。
③ 主要的臭氧层破坏物质 (ODS)：
▮▮▮▮ⓑ 氯氟烃 (CFCs)：
▮▮▮▮▮▮▮▮曾经广泛用作制冷剂、发泡剂、气溶胶推进剂等，是主要的 ODS。
▮▮▮▮ⓑ 哈龙 (halons)：
▮▮▮▮▮▮▮▮主要用作灭火剂，破坏臭氧层的能力比 CFCs 更强。
▮▮▮▮ⓒ 四氯化碳 (CCl\( _4 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮用作溶剂、清洗剂、化工原料等。
▮▮▮▮ⓓ 甲基氯仿 (CH\( _3 \)CCl\( _3 \))：
▮▮▮▮▮▮▮▮用作溶剂、清洗剂等。
▮▮▮▮ⓔ 甲基溴 (CH\( _3 \)Br)：
▮▮▮▮▮▮▮▮用作土壤熏蒸剂、检疫熏蒸剂等。
④ 臭氧层破坏的环境效应：
▮▮▮▮臭氧层破坏导致到达地面的紫外线辐射增强，对人类健康和生态环境产生危害。
▮▮▮▮ⓐ 危害人体健康：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 皮肤癌：紫外线辐射增强增加皮肤癌发病率，特别是基底细胞癌和鳞状细胞癌。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 白内障：紫外线辐射增强增加白内障发病率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 免疫系统抑制：紫外线辐射增强抑制人体免疫系统功能，降低人体抵抗力。
▮▮▮▮ⓔ 危害生态系统：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 损害植物：紫外线辐射增强损害植物叶片，影响植物光合作用，导致农作物减产和森林衰退。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 危害水生生物：紫外线辐射增强损害浮游植物、浮游动物、鱼卵和幼苗等水生生物，破坏水生生态系统。
▮▮▮▮ⓗ 加速材料老化：紫外线辐射增强加速塑料、橡胶、油漆、纺织品等材料的老化和损坏。
⑤ 臭氧层保护的国际合作：
▮▮▮▮为了保护臭氧层，国际社会开展了广泛的合作，制定了一系列国际公约和协议。
▮▮▮▮ⓐ 《维也纳保护臭氧层公约》 (Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer)：1985年通过，确立了保护臭氧层的基本原则和框架。
▮▮▮▮ⓑ 《蒙特利尔议定书》 (Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)：1987年通过，对 ODS 的生产和消费实施控制，并规定了削减时间表。
▮▮▮▮ⓒ 《伦敦修正案》 (London Amendment)、《哥本哈根修正案》 (Copenhagen Amendment)、《蒙特利尔修正案》 (Montreal Amendment)、《北京修正案》 (Beijing Amendment) 和 《基加利修正案》 (Kigali Amendment)：对《蒙特利尔议定书》进行多次修正和补充，加快 ODS 淘汰进程，并将氢氟碳化物 (HFCs) 纳入控制范围。《基加利修正案》主要针对 HFCs 的减排，HFCs 是 CFCs 的替代品，虽然不破坏臭氧层，但却是强效温室气体。
▮▮▮▮通过国际合作和《蒙特利尔议定书》及其修正案的实施，全球 ODS 排放得到有效控制，平流层氯浓度开始下降，臭氧层正在缓慢恢复。预计到本世纪中叶，臭氧层有望恢复到1980年之前的水平。
3.3 大气污染控制化学 (Atmospheric Pollution Control Chemistry)
大气污染控制化学是研究大气污染控制的基本原理、技术和方法的学科。大气污染控制策略主要包括源头控制、过程控制和末端治理等。
3.3.1 大气污染源控制技术 (Atmospheric Pollution Source Control Technologies)
大气污染源控制技术是指从污染源头减少污染物产生和排放的技术，是大气污染控制的最根本措施。
① 清洁能源替代：
▮▮▮▮减少化石燃料 (煤炭、石油、天然气) 的使用，发展清洁能源，如太阳能、风能、水能、核能、生物质能、地热能等。
▮▮▮▮ⓐ 太阳能：太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能热水器等。
▮▮▮▮ⓑ 风能：风力发电。
▮▮▮▮ⓒ 水能：水力发电。
▮▮▮▮ⓓ 核能：核电站。
▮▮▮▮ⓔ 生物质能：生物质发电、生物质燃料。
▮▮▮▮⚝ 优点：从源头上减少污染物排放，根本解决能源污染问题。
▮▮▮▮⚝ 挑战：清洁能源技术成本较高，大规模应用仍面临技术和经济挑战。
② 工业过程改进：
▮▮▮▮改进工业生产工艺，减少污染物产生和排放。
▮▮▮▮ⓐ 清洁生产工艺：采用低污染、低排放的生产工艺，如无溶剂涂装、水性涂料、粉末涂料、密闭生产、循环经济等。
▮▮▮▮ⓑ 资源综合利用：将工业生产过程中产生的废气、废水、废渣等资源化利用，减少污染物排放，实现废物资源化。
▮▮▮▮ⓒ 节能减排技术：采用节能技术，降低能源消耗，减少污染物排放。
▮▮▮▮⚝ 优点：从生产过程减少污染物产生，提高资源利用效率，降低生产成本。
▮▮▮▮⚝ 挑战：工业过程复杂多样，不同行业需要开发不同的清洁生产技术。
③ 燃料脱硫脱硝：
▮▮▮▮对化石燃料 (煤炭、石油) 进行脱硫脱硝处理，减少燃烧过程中二氧化硫和氮氧化物的排放。
▮▮▮▮ⓐ 煤炭脱硫：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 燃前脱硫：在煤炭燃烧前进行脱硫处理，如煤炭洗选、煤炭气化脱硫等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 燃中脱硫：在煤炭燃烧过程中加入脱硫剂，如钙基脱硫剂，进行炉内脱硫。
▮▮▮▮ⓓ 石油脱硫：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 加氢脱硫：在炼油过程中，采用加氢脱硫技术去除石油产品中的硫化物。
▮▮▮▮ⓕ 燃料脱硝：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 低氮燃烧技术：改进燃烧器设计，控制燃烧温度和氧气浓度，减少氮氧化物生成。
▮▮▮▮⚝ 优点：针对主要污染物二氧化硫和氮氧化物，有效减少排放。
▮▮▮▮⚝ 挑战：燃料脱硫脱硝技术成本较高，脱硫脱硝产物处理也是一个问题。
3.3.2 大气污染物去除技术 (Atmospheric Pollutant Removal Technologies)
大气污染物去除技术是指在污染物排放到大气之前，采用技术手段去除污染物，也称为末端治理技术。
① 颗粒物去除技术 (除尘器)：
▮▮▮▮用于去除烟气中的颗粒物，常用的除尘器包括机械除尘器、湿式除尘器、袋式除尘器和电除尘器等。
▮▮▮▮ⓐ 机械除尘器：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用重力、惯性力等作用分离颗粒物，如重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等，除尘效率较低，适用于去除粗颗粒物。
▮▮▮▮ⓑ 湿式除尘器：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用液滴或液膜捕集颗粒物，如喷淋塔、文丘里洗涤器、泡沫除尘器等，除尘效率较高，可同时去除气态污染物，但产生废水，需进行废水处理。
▮▮▮▮ⓒ 袋式除尘器：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用滤袋过滤捕集颗粒物，除尘效率高，可达99%以上，适用于去除细颗粒物，但滤袋易堵塞，需定期更换。
▮▮▮▮ⓓ 电除尘器：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用高压电场使颗粒物荷电，在电场力作用下向集尘极移动并沉积，除尘效率高，阻力小，适用于大型燃煤电厂，但设备投资高。
② 硫氧化物去除技术 (脱硫)：
▮▮▮▮用于去除烟气中的二氧化硫，常用的脱硫技术包括湿法脱硫、干法脱硫和半干法脱硫等。
▮▮▮▮ⓐ 湿法脱硫：
▮▮▮▮▮▮▮▮采用液体吸收剂 (如石灰石浆液、石灰浆液、氨水等) 吸收二氧化硫，生成亚硫酸盐或硫酸盐，脱硫效率高，技术成熟，应用广泛，但产生大量脱硫石膏，需进行资源化利用或处置。
▮▮▮▮ⓑ 干法脱硫：
▮▮▮▮▮▮▮▮采用固体吸收剂 (如活性炭、氧化铝、分子筛等) 吸附二氧化硫，或采用喷射干燥法，将石灰粉喷入烟道与二氧化硫反应，生成固态脱硫产物，脱硫效率较低，但工艺简单，无废水产生。
▮▮▮▮ⓒ 半干法脱硫：
▮▮▮▮▮▮▮▮采用雾化喷淋吸收剂 (如石灰浆液) 与烟气混合，水分蒸发，吸收剂与二氧化硫反应生成固态脱硫产物，脱硫效率介于湿法和干法之间，无废水产生，脱硫产物为干粉状，易于处置。
③ 氮氧化物去除技术 (脱硝)：
▮▮▮▮用于去除烟气中的氮氧化物，常用的脱硝技术包括选择性催化还原 (selective catalytic reduction, SCR) 和选择性非催化还原 (selective non-catalytic reduction, SNCR) 等。
▮▮▮▮ⓐ 选择性催化还原 (SCR)：
▮▮▮▮▮▮▮▮在催化剂 (如钒钛系催化剂、分子筛催化剂) 作用下，利用还原剂 (如氨气、尿素) 将氮氧化物还原为氮气和水，脱硝效率高，可达90%以上，是目前应用最广泛的脱硝技术，但催化剂成本高，易中毒失效。
\[ 4NO + 4NH_3 + O_2 \xrightarrow{催化剂} 4N_2 + 6H_2O \\ 6NO_2 + 8NH_3 \xrightarrow{催化剂} 7N_2 + 12H_2O \\ NO + NO_2 + 2NH_3 \xrightarrow{催化剂} 2N_2 + 3H_2O \]
▮▮▮▮ⓑ 选择性非催化还原 (SNCR)：
▮▮▮▮▮▮▮▮在无催化剂条件下，在一定温度范围内 (850-1100℃)，利用还原剂 (如氨水、尿素) 将氮氧化物还原为氮气和水，脱硝效率较低，一般为30%-70%，但设备简单，投资少，适用于小型锅炉和水泥窑炉等。
\[ 4NO + 4NH_3 + O_2 \longrightarrow 4N_2 + 6H_2O \\ 6NO_2 + 8NH_3 \longrightarrow 7N_2 + 12H_2O \]
④ VOCs 去除技术：
▮▮▮▮用于去除工业废气中的挥发性有机物 (VOCs)，常用的 VOCs 去除技术包括吸附法、吸收法、催化燃烧法、热力焚烧法、生物法等。
▮▮▮▮ⓐ 吸附法：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用吸附剂 (如活性炭、活性炭纤维、分子筛等) 吸附 VOCs，适用于低浓度 VOCs 治理，吸附饱和后需进行吸附剂再生或更换。
▮▮▮▮ⓑ 吸收法：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用液体吸收剂 (如水、油、有机溶剂等) 吸收 VOCs，适用于高浓度、易溶于吸收剂的 VOCs 治理，吸收液需进行后续处理。
▮▮▮▮ⓒ 催化燃烧法：
▮▮▮▮▮▮▮▮在催化剂作用下，将 VOCs 氧化为二氧化碳和水，适用于高浓度 VOCs 治理，净化效率高，运行成本低。
▮▮▮▮ⓓ 热力焚烧法：
▮▮▮▮▮▮▮▮在高温下直接将 VOCs 焚烧氧化为二氧化碳和水，适用于高浓度 VOCs 治理，净化效率高，但运行成本高。
▮▮▮▮ⓔ 生物法：
▮▮▮▮▮▮▮▮利用微生物降解 VOCs，适用于低浓度、易生物降解的 VOCs 治理，运行成本低，但净化效率较低，处理时间长。
3.3.3 室内空气污染与控制 (Indoor Air Pollution and Control)
室内空气污染 (indoor air pollution) 是指室内空气中污染物浓度超过一定标准，对人体健康造成危害的现象。室内空气污染物来源复杂，种类繁多，对人体健康影响不容忽视。
① 室内空气污染物的来源：
▮▮▮▮ⓑ 建筑装饰材料：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 甲醛 (formaldehyde)：人造板材 (胶合板、刨花板、密度板)、家具、涂料、胶粘剂等释放甲醛。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 苯系物 (benzene, toluene, xylene)：油漆、涂料、胶粘剂、防水材料等释放苯、甲苯、二甲苯等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 挥发性有机物 (VOCs)：各种建筑装饰材料、家具、清洁剂、化妆品等释放 VOCs。
▮▮▮▮ⓕ 室内燃烧：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 燃煤、燃气：厨房燃煤、燃气灶具燃烧产生一氧化碳、二氧化氮、颗粒物等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 吸烟：香烟烟雾含有颗粒物、一氧化碳、尼古丁、甲醛等多种有害物质。
▮▮▮▮ⓘ 生物污染：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉等生物污染物。
▮▮▮▮ⓚ 其他来源：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 放射性气体氡 (radon)：从建筑材料和土壤中释放出的放射性气体氡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 二氧化碳 (CO\( _2 \))：人员活动产生的二氧化碳。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 臭氧 (O\( _3 \))：复印机、激光打印机、臭氧消毒机等产生臭氧。
② 室内空气污染物的种类：
▮▮▮▮ⓑ 化学污染物：甲醛、苯系物、挥发性有机物 (VOCs)、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、氡等。
▮▮▮▮ⓒ 颗粒物：PM2.5、PM10、烟尘、粉尘等。
▮▮▮▮ⓓ 生物污染物：细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉等。
③ 室内空气污染物的危害：
▮▮▮▮室内空气污染对人体健康产生多种危害，包括急性效应和慢性效应。
▮▮▮▮ⓐ 急性效应：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 刺激症状：眼睛、鼻子、喉咙刺激、咳嗽、打喷嚏、流泪、头痛、头晕、恶心等。
▮▮▮▮ⓒ 慢性效应：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 呼吸系统疾病：哮喘、支气管炎、慢性阻塞性肺疾病 (COPD)、肺癌等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 心血管系统疾病：心脏病、高血压等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 神经系统疾病：神经衰弱综合征、记忆力下降、注意力不集中等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 致癌风险：甲醛、苯、氡等污染物具有致癌性，长期暴露增加癌症风险。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 儿童健康影响：儿童对室内空气污染更敏感，易引发儿童哮喘、白血病等疾病。
④ 室内空气污染控制方法：
▮▮▮▮控制室内空气污染应采取综合措施，包括源头控制、通风换气和空气净化等。
▮▮▮▮ⓐ 源头控制：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 选择环保建材：选用低 VOCs 含量或无 VOCs 含量、环保认证的建筑装饰材料和家具。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 减少室内燃烧：减少燃煤、燃气使用，禁止室内吸烟。
▮▮▮▮ⓓ 通风换气：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 自然通风：开窗通风，利用空气自然流动进行换气，是最简单有效的通风方式。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 机械通风：安装排风扇、新风系统等机械通风设备，强制进行室内外空气交换，提高通风效率。
▮▮▮▮ⓖ 空气净化：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 空气净化器：使用空气净化器去除室内空气中的颗粒物、气态污染物和生物污染物，常用的空气净化技术包括 HEPA 过滤、活性炭吸附、光催化、等离子体、臭氧等。
▮▮▮▮ⓘ 绿色植物：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 种植绿色植物：某些绿色植物具有吸收甲醛、苯等室内空气污染物的能力，可以辅助净化室内空气，但净化效果有限。
▮▮▮▮ⓚ 其他措施：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 保持室内清洁卫生，减少灰尘和生物污染物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 控制室内湿度，防止霉菌滋生。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 定期检测室内空气质量，及时采取治理措施。
大气环境化学是环境科学的重要分支，对理解大气污染的化学本质、控制大气污染、保护大气环境具有重要意义。随着环境问题的日益突出，大气环境化学的研究将更加深入和广泛，为实现大气环境质量的持续改善和人与自然的和谐共处提供科学支撑。
4. 水环境化学 (Aquatic Environmental Chemistry)
概要 (Summary)
本章系统阐述水体的化学组成、水体中的化学过程、主要水污染物的来源、行为和效应，以及水污染控制与水质改善技术。
4.1 自然水体的化学组成与特性 (Chemical Composition and Characteristics of Natural Waters)
概要 (Summary)
介绍天然水体的分类、水的物理化学性质、天然水体的化学组成，以及影响水质的主要因素。
4.1.1 水的物理化学性质 (Physicochemical Properties of Water)
水的物理化学性质独特，这归因于其分子结构和分子间作用力。水分子 \(H_2O\) 是极性分子，氧原子吸引电子的能力强于氢原子，导致氧原子带部分负电荷（\(δ-\)），氢原子带部分正电荷（\(δ+\)）。这种极性使得水分子之间可以通过氢键 (hydrogen bond) 相互作用。氢键是一种较强的分子间作用力，它对水的许多物理化学性质产生了深远的影响，并决定了水在环境中的行为和作用。
① 氢键 (Hydrogen Bond)
氢键是水分子特殊性质的核心。每个水分子可以与周围最多四个水分子形成氢键，构成一个动态的、三维的网络结构。氢键的存在导致水具有以下重要特性：
▮▮▮▮ⓐ 高沸点和高熔点 (High Boiling Point and High Melting Point)：相比于分子量相近的其他物质，水需要更高的温度才能沸腾或熔化。这是因为需要更多的能量来破坏氢键网络。水的沸点为 100℃，熔点为 0℃，这使得水在地球表面的常见温度下以液态形式存在，对于生命的存在至关重要。
▮▮▮▮ⓑ 高比热容 (High Specific Heat Capacity)：水吸收大量热能时，温度变化相对较小。这是因为一部分热能用于破坏氢键，而不是直接提高水分子的动能。水的比热容约为 4.184 J/(g·℃)，是常见物质中较高的。高比热容使得水体能够吸收和释放大量的热，有助于调节地球的气候和水生生态系统的温度。
▮▮▮▮ⓒ 高表面张力 (High Surface Tension)：水分子之间的氢键使得水表面形成一层“膜”，具有收缩的趋势，从而产生表面张力。水的表面张力较高，约为 72 mN/m (20℃)。高表面张力使得水滴能够形成球形，也使得一些昆虫能够在水面上行走。在环境化学中，表面张力影响着污染物的界面行为，例如在水-空气界面和水-固相界面的富集。
▮▮▮▮ⓓ 密度反常 (Density Anomaly)：水的密度在 4℃ 时达到最大值（约为 1.0 g/cm³），当温度高于或低于 4℃ 时，密度都会降低。更重要的是，水结冰时密度会显著降低，冰的密度小于液态水，因此冰会漂浮在水面上。这种密度反常现象对于水生生物在寒冷地区的生存至关重要，因为水体底部可以保持液态，为水生生物提供栖息地。
▮▮▮▮ⓔ 良好的溶剂 (Good Solvent)：水是极性溶剂，能够溶解许多极性物质和离子化合物。这是因为水分子可以与极性分子或离子形成静电相互作用和氢键，削弱溶质分子或离子之间的作用力，从而使其溶解。水溶解各种物质的能力，使得它成为环境中重要的迁移介质，也影响着污染物的溶解、迁移和生物有效性。
② 高介电常数 (High Dielectric Constant)
水的介电常数很高，约为 80 (20℃)。介电常数是衡量溶剂极性的一个重要指标，它反映了溶剂削弱电荷之间相互作用的能力。水的高介电常数意味着它可以有效地减弱离子之间的静电吸引力，促进离子化合物的溶解。例如，氯化钠 (NaCl) 在水中容易解离成 \(Na^+\) 和 \(Cl^-\) 离子，这是因为水的高介电常数降低了 \(Na^+\) 和 \(Cl^-\) 之间的静电吸引力。高介电常数使得水能够溶解各种离子型污染物，但也可能促进离子型污染物在水环境中的迁移。
③ 其他重要性质 (Other Important Properties)
▮▮▮▮ⓑ 水的电离 (Ionization of Water)：水是两性物质，可以发生微弱的电离，生成氢离子 (\(H^+\)) 和氢氧根离子 (\(OH^-\))。水的电离平衡可以用以下方程式表示：
\[ H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^- \]
水的离子积常数 \(K_w\) 定义为：
\[ K_w = [H^+][OH^-] \]
在 25℃ 时，\(K_w = 1.0 \times 10^{-14}\)。水的电离平衡对于水体的 pH 值和酸碱性质至关重要，也影响着许多环境化学反应的平衡。
▮▮▮▮ⓑ 水的透明性 (Transparency of Water)：水在可见光范围内具有较好的透明性，允许阳光穿透水体，支持水生植物的光合作用。然而，水对紫外线和红外线的吸收较强。水的透明性受到悬浮物和溶解性物质的影响，例如，溶解性有机物 (DOM) 会吸收紫外线和可见光，降低水的透明度。
▮▮▮▮ⓒ 水的粘度 (Viscosity of Water)：水的粘度相对较低，使得水具有良好的流动性。水的粘度受温度影响，温度升高，粘度降低。水的粘度影响着水体的流动速度、污染物的扩散速率以及水生生物的运动。
理解水的物理化学性质是研究水环境化学的基础。水的这些特殊性质不仅决定了水在自然界中的分布和循环，也深刻影响着水体中的化学过程、污染物的行为以及水生生态系统的功能。
4.1.2 天然水体的化学组成 (Chemical Composition of Natural Waters)
天然水体的化学组成非常复杂，包括各种溶解性成分和悬浮物。这些成分来源于自然过程（如岩石风化、大气沉降、生物活动）和人为活动（如工业排放、农业径流、生活污水）。了解天然水体的化学组成，有助于我们认识水质的自然背景值，判断水体是否受到污染，以及理解水体中的化学过程。
① 主要溶解性成分 (Major Dissolved Components)
天然水体中的主要溶解性成分通常以主要离子 (major ions) 的形式存在，包括阳离子和阴离子。
▮▮▮▮ⓐ 主要阳离子 (Major Cations)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 钙离子 (\(Ca^{2+}\))：钙是地壳中含量丰富的元素之一，岩石风化是水中钙的主要来源。钙离子是天然水体中最主要的阳离子之一，其浓度通常在几毫克每升到数百毫克每升之间。钙离子对水的硬度有重要影响，高浓度的钙离子会导致水的硬度升高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 镁离子 (\(Mg^{2+}\))：镁的来源与钙类似，也主要来自岩石风化。镁离子也是天然水体中常见的阳离子，浓度通常低于钙离子。镁离子同样对水的硬度有贡献。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 钠离子 (\(Na^+\))：钠盐溶解度高，因此钠离子在天然水体中广泛存在，尤其在沿海地区和干旱地区，钠离子浓度可能较高。钠离子主要来自岩石风化、大气降水和土壤淋溶。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 钾离子 (\(K^+\))：钾在地壳中的含量不如钠，且钾盐的溶解度相对较低，因此钾离子在天然水体中的浓度通常低于钠离子。钾离子主要来自岩石风化和植物释放。
▮▮▮▮ⓕ 主要阴离子 (Major Anions)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 碳酸氢根离子 (\(HCO_3^-\)) 和碳酸根离子 (\(CO_3^{2-}\))：碳酸氢根和碳酸根是天然水体中最重要的阴离子之一，它们与水中的二氧化碳 (\(CO_2\))、碳酸 (\(H_2CO_3\)) 共同构成碳酸盐平衡体系 (carbonate equilibrium system)，对水体的 pH 值和缓冲能力有重要影响。碳酸氢根和碳酸根主要来自大气二氧化碳的溶解和碳酸盐岩的溶解。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 硫酸根离子 (\(SO_4^{2-}\))：硫酸根主要来自含硫矿物的氧化、大气沉降（酸雨）和工业排放。硫酸根是天然水体中常见的阴离子，高浓度的硫酸根可能导致水的腐蚀性和泻下性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 氯离子 (\(Cl^-\))：氯盐溶解度高，氯离子在天然水体中广泛存在，尤其在沿海地区和受人类活动影响的地区，氯离子浓度可能较高。氯离子主要来自岩石风化、大气降水、海水入侵和工业排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 硝酸根离子 (\(NO_3^-\))：硝酸根主要来自大气沉降、土壤硝化作用、化肥流失和污水排放。硝酸根是植物营养素，但过量硝酸根会导致水体富营养化和地下水污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 氟离子 (\(F^-\))：氟离子主要来自含氟矿物的溶解。适量的氟离子对人体健康有益（预防龋齿），但过量氟离子会导致氟中毒。
除了主要离子，天然水体中还含有其他溶解性成分，例如：
▮▮▮▮ⓒ 溶解氧 (Dissolved Oxygen, DO)：溶解氧是指溶解在水中的氧气，是水生生物生存所必需的。溶解氧的浓度受温度、盐度、大气压、水体搅动和生物活动等多种因素影响。溶解氧的浓度通常用毫克每升 (mg/L) 或 ppm 表示。清洁水体中溶解氧浓度较高，而受有机污染的水体中溶解氧浓度可能较低，甚至出现缺氧现象。
▮▮▮▮ⓓ 溶解性有机物 (Dissolved Organic Matter, DOM)：溶解性有机物是指水中可以通过 0.45 μm 滤膜的有机物质，是天然水体中重要的组成部分。DOM 的来源复杂，包括陆地植被的分解产物、水生生物的代谢产物和人为污染源。DOM 的组成也很复杂，包括腐殖质、碳水化合物、蛋白质、脂肪酸等。DOM 对水质和水生生态系统有重要影响，例如，DOM 可以影响水的颜色、透明度、pH 值、缓冲能力，参与水体中的氧化还原反应、络合反应和光化学反应，也可以作为微生物的营养物质，影响污染物的迁移转化和生物有效性。
② 悬浮物 (Suspended Matter)
悬浮物是指水中不溶解的固体颗粒物，粒径通常大于 0.45 μm。悬浮物的种类和浓度对水质有重要影响。
▮▮▮▮ⓐ 无机悬浮物 (Inorganic Suspended Matter)：主要包括泥沙、粘土、矿物碎屑等，主要来自土壤侵蚀、岩石风化和工业排放。无机悬浮物会降低水的透明度，影响水生生物的光合作用和呼吸作用，也可能携带污染物。
▮▮▮▮ⓑ 有机悬浮物 (Organic Suspended Matter)：主要包括动植物残骸、微生物、藻类、有机碎屑等，主要来自水生生物活动、陆地植被输入和污水排放。有机悬浮物是水体中重要的营养物质和能量来源，但过多的有机悬浮物会导致水体富营养化和溶解氧降低。
▮▮▮▮ⓒ 胶体 (Colloids)：胶体是介于溶解态和悬浮态之间的物质，粒径通常在 1 nm 到 1 μm 之间。胶体在水中分散稳定，不易沉淀。天然水体中存在各种胶体，包括无机胶体（如粘土矿物胶体、金属氧化物胶体）和有机胶体（如腐殖质胶体、蛋白质胶体）。胶体由于其比表面积大、表面活性高，在水体中对污染物的吸附、迁移和转化有重要影响。
③ 微量成分 (Trace Components)
除了主要溶解性成分和悬浮物，天然水体中还含有各种微量成分 (trace components)，浓度通常在 μg/L 甚至 ng/L 级别。这些微量成分包括：
▮▮▮▮ⓐ 微量金属 (Trace Metals)：如铁 (Fe)、锰 (Mn)、锌 (Zn)、铜 (Cu)、镍 (Ni)、钴 (Co)、钼 (Mo) 等。这些金属是生命必需的微量元素，但在高浓度下也可能产生毒性。微量金属的来源包括岩石风化、大气沉降、工业排放和农业径流。
▮▮▮▮ⓑ 微量有机污染物 (Trace Organic Pollutants)：如多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、农药、酚类化合物、药物和个人护理品 (PPCPs)、内分泌干扰物 (EDCs) 等。这些污染物主要来自人为活动，即使在极低浓度下也可能对水生生物和人类健康产生不利影响。
▮▮▮▮ⓒ 放射性物质 (Radioactive Substances)：如铀 (U)、镭 (Ra)、钍 (Th)、钾-40 (\(^{40}K\))、氚 (\(^3H\)) 等。放射性物质主要来自地质背景和核活动。高浓度的放射性物质对生物体有害。
天然水体的化学组成是一个动态平衡系统，受到自然过程和人为活动的共同影响。了解天然水体的化学组成，有助于我们更好地认识水质特征，评估水环境质量，并制定有效的水污染控制和水资源管理策略。
4.1.3 水体的 pH、氧化还原与缓冲体系 (pH, Redox, and Buffer Systems in Waters)
水体的 pH 值、氧化还原电位 (Eh) 和缓冲体系是描述水化学性质的重要参数，它们直接影响水质、水中化学过程以及水生生物的生存。
① pH 值 (pH Value)
pH 值是衡量水体酸碱性的指标，定义为氢离子浓度 \( [H^+] \) 负对数：
\[ pH = -log[H^+] \]
pH 值范围通常为 0-14，pH < 7 为酸性，pH = 7 为中性，pH > 7 为碱性。天然水体的 pH 值主要受碳酸盐平衡体系、矿物溶解、生物活动和人为排放等因素影响。
▮▮▮▮ⓐ 碳酸盐平衡体系 (Carbonate Equilibrium System)：碳酸盐平衡体系是天然水体中最重要的 pH 缓冲体系，由二氧化碳 (\(CO_2\))、碳酸 (\(H_2CO_3\))、碳酸氢根离子 (\(HCO_3^-\)) 和碳酸根离子 (\(CO_3^{2-}\)) 组成。它们之间存在以下平衡关系：
\[ CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq) \]
\[ CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \]
\[ H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^- \]
\[ HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-} \]
大气中的二氧化碳溶解于水，形成碳酸，碳酸进一步电离生成碳酸氢根和碳酸根离子。这些组分之间的平衡关系决定了水体的 pH 值和缓冲能力。当水体中加入酸或碱时，碳酸盐平衡体系可以通过组分之间的相互转化，减缓 pH 值的变化，起到缓冲作用。
▮▮▮▮ⓑ 矿物溶解 (Mineral Dissolution)：岩石和土壤中的矿物溶解也会影响水体的 pH 值。例如，碳酸盐矿物（如方解石 \(CaCO_3\)) 溶解会释放碱性离子，提高水体的 pH 值；硫化物矿物（如黄铁矿 \(FeS_2\)) 氧化会产生酸性物质，降低水体的 pH 值。
▮▮▮▮ⓒ 生物活动 (Biological Activities)：水生生物的呼吸作用会释放 \(CO_2\)，降低水体的 pH 值；光合作用会吸收 \(CO_2\)，提高水体的 pH 值。微生物的硝化作用和反硝化作用也会影响水体的 pH 值。
▮▮▮▮ⓓ 人为排放 (Anthropogenic Emissions)：酸雨、工业废水和农业径流等人为排放会显著影响水体的 pH 值。酸雨主要由大气中的硫氧化物和氮氧化物转化形成，导致水体酸化。工业废水和农业径流可能含有酸性或碱性物质，也会改变水体的 pH 值。
天然水体的 pH 值通常在 6-8.5 之间，略偏碱性。pH 值过高或过低都会对水生生物产生不利影响，并影响水中污染物的形态、迁移和转化。例如，pH 值会影响重金属的溶解度和形态，酸性条件下重金属更易溶解，碱性条件下重金属更易沉淀。
② 氧化还原电位 (Redox Potential, Eh)
氧化还原电位 (Eh) 是衡量水体氧化还原性的指标，反映了水体中电子的活度。Eh 值越高，水体的氧化性越强；Eh 值越低，水体的还原性越强。Eh 值的单位通常为毫伏 (mV) 或伏特 (V)。
▮▮▮▮ⓐ 氧化还原反应 (Redox Reactions)：水体中存在各种氧化还原反应，例如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 溶解氧 (DO)：溶解氧是水体中最主要的氧化剂之一。溶解氧参与许多氧化反应，例如有机物的氧化分解、硫化物和氨氮的氧化。溶解氧的浓度和氧化能力直接影响水体的氧化还原电位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 硝酸根离子 (\(NO_3^-\))：硝酸根离子在缺氧条件下可以作为氧化剂，参与反硝化作用，被还原为氮气 (\(N_2\))。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 硫酸根离子 (\(SO_4^{2-}\))：硫酸根离子在强还原条件下可以被微生物还原为硫化物 (\(S^{2-}\))。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 铁 (Fe) 和锰 (Mn) 的氧化还原：铁和锰在水体中存在多种氧化态，如 \(Fe^{2+}\)、\(Fe^{3+}\)、\(Mn^{2+}\)、\(Mn^{4+}\) 等。不同氧化态的铁和锰具有不同的溶解度和迁移性，其氧化还原转化过程对水质和污染物行为有重要影响。例如，在氧化条件下，\(Fe^{2+}\) 易被氧化为 \(Fe^{3+}\)，形成难溶的氢氧化铁沉淀；在还原条件下，\(Fe^{3+}\) 可以被还原为 \(Fe^{2+}\)，增加铁的溶解度。
▮▮▮▮ⓕ 影响 Eh 值的因素 (Factors Affecting Eh Value)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 溶解氧浓度 (Dissolved Oxygen Concentration)：溶解氧是影响水体 Eh 值的最重要因素。高溶解氧浓度通常对应高 Eh 值，低溶解氧浓度通常对应低 Eh 值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 有机物含量 (Organic Matter Content)：有机物是还原性物质，高有机物含量会降低水体的 Eh 值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 微生物活动 (Microbial Activities)：微生物的代谢活动可以显著影响水体的氧化还原状态。例如，好氧微生物的呼吸作用消耗溶解氧，降低 Eh 值；厌氧微生物的还原作用（如反硝化作用、硫酸盐还原作用）进一步降低 Eh 值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ pH 值 (pH Value)：pH 值也会影响氧化还原反应的平衡和速率，从而间接影响 Eh 值。
天然水体的 Eh 值变化范围较大，从高氧化性的地表水到低氧化性的地下水和沉积物孔隙水。Eh 值对水中污染物的形态、迁移转化和生物有效性有重要影响。例如，Eh 值控制着重金属的价态和溶解度，也影响着有机污染物的生物降解和化学转化。
③ 缓冲体系 (Buffer Systems)
缓冲体系是指能够抵抗外加少量酸或碱而保持 pH 值相对稳定的溶液体系。天然水体中存在多种缓冲体系，其中最重要的是碳酸盐缓冲体系 (carbonate buffer system)，其次还有磷酸盐缓冲体系、硅酸盐缓冲体系、腐殖质缓冲体系等。
▮▮▮▮ⓐ 碳酸盐缓冲体系 (Carbonate Buffer System)：如前所述，碳酸盐缓冲体系由 \(CO_2\)、\(H_2CO_3\)、\(HCO_3^-\) 和 \(CO_3^{2-}\) 组成。当水体中加入酸时，碳酸氢根离子可以与 \(H^+\) 反应，生成碳酸和二氧化碳，消耗 \(H^+\)，减缓 pH 值的降低；当水体中加入碱时，碳酸可以与 \(OH^-\) 反应，生成碳酸氢根离子和水，消耗 \(OH^-\)，减缓 pH 值的升高。碳酸盐缓冲体系的缓冲能力主要取决于碳酸氢根离子的浓度。
\[ HCO_3^- + H^+ \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons CO_2 + H_2O \]
\[ H_2CO_3 + OH^- \rightleftharpoons HCO_3^- + H_2O \]
▮▮▮▮ⓑ 其他缓冲体系 (Other Buffer Systems)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 磷酸盐缓冲体系 (Phosphate Buffer System)：由磷酸 (\(H_3PO_4\))、磷酸二氢根离子 (\(H_2PO_4^-\))、磷酸氢根离子 (\(HPO_4^{2-}\)) 和磷酸根离子 (\(PO_4^{3-}\)) 组成。磷酸盐缓冲体系在 pH 接近 7 的范围内具有较好的缓冲能力，对生物体内的 pH 调节非常重要。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 硅酸盐缓冲体系 (Silicate Buffer System)：由硅酸及其盐类组成。硅酸盐缓冲体系在 pH 较高时具有一定的缓冲能力，对某些碱性水体的 pH 稳定有贡献。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 腐殖质缓冲体系 (Humic Substances Buffer System)：腐殖质是土壤和水体中重要的有机物质，含有多种官能团（如羧基、酚羟基），具有酸碱缓冲能力。腐殖质缓冲体系在天然水体中也起到一定的 pH 缓冲作用，尤其是在有机质含量较高的水体中。
水体的缓冲能力对于维持水质稳定和水生生态系统健康至关重要。缓冲能力弱的水体容易受到酸雨和人为排放的影响，导致 pH 值剧烈波动，对水生生物产生不利影响。了解水体的 pH 值、氧化还原电位和缓冲体系，有助于我们更好地评估水质状况，预测水中污染物的行为，并制定有效的水环境管理措施。
5. 土壤环境化学 (Soil Environmental Chemistry)
概述
本章深入探讨土壤的组成、结构、化学性质，土壤中的化学过程，主要土壤污染物的来源、行为和效应，以及土壤污染修复与土壤质量改善技术。土壤是地球陆地生态系统的基础，是人类赖以生存的重要自然资源。理解土壤环境化学对于保障粮食安全、保护生态环境和实现可持续发展至关重要。本章旨在为读者提供关于土壤环境化学的全面而深入的知识体系，帮助读者认识土壤环境问题，并掌握解决这些问题的化学原理和技术方法。
5.1 土壤的组成与基本性质 (Composition and Basic Properties of Soil)
概述
本节介绍土壤的组成成分、土壤结构、土壤质地、土壤颜色等基本特征，以及土壤的物理化学性质。理解土壤的基本组成和性质是学习土壤环境化学的基础，有助于我们认识土壤的形成过程、功能以及对环境污染的响应。
5.1.1 土壤的组成成分 (Compositional Components of Soil)
土壤是由固相、液相、气相和生物相组成的复杂混合体。固相是土壤的主体，约占土壤体积的50%左右，主要包括矿物质和有机质。液相和气相分别为土壤水分和土壤空气，两者共同填充于固相颗粒之间的孔隙中，约占土壤体积的50%。生物相是指土壤中的各种生物，包括植物根系、动物、微生物等，它们在土壤物质循环和能量流动中起着重要作用。
① 矿物质 (Minerals)：土壤矿物质是岩石风化的产物，是土壤固相的主要成分，约占土壤固相的90%以上。土壤矿物质的种类和含量决定了土壤的基本物理化学性质，如质地、比表面积、阳离子交换容量 (CEC) 等。常见的土壤矿物质包括：
▮▮▮▮ⓑ 原生矿物 (Primary minerals)：是指从岩浆岩或变质岩直接继承下来的矿物，如石英 (Quartz, \(SiO_2\))、长石 (Feldspar, 如钾长石 \(KAlSi_3O_8\)、斜长石 \((Na,Ca)AlSi_3O_8\))、云母 (Mica, 如黑云母 \(K(Mg,Fe)_3AlSi_3O_{10}(OH)_2\)、白云母 \(KAl_2(AlSi_3O_{10})(OH)_2\)) 等。原生矿物相对稳定，抗风化能力强，是土壤中粗砂粒组的主要成分。
▮▮▮▮ⓒ 次生矿物 (Secondary minerals)：是指由原生矿物风化分解后，经过一系列化学反应重新形成的矿物，如粘土矿物 (Clay minerals, 如高岭石 \(Al_2Si_2O_5(OH)_4\)、蒙脱石 \((Na,Ca)_{0.33}(Al,Mg)_2Si_4O_{10}(OH)_2 \cdot nH_2O\)、伊利石 \(K_{0.8}(Al,Mg,Fe)_2(Si,Al)_4O_{10}(OH)_2 \cdot nH_2O\))、氧化物 (Oxides, 如氧化铁 \(Fe_2O_3\)、氧化铝 \(Al_2O_3\))、氢氧化物 (Hydroxides, 如氢氧化铁 \(FeOOH\)、氢氧化铝 \(Al(OH)_3\)) 等。次生矿物颗粒细小，比表面积大，化学活性高，是土壤中细粒组的主要成分，对土壤的物理化学性质和肥力具有重要影响。
② 有机质 (Organic matter)：土壤有机质是土壤中所有含碳有机化合物的总称，主要来源于动植物残体、微生物及其代谢产物。土壤有机质含量虽少（一般为1%~5%，高可达10%以上），但对土壤肥力、结构、保水保肥能力、缓冲性能等方面具有极其重要的作用，是衡量土壤质量的重要指标。土壤有机质的主要组成包括：
▮▮▮▮ⓑ 非腐殖质 (Non-humic substances)：是指动植物残体中尚未完全分解的有机物质，如碳水化合物 (Carbohydrates)、蛋白质 (Proteins)、脂肪 (Fats)、木质素 (Lignin) 等。这些物质易于分解，是土壤微生物的能量和养分来源。
▮▮▮▮ⓒ 腐殖质 (Humic substances)：是指动植物残体经过微生物长期分解转化，并经过一系列复杂的化学聚合反应形成的具有特殊结构和性质的高分子有机化合物。腐殖质是土壤有机质的主体，约占土壤有机质的50%~90%。根据其在酸碱溶液中的溶解性，腐殖质通常分为胡敏酸 (Humic acid, HA)、富里酸 (Fulvic acid, FA) 和胡敏素 (Humin) 三类。腐殖质具有复杂的化学结构，含有多种官能团（如羧基 \(–COOH\)、酚羟基 \(–OH\)、羰基 \(–C=O\)、氨基 \(–NH_2\)、甲氧基 \(–OCH_3\) 等），具有很强的吸附、络合、氧化还原和缓冲能力，对土壤肥力、污染物迁移转化和环境质量具有重要影响。
③ 水分 (Water)：土壤水分是指土壤中以液态形式存在的水，是植物生长发育的必需条件，也是土壤中化学反应的重要介质。土壤水分的含量和存在状态受降水、蒸发、地下水、地形、植被、土壤质地和结构等多种因素的影响。根据土壤水分的结合强度和运动特性，可将土壤水分分为：
▮▮▮▮ⓑ 吸湿水 (Hygroscopic water)：是指被土壤固相颗粒表面吸附的最紧密的水分子，结合力很强，植物难以利用。
▮▮▮▮ⓒ 薄膜水 (Film water)：是指吸附在土壤颗粒表面，结合力较吸湿水弱的水分，植物可以吸收利用一部分。
▮▮▮▮ⓓ 毛管水 (Capillary water)：是指存在于土壤毛管孔隙中的水分，结合力较弱，易于移动，是植物吸收利用的主要水分形式。
▮▮▮▮ⓔ 重力水 (Gravitational water)：是指在重力作用下，迅速向下渗漏的水分，植物难以利用，容易造成养分淋失和地下水污染。
④ 空气 (Air)：土壤空气是指存在于土壤孔隙中的气体混合物，其组成与大气空气相似，但二氧化碳 (\(CO_2\)) 浓度较高，氧气 (\(O_2\)) 浓度较低，湿度接近饱和。土壤空气的组成和含量受土壤孔隙度、通气状况、生物活动等因素的影响。土壤空气中的氧气是土壤生物呼吸作用的必需气体，二氧化碳是植物根系呼吸和微生物分解有机质的产物。
⑤ 生物 (Biota)：土壤生物是指生活在土壤中的各种生物的总称，包括植物根系、动物和微生物。土壤生物种类繁多，数量巨大，是土壤生态系统的重要组成部分，在土壤物质循环、能量流动、有机质分解、养分转化、土壤结构形成和污染物降解等方面发挥着重要作用。土壤生物主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 植物根系 (Plant roots)：植物根系是陆地生态系统的重要组成部分，不仅从土壤中吸收水分和养分，还通过根系分泌物、根系呼吸作用、根系残体等影响土壤的物理化学性质和生物活性。
▮▮▮▮ⓒ 土壤动物 (Soil animals)：土壤动物种类繁多，大小不一，包括大型动物（如蚯蚓、蚂蚁、白蚁、啮齿类动物等）、中型动物（如螨虫、弹尾虫、线虫等）和小型动物（如原生动物、轮虫等）。土壤动物通过取食、挖掘、排泄等活动，影响土壤的结构、通气性、水分状况和养分循环。
▮▮▮▮ⓓ 土壤微生物 (Soil microorganisms)：土壤微生物是指生活在土壤中的微小生物，包括细菌 (Bacteria)、真菌 (Fungi)、放线菌 (Actinomycetes)、藻类 (Algae) 和病毒 (Viruses) 等。土壤微生物数量巨大，种类繁多，代谢类型多样，是土壤生态系统中最活跃的组分，在土壤有机质分解、养分转化、生物地球化学循环、污染物降解和土壤健康维持等方面发挥着核心作用。
土壤的组成成分并非固定不变，而是随着成土过程、气候条件、植被类型、人类活动等因素的变化而动态变化的。了解土壤的组成成分及其相互关系，有助于我们深入理解土壤的性质和功能，为土壤环境保护和可持续利用提供科学依据。
5.1.2 土壤的结构与质地 (Soil Structure and Texture)
土壤结构和质地是土壤重要的物理性质，直接影响土壤的水、气、热状况、养分供应和植物根系生长。
① 土壤结构 (Soil structure)：土壤结构是指土壤固相颗粒（包括矿物质和有机质）通过各种胶结物质（如粘土矿物、有机质、铁铝氧化物等）胶结而成的团聚体的空间排列方式和组合状况。土壤结构是土壤肥力的重要指标，良好的土壤结构能够协调土壤的水、气、热矛盾，提高土壤的保水保肥能力，促进植物根系生长。根据土壤团聚体的形状、大小和稳定性，土壤结构可分为多种类型，常见的土壤结构类型包括：
▮▮▮▮ⓑ 团粒结构 (Granular structure)：是由许多球状或近球状的小团聚体组成的结构，孔隙度高，通气透水性好，保水保肥能力强，是最理想的土壤结构类型，多见于肥沃的耕作土壤和草原土壤。
▮▮▮▮ⓒ 块状结构 (Blocky structure)：是由棱角或圆棱角状的团聚体组成的结构，孔隙度中等，通气透水性较好，多见于粘质土壤和心土层。
▮▮▮▮ⓓ 棱柱状结构 (Prismatic structure)：是由垂直方向延伸的棱柱状团聚体组成的结构，孔隙度较低，通气透水性较差，多见于干旱半干旱地区的盐碱土和淋溶土的下层。
▮▮▮▮ⓔ 片状结构 (Platy structure)：是由水平方向延伸的片状团聚体组成的结构，孔隙度低，通气透水性差，多见于压实土壤和淋溶土的表层。
▮▮▮▮ⓕ 单粒结构 (Single-grain structure)：是指土壤颗粒之间没有明显的团聚现象，呈松散状态，如砂土。单粒结构土壤孔隙度高，通气透水性好，但保水保肥能力差。
土壤结构的形成是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，包括：
▮▮▮▮ⓐ 土壤组成 (Soil composition)：粘粒矿物和有机质是形成土壤结构的重要胶结物质。粘粒矿物具有较大的比表面积和表面电荷，能够吸附水分和阳离子，形成胶体，促进土壤颗粒的团聚。有机质分解产生的腐殖质也具有胶结作用，能够改善土壤结构。
▮▮▮▮ⓑ 生物活动 (Biological activity)：植物根系生长、土壤动物活动和微生物作用都对土壤结构的形成具有重要影响。植物根系穿插土壤，分泌物和残体能够改善土壤团聚性。蚯蚓等土壤动物的活动能够疏松土壤，促进团聚体的形成。微生物分解有机质，产生胶结物质，也参与土壤结构的形成。
▮▮▮▮ⓒ 耕作措施 (Tillage practices)：合理的耕作措施有利于土壤结构的改善，如深耕、轮作、免耕、增施有机肥等。不合理的耕作措施，如长期连作、过度耕作、施用化肥农药等，容易破坏土壤结构，导致土壤板结、退化。
▮▮▮▮ⓓ 气候条件 (Climatic conditions)：干湿交替、冻融作用等气候条件对土壤结构的形成和稳定具有重要影响。干湿交替有利于土壤团聚体的形成，但剧烈的干湿交替也可能导致团聚体破坏。冻融作用能够疏松土壤，改善土壤结构，但频繁的冻融也可能破坏团聚体。
② 土壤质地 (Soil texture)：土壤质地是指土壤中不同粒径大小的矿物颗粒（砂粒、粉粒、粘粒）的相对含量。土壤质地是土壤的基本物理性质，直接影响土壤的孔隙度、比表面积、持水能力、通气透水性、养分吸附能力和耕作性能。国际上常用的土壤质地分类系统有美国制 (USDA system) 和国际制 (ISSS system)。中国土壤质地分类系统采用美国制，将土壤矿物颗粒按粒径大小分为砂粒、粉粒和粘粒三个基本粒级：
▮▮▮▮ⓑ 砂粒 (Sand)：粒径 > 0.05 mm 的矿物颗粒。砂粒粗大，比表面积小，孔隙度大，通气透水性好，但保水保肥能力差。砂粒含量高的土壤称为砂土 (Sandy soil)，砂土耕作容易，但易干旱缺肥。
▮▮▮▮ⓒ 粉粒 (Silt)：粒径介于 0.002~0.05 mm 之间的矿物颗粒。粉粒粒径适中，比表面积和孔隙度介于砂粒和粘粒之间，持水保肥能力和通气透水性也较好。粉粒含量高的土壤称为粉砂土 (Silty soil)，粉砂土耕作性好，肥力较高。
▮▮▮▮ⓓ 粘粒 (Clay)：粒径 < 0.002 mm 的矿物颗粒。粘粒细小，比表面积大，孔隙度小，持水保肥能力强，但通气透水性差。粘粒矿物还具有表面电荷和吸附能力，对土壤的化学性质和肥力具有重要影响。粘粒含量高的土壤称为粘土 (Clayey soil)，粘土保水保肥能力强，但耕作困难，易板结。
根据砂粒、粉粒和粘粒的相对含量，可以将土壤质地划分为不同的质地类型，如砂土、壤土 (Loam)、粘土等。壤土是砂粒、粉粒和粘粒含量比例适中的土壤，兼具砂土和粘土的优点，是最适宜植物生长的土壤质地类型。土壤质地一旦形成，就相对稳定，难以改变，但可以通过施用土壤改良剂（如有机肥、石膏、石灰等）来改善土壤的物理性质，提高土壤质量。
5.1.3 土壤的物理化学性质 (Physicochemical Properties of Soil)
土壤的物理化学性质是指土壤的化学组成和物理状态相互作用所表现出来的性质，如土壤pH值、氧化还原电位、阳离子交换容量 (CEC)、比表面积等。这些性质直接影响土壤的化学过程、养分有效性、污染物行为和生物活性。
① 土壤pH值 (Soil pH)：土壤pH值是土壤酸碱度的量度，是土壤最重要的化学性质之一。土壤pH值是指土壤溶液中氢离子 (\(H^+\)) 浓度的负对数，即 \(pH = -lg[H^+]\)。pH值小于7为酸性土壤，pH值等于7为中性土壤，pH值大于7为碱性土壤。土壤pH值对土壤的化学反应、养分有效性、微生物活动和植物生长具有重要影响。
▮▮▮▮ⓑ 影响土壤pH值的因素：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 成土母质 (Parent material)：成土母质的化学组成决定了土壤的初始pH值。酸性岩浆岩风化的土壤pH值较低，碱性岩浆岩或石灰岩风化的土壤pH值较高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 气候条件 (Climatic conditions)：降雨量大的地区，淋溶作用强烈，土壤中碱性盐基离子淋失，容易形成酸性土壤。干旱半干旱地区，蒸发量大，盐分积累，容易形成碱性土壤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 生物活动 (Biological activity)：植物根系吸收养分离子，分泌有机酸，微生物分解有机质产生有机酸和无机酸，都会影响土壤pH值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 人类活动 (Human activities)：施用化肥（如生理酸性肥料）、农药、工业排放、酸雨等人类活动都会影响土壤pH值。
▮▮▮▮ⓑ 土壤pH值对环境化学过程的影响：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 养分有效性 (Nutrient availability)：土壤pH值显著影响土壤养分的溶解度、形态和有效性。大多数植物必需营养元素在pH值接近中性时有效性最高，过酸或过碱都会降低养分的有效性。例如，磷在酸性条件下易与铁铝离子形成难溶性磷酸盐沉淀，在碱性条件下易与钙离子形成难溶性磷酸钙沉淀，只有在pH值接近中性时，磷的有效性才最高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 重金属的迁移性和生物有效性 (Mobility and bioavailability of heavy metals)：土壤pH值影响重金属在土壤中的形态、溶解度和吸附解吸行为，进而影响其迁移性和生物有效性。在酸性条件下，重金属的溶解度增加，迁移性增强，生物有效性也可能提高，但毒性也可能增加。在碱性条件下，重金属易形成氢氧化物、碳酸盐等沉淀，溶解度降低，迁移性减弱，生物有效性降低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 农药的降解和吸附 (Degradation and adsorption of pesticides)：土壤pH值影响农药的水解、氧化还原、微生物降解等化学反应速率，也影响农药在土壤中的吸附解吸行为。不同类型的农药在不同pH值条件下，降解速率和吸附性差异很大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 微生物活动 (Microbial activity)：土壤pH值显著影响土壤微生物的种类、数量和活性。大多数细菌和放线菌适宜在中性或微碱性条件下生长，真菌则在酸性条件下更具优势。土壤pH值还影响微生物的酶活性和代谢过程，进而影响土壤的生物化学循环。
② 氧化还原电位 (Redox potential, Eh)：土壤氧化还原电位是土壤氧化还原性的量度，反映土壤中电子的有效浓度或电子活度，单位为毫伏 (mV) 或伏特 (V)。氧化还原电位越高，土壤氧化性越强；氧化还原电位越低，土壤还原性越强。土壤氧化还原电位对土壤养分转化、污染物形态和迁移性、温室气体排放和微生物代谢具有重要影响。
▮▮▮▮ⓑ 影响土壤氧化还原电位的因素：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 通气状况 (Aeration status)：通气良好的土壤，氧气充足，氧化还原电位较高，呈氧化状态。淹水或通气不良的土壤，氧气缺乏，还原性物质积累，氧化还原电位降低，呈还原状态。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 有机质含量 (Organic matter content)：有机质是土壤中主要的还原性物质，有机质含量高的土壤，氧化还原电位较低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 水分含量 (Water content)：土壤水分含量影响土壤的通气状况，进而影响氧化还原电位。淹水土壤氧化还原电位较低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 微生物活动 (Microbial activity)：微生物的呼吸作用和代谢活动消耗氧气，产生还原性物质，影响土壤氧化还原电位。
▮▮▮▮ⓑ 土壤氧化还原电位对环境化学过程的影响：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 养分形态转化 (Nutrient transformation)：土壤氧化还原电位显著影响氮、硫、铁、锰等元素的形态转化和有效性。例如，在氧化条件下，铵态氮 (\(NH_4^+\)) 易被硝化细菌氧化为硝态氮 (\(NO_3^-\)), 硫化物 (\(S^{2-}\)) 易被氧化为硫酸盐 (\(SO_4^{2-}\)), 高价态的铁 (\(Fe^{3+}\)) 和锰 (\(Mn^{4+}\)) 稳定存在。在还原条件下，硝态氮易被反硝化细菌还原为氮气 (\(N_2\)) 或氧化亚氮 (\(N_2O\)), 硫酸盐可被还原为硫化物，高价态的铁锰易被还原为低价态的铁 (\(Fe^{2+}\)) 和锰 (\(Mn^{2+}\))。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 重金属的迁移性和生物有效性 (Mobility and bioavailability of heavy metals)：土壤氧化还原电位影响重金属的价态、溶解度和吸附解吸行为，进而影响其迁移性和生物有效性。例如，铬 (Cr) 在氧化条件下主要以毒性较低的六价铬 (\(Cr(VI)\)) 形式存在，迁移性强；在还原条件下，六价铬可被还原为毒性较低的三价铬 (\(Cr(III)\))，溶解度降低，迁移性减弱。砷 (As) 在还原条件下，易与铁锰氧化物结合，溶解度降低，迁移性减弱；在氧化条件下，砷易从铁锰氧化物中释放，溶解度增加，迁移性增强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 温室气体排放 (Greenhouse gas emission)：土壤氧化还原电位影响土壤温室气体（如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮）的产生和排放。在氧化条件下，土壤主要排放二氧化碳。在还原条件下，土壤除了排放二氧化碳外，还会排放甲烷和氧化亚氮。淹水稻田是重要的甲烷和氧化亚氮排放源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 有机污染物的降解 (Degradation of organic pollutants)：土壤氧化还原电位影响有机污染物的氧化还原降解速率和途径。在氧化条件下，一些有机污染物可以通过氧化反应降解。在还原条件下，一些有机污染物可以通过还原反应降解。
③ 阳离子交换容量 (Cation exchange capacity, CEC)：阳离子交换容量是指土壤吸附负电荷所能吸附阳离子的总量，单位为厘摩尔每千克土壤 (cmol/kg) 或毫克当量每百克土壤 (meq/100g)。阳离子交换容量是土壤保肥能力的重要指标，反映土壤吸附和交换养分离子的能力。土壤CEC越大，保肥能力越强。
▮▮▮▮ⓑ 影响土壤CEC的因素：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 粘粒矿物类型和含量 (Clay mineral type and content)：粘粒矿物是土壤CEC的主要来源。不同类型的粘粒矿物CEC差异很大，蒙脱石的CEC最高，高岭石的CEC最低。粘粒矿物含量越高，土壤CEC越大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 有机质含量 (Organic matter content)：土壤有机质也具有较高的CEC，尤其是腐殖质。有机质含量越高，土壤CEC越大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 土壤pH值 (Soil pH)：土壤pH值影响粘粒矿物和有机质表面负电荷的数量，进而影响CEC。随着pH值升高，土壤CEC一般会增加。
▮▮▮▮ⓑ 土壤CEC的环境意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 养分保持 (Nutrient retention)：土壤CEC能够吸附土壤溶液中的阳离子养分（如钙离子 (\(Ca^{2+}\))、镁离子 (\(Mg^{2+}\))、钾离子 (\(K^+\))、铵根离子 (\(NH_4^+\)) 等），防止养分淋失，提高养分利用率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 缓冲能力 (Buffering capacity)：土壤CEC能够缓冲土壤pH值的变化，维持土壤pH值的稳定，增强土壤的缓冲性能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 污染物吸附 (Pollutant adsorption)：土壤CEC能够吸附土壤中的阳离子污染物（如重金属离子、有机阳离子农药等），降低污染物的迁移性和生物有效性，减轻环境污染。
④ 比表面积 (Specific surface area, SSA)：比表面积是指单位质量土壤颗粒的总表面积，单位为平方米每克土壤 (\(m^2/g\)) 或平方米每千克土壤 (\(m^2/kg\))。比表面积是土壤重要的物理性质，反映土壤颗粒的细度和表面特性。土壤比表面积越大，颗粒越细，表面活性越高，吸附能力越强。
▮▮▮▮ⓑ 影响土壤比表面积的因素：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 质地 (Texture)：土壤质地越细，粘粒含量越高，比表面积越大。砂粒的比表面积最小，粘粒的比表面积最大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 矿物类型 (Mineral type)：不同类型的矿物比表面积差异很大。粘土矿物（如蒙脱石、高岭石）的比表面积远大于砂粒矿物（如石英、长石）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 有机质含量 (Organic matter content)：土壤有机质也具有较大的比表面积，尤其是腐殖质。有机质含量越高，土壤比表面积越大。
▮▮▮▮ⓑ 土壤比表面积的环境意义：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 水分保持 (Water retention)：土壤比表面积越大，吸附水分的能力越强，持水能力越高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 养分吸附 (Nutrient adsorption)：土壤比表面积越大，吸附养分的能力越强，保肥能力越高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 污染物吸附 (Pollutant adsorption)：土壤比表面积越大，吸附污染物的能力越强，对污染物的固定和净化作用越强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 化学反应活性 (Chemical reaction activity)：土壤比表面积越大，表面活性位点越多，化学反应速率越快，土壤的化学活性越高。
土壤的物理化学性质是相互联系、相互影响的，共同决定了土壤的肥力、环境质量和生态功能。理解土壤的物理化学性质及其影响因素，对于科学评价土壤质量、合理利用土壤资源、有效防治土壤污染具有重要意义。
5.2 土壤中的化学过程 (Chemical Processes in Soil)
概述
本节阐述土壤中的风化作用、溶解沉淀、氧化还原、络合、吸附解吸、离子交换、土壤有机质的转化等重要化学过程及其环境意义。土壤是一个复杂的化学反应器，各种化学过程相互交织，共同塑造了土壤的性质和功能，也决定了土壤对环境变化的响应。
5.2.1 土壤风化作用 (Soil Weathering Processes)
土壤风化作用是指地表岩石和矿物在物理、化学和生物等因素的综合作用下，发生破碎、分解和转化的过程。风化作用是土壤形成的起始过程，也是土壤中各种化学过程的基础。根据风化作用的性质和机制，可将土壤风化作用分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。
① 物理风化 (Physical weathering)：物理风化是指岩石和矿物在温度变化、冻融作用、水力作用、风力作用、重力作用和生物机械作用等物理因素的作用下，发生破碎、崩解和磨蚀的过程，但矿物的化学组成基本不发生改变。物理风化的主要作用是增大岩石和矿物的比表面积，为化学风化和生物风化创造条件。常见的物理风化类型包括：
▮▮▮▮ⓑ 温度风化 (Thermal weathering)：由于昼夜温差、季节温差或火烧等引起岩石表面温度急剧变化，导致岩石内部产生热胀冷缩，反复作用下，岩石表面发生剥落、裂解和崩解。
▮▮▮▮ⓒ 冻融风化 (Frost weathering)：水分渗入岩石裂隙后，在低温条件下结冰，体积膨胀，产生巨大的膨胀压力，反复冻融作用下，岩石发生破裂和崩解。冻融风化在寒冷地区和高山地区尤为重要。
▮▮▮▮ⓓ 水力风化 (Hydraulic weathering)：流水冲击、波浪侵蚀、冰川磨蚀等水力作用对岩石表面产生机械磨蚀和冲击力，导致岩石破碎和磨损。
▮▮▮▮ⓔ 风力风化 (Wind weathering)：风力携带砂粒和尘土，对岩石表面进行吹蚀和磨蚀，导致岩石表面磨损和风化。风力风化在干旱半干旱地区较为显著。
▮▮▮▮ⓕ 重力风化 (Gravity weathering)：在重力作用下，岩石发生崩塌、滑坡和泥石流等，导致岩石破碎和搬运。
▮▮▮▮ⓖ 生物机械风化 (Biomechanical weathering)：植物根系生长、动物 burrowing 和微生物活动等生物机械作用，对岩石产生挤压、撑胀和磨蚀力，导致岩石破碎和风化。
② 化学风化 (Chemical weathering)：化学风化是指岩石和矿物在水、氧气、二氧化碳、有机酸等化学物质的作用下，发生化学分解和转化的过程，导致矿物的化学组成和结构发生改变，形成新的矿物和溶解性物质。化学风化是土壤形成和发育的关键过程，也是土壤中养分释放和污染物迁移转化的重要机制。常见的化学风化类型包括：
▮▮▮▮ⓑ 水解作用 (Hydrolysis)：是指矿物与水发生化学反应，导致矿物分解和溶解的过程。水解作用是硅酸盐矿物化学风化的主要方式。例如，钾长石的水解反应：
\[ 2KAlSi_3O_8 + 2H_2O + 2CO_2 \rightleftharpoons Al_2Si_2O_5(OH)_4 + K_2CO_3 + 4SiO_2 \]
钾长石 (钾长石) + 水 + 二氧化碳 ⇌ 高岭石 (粘土矿物) + 碳酸钾 (可溶性盐) + 二氧化硅 (石英)
水解作用产生粘土矿物、可溶性盐和二氧化硅等风化产物。
▮▮▮▮ⓑ 溶解作用 (Dissolution)：是指矿物在水中溶解的过程。溶解作用主要发生在易溶性矿物（如盐岩、石膏、石灰岩等）中。例如，石膏的溶解反应：
\[ CaSO_4 \cdot 2H_2O \rightleftharpoons Ca^{2+} + SO_4^{2-} + 2H_2O \]
石膏 (石膏) ⇌ 钙离子 + 硫酸根离子 + 水
溶解作用释放出矿物中的离子，增加土壤溶液中离子的浓度。
▮▮▮▮ⓒ 氧化还原作用 (Redox reaction)：是指矿物中元素的价态发生改变的化学反应。氧化还原作用主要发生在含有变价元素的矿物（如含铁矿物、含锰矿物、硫化物矿物等）中。例如，黄铁矿的氧化反应：
\[ 4FeS_2 + 15O_2 + 10H_2O \rightleftharpoons 4Fe(OH)_3 + 8H_2SO_4 \]
黄铁矿 (黄铁矿) + 氧气 + 水 ⇌ 氢氧化铁 (氧化物) + 硫酸 (酸)
氧化还原作用改变矿物的化学形态和性质，释放出矿物中的元素，并影响土壤的酸碱度和氧化还原电位。
▮▮▮▮ⓓ 碳酸化作用 (Carbonation)：是指矿物与溶解在水中的二氧化碳（碳酸）发生化学反应的过程。碳酸化作用主要发生在碳酸盐矿物（如石灰岩、白云岩等）中。例如，方解石的碳酸化反应：
\[ CaCO_3 + H_2CO_3 \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2 \]
方解石 (石灰岩) + 碳酸 ⇌ 碳酸氢钙 (可溶性盐)
碳酸化作用使碳酸盐矿物溶解，释放出钙离子和碳酸氢根离子，增加土壤溶液中离子的浓度，并影响土壤的pH值和缓冲性能。
▮▮▮▮ⓔ 络合作用 (Complexation)：是指矿物与有机配体（如有机酸、腐殖质等）发生络合反应，形成可溶性络合物的过程。络合作用能够促进难溶性矿物的溶解，加速矿物的风化。例如，有机酸与铝硅酸盐矿物发生络合反应，可以促进铝硅酸盐矿物的分解。
③ 生物风化 (Biological weathering)：生物风化是指生物（植物、动物和微生物）通过物理和化学作用，促进岩石和矿物风化的过程。生物风化是物理风化和化学风化的重要补充和加速因素。生物风化主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 生物机械风化 (Biomechanical weathering)：植物根系生长、动物 burrowing 和微生物活动等生物机械作用，对岩石产生挤压、撑胀和磨蚀力，导致岩石破碎和风化。
▮▮▮▮ⓒ 生物化学风化 (Biochemical weathering)：生物分泌的有机酸、无机酸、络合剂等化学物质，能够促进矿物的化学风化。例如，植物根系分泌的有机酸（如柠檬酸、草酸、苹果酸等），能够与矿物发生络合反应，促进矿物的溶解。微生物代谢产生的二氧化碳、有机酸、无机酸等，也能够加速矿物的化学风化。地衣、苔藓等低等植物分泌的地衣酸、苔藓酸等，具有很强的风化能力。
土壤风化作用是一个长期而复杂的过程，受到气候、地质、生物、地形和时间等多种因素的综合影响。风化作用的类型、强度和速率决定了土壤的形成速度、土壤的矿物组成、土壤的质地和土壤的肥力。理解土壤风化作用的机制和影响因素，对于认识土壤的形成过程、评价土壤质量和预测土壤演变趋势具有重要意义。
5.2.2 土壤中的溶解沉淀过程 (Dissolution and Precipitation Processes in Soil)
土壤中的溶解沉淀过程是指土壤中矿物、盐类和污染物等物质在水溶液中溶解和从溶液中析出沉淀的过程。溶解沉淀过程是土壤中物质迁移转化和形态变化的重要机制，影响土壤养分有效性、污染物迁移性和土壤环境质量。溶解沉淀过程遵循溶解度平衡原理，可以用溶解度积常数 (\(K_{sp}\)) 来描述。
① 溶解度与溶解度积 (Solubility and solubility product)：溶解度是指在一定温度下，100克溶剂中溶解某种溶质达到饱和状态时所溶解的溶质的质量，通常用克/100克水 (g/100g H\( _2 \)O) 或摩尔/升 (mol/L) 表示。溶解度积常数 (\(K_{sp}\)) 是指在一定温度下，难溶电解质的饱和溶液中，各离子浓度幂的乘积。对于难溶电解质 \(A_mB_n\)，其溶解平衡和溶解度积表达式为：
\[ A_mB_n(s) \rightleftharpoons mA^{n+}(aq) + nB^{m-}(aq) \]
\[ K_{sp} = [A^{n+}]^m [B^{m-}]^n \]
\(K_{sp}\) 值越小，难溶电解质的溶解度越小，越难溶于水。反之，\(K_{sp}\) 值越大，溶解度越大，越易溶于水。溶解度积常数是温度的函数，温度升高，溶解度积常数通常增大，溶解度增大。
② 影响溶解沉淀过程的因素：
▮▮▮▮ⓑ 温度 (Temperature)：温度升高，溶解度积常数通常增大，溶解度增大。因此，温度升高有利于溶解过程，不利于沉淀过程。
▮▮▮▮ⓒ pH值 (pH value)：pH值对某些难溶电解质的溶解度影响显著。例如，氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐等难溶电解质的溶解度受pH值影响较大。酸性条件下，氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐的溶解度增大，碱性条件下，溶解度减小。
▮▮▮▮ⓓ 共离子效应 (Common ion effect)：在难溶电解质的溶液中加入含有相同离子的易溶电解质，会使难溶电解质的溶解度降低，沉淀析出。例如，在氯化银 (AgCl) 饱和溶液中加入氯化钠 (NaCl) 或硝酸银 (AgNO\( _3 \)), 都会使氯离子 (\(Cl^-\)) 或银离子 (\(Ag^+\)) 浓度增大，导致氯化银溶解度降低，沉淀析出。
▮▮▮▮ⓔ 盐效应 (Salt effect)：在难溶电解质的溶液中加入不含相同离子的易溶电解质，会使难溶电解质的溶解度增大。例如，在氯化银 (AgCl) 饱和溶液中加入硝酸钾 (KNO\( _3 \)), 会使溶液中离子强度增大，离子间相互作用减弱，导致氯化银溶解度增大。
▮▮▮▮ⓕ 络合作用 (Complexation)：络合剂（如EDTA、柠檬酸、腐殖质等）能够与金属离子形成可溶性络合物，从而增大难溶金属盐的溶解度。例如，EDTA与钙离子 (\(Ca^{2+}\)) 形成稳定的络合物，可以增大磷酸钙的溶解度。
▮▮▮▮ⓖ 氧化还原条件 (Redox conditions)：氧化还原条件影响某些元素的价态和溶解度。例如，铁在氧化条件下主要以难溶的三价铁 (\(Fe^{3+}\)) 形式存在，在还原条件下，三价铁可被还原为溶解度较大的二价铁 (\(Fe^{2+}\))。
③ 溶解沉淀过程在土壤中的作用：
▮▮▮▮ⓑ 矿物风化与次生矿物形成 (Mineral weathering and secondary mineral formation)：溶解沉淀过程是矿物风化和次生矿物形成的重要机制。原生矿物通过溶解作用释放出离子，这些离子在土壤溶液中发生沉淀反应，形成次生矿物，如粘土矿物、氧化物、氢氧化物等。
▮▮▮▮ⓒ 养分元素的释放与固定 (Nutrient element release and fixation)：溶解沉淀过程影响土壤养分元素的释放和固定。含磷矿物的溶解可以释放出磷素养分，供植物吸收利用。但磷酸盐也容易与土壤中的钙、铁、铝离子发生沉淀反应，形成难溶性磷酸盐，降低磷的有效性。
▮▮▮▮ⓓ 重金属的迁移转化与生物有效性 (Heavy metal migration, transformation, and bioavailability)：溶解沉淀过程影响重金属在土壤中的形态、迁移性和生物有效性。重金属可以与土壤中的阴离子（如氢氧根离子、碳酸根离子、硫离子、磷酸根离子等）发生沉淀反应，形成难溶性沉淀，降低重金属的迁移性和生物有效性。但沉淀的稳定性受pH值、氧化还原条件、络合作用等因素的影响，环境条件变化可能导致沉淀溶解，释放出重金属，造成二次污染。
▮▮▮▮ⓔ 盐碱化与酸化过程 (Salinization and acidification processes)：溶解沉淀过程与土壤盐碱化和酸化过程密切相关。盐碱化是由于土壤中易溶盐（如氯化物、硫酸盐、碳酸盐等）积累过多引起的。干旱半干旱地区，蒸发量大于降水量，土壤中盐分随水分上升到地表，水分蒸发后，盐分在土壤表面积累，形成盐碱土。酸化是由于土壤中酸性物质（如酸雨、硫化物氧化产生的硫酸、有机质分解产生的有机酸等）积累过多引起的。酸雨淋溶作用、施用生理酸性肥料、硫化物矿物氧化等都会导致土壤酸化。
理解土壤中的溶解沉淀过程及其影响因素，对于调控土壤养分有效性、防治土壤重金属污染、改良盐碱土和酸化土具有重要意义。可以通过调节土壤pH值、氧化还原条件、施用络合剂或沉淀剂等措施，控制溶解沉淀过程，改善土壤环境质量。
5.2.3 土壤中的氧化还原过程 (Redox Processes in Soil)
土壤中的氧化还原过程是指土壤中物质之间发生的电子转移反应，包括氧化反应和还原反应。氧化还原过程是土壤中重要的化学过程，影响土壤养分转化、污染物形态和迁移性、温室气体排放和微生物代谢。土壤的氧化还原状态可以用氧化还原电位 (Eh) 来表征。
① 氧化还原反应类型：土壤中常见的氧化还原反应类型包括：
▮▮▮▮ⓑ 硝化作用 (Nitrification)：是指土壤微生物将铵态氮 (\(NH_4^+\)) 氧化为硝态氮 (\(NO_3^-\)) 的过程，包括亚硝化作用和硝化作用两个步骤。亚硝化作用由亚硝化细菌 (Nitrosomonas) 完成，将铵态氮氧化为亚硝酸根离子 (\(NO_2^-\)):
\[ 2NH_4^+ + 3O_2 \xrightarrow{亚硝化细菌} 2NO_2^- + 4H^+ + 2H_2O \]
硝化作用由硝化细菌 (Nitrobacter) 完成，将亚硝酸根离子氧化为硝酸根离子:
\[ 2NO_2^- + O_2 \xrightarrow{硝化细菌} 2NO_3^- \]
硝化作用是土壤氮循环的重要组成部分，将植物难以直接吸收利用的铵态氮转化为易于植物吸收利用的硝态氮。但硝态氮也容易随水淋失，造成氮肥损失和地下水污染。
▮▮▮▮ⓑ 反硝化作用 (Denitrification)：是指土壤微生物在厌氧条件下，将硝态氮 (\(NO_3^-\)) 还原为氮气 (\(N_2\)) 或氧化亚氮 (\(N_2O\)) 的过程。反硝化作用由反硝化细菌 (如假单胞菌属 Pseudomonas) 完成，是一个逐步还原的过程，中间产物包括亚硝酸根离子 (\(NO_2^-\))、一氧化氮 (NO) 和氧化亚氮 (\(N_2O\))。最终产物主要是氮气，也有少量氧化亚氮。
\[ NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2 \]
反硝化作用是土壤氮循环的重要组成部分，是土壤氮素损失的主要途径之一。但反硝化作用也具有一定的环境意义，可以去除土壤和水体中的硝态氮污染。氧化亚氮是一种重要的温室气体，反硝化作用是土壤氧化亚氮排放的主要来源。
▮▮▮▮ⓒ 铁的氧化还原反应 (Iron redox reactions)：铁是土壤中含量丰富的变价元素，在土壤氧化还原过程中起着重要作用。在氧化条件下，二价铁 (\(Fe^{2+}\)) 易被氧化为难溶的三价铁 (\(Fe^{3+}\))，形成氧化铁、氢氧化铁等沉淀。在还原条件下，三价铁可被还原为溶解度较大的二价铁。铁的氧化还原反应影响土壤的颜色、结构、养分有效性和污染物迁移性。例如，水稻土淹水后，土壤呈还原状态，三价铁被还原为二价铁，土壤颜色由棕红色变为青灰色，土壤结构破坏，磷的有效性提高，但重金属的迁移性也可能增加。
▮▮▮▮ⓓ 锰的氧化还原反应 (Manganese redox reactions)：锰也是土壤中重要的变价元素，其氧化还原行为与铁相似。在氧化条件下，二价锰 (\(Mn^{2+}\)) 易被氧化为难溶的高价态锰氧化物 (\(MnO_2\)、\(Mn_2O_3\)、\(Mn_3O_4\))。在还原条件下，高价态锰氧化物可被还原为溶解度较大的二价锰。锰的氧化还原反应影响土壤的养分有效性、重金属迁移性和土壤微生物活性。
▮▮▮▮ⓔ 硫的氧化还原反应 (Sulfur redox reactions)：硫在土壤中也存在多种价态，其氧化还原反应对土壤的养分循环、酸碱度和污染物转化具有重要影响。在氧化条件下，硫化物 (\(S^{2-}\)) 易被氧化为硫酸盐 (\(SO_4^{2-}\)), 元素硫 (S) 也可被氧化为硫酸盐。在还原条件下，硫酸盐可被还原为硫化物，有机硫也可被矿化为硫化物。硫的氧化还原反应与酸雨形成、金属硫化物矿山酸性矿山排水 (AMD) 形成、土壤酸化和硫循环密切相关。
▮▮▮▮ⓕ 有机质的氧化还原反应 (Organic matter redox reactions)：土壤有机质的分解和腐殖化过程都涉及氧化还原反应。有机质的分解是一个氧化过程，微生物利用有机质作为碳源和能源，将其氧化为二氧化碳和水，释放能量。腐殖质的形成是一个复杂的聚合和氧化过程，涉及多种氧化还原反应。腐殖质本身也具有氧化还原活性，可以参与土壤中的氧化还原反应，影响污染物的转化。
② 氧化还原电位 (Eh) 与 pE：氧化还原电位 (Eh) 是衡量土壤氧化还原状态的指标，反映土壤中电子的有效浓度或电子活度。氧化还原电位越高，土壤氧化性越强；氧化还原电位越低，土壤还原性越强。氧化还原电位的单位为毫伏 (mV) 或伏特 (V)。pE 是另一种表示氧化还原状态的指标，定义为电子活度的负对数，即 \(pE = -lg[e^-]\)。pE 与 Eh 之间存在线性关系：
\[ Eh = \frac{RT}{nF} \ln(10) pE \approx 0.059 pE \quad (25^\circ C) \]
其中，R 为气体常数，T 为绝对温度，n 为电子转移数，F 为法拉第常数。在 25℃ 时，Eh ≈ 0.059 pE。pE 值越高，氧化性越强；pE 值越低，还原性越强。
③ 土壤氧化还原电位的影响因素：
▮▮▮▮ⓑ 通气状况 (Aeration status)：通气良好的土壤，氧气充足，氧化还原电位较高，呈氧化状态。淹水或通气不良的土壤，氧气缺乏，还原性物质积累，氧化还原电位降低，呈还原状态。
▮▮▮▮ⓒ 有机质含量 (Organic matter content)：有机质是土壤中主要的还原性物质，有机质含量高的土壤，氧化还原电位较低。
▮▮▮▮ⓓ 水分含量 (Water content)：土壤水分含量影响土壤的通气状况，进而影响氧化还原电位。淹水土壤氧化还原电位较低。
▮▮▮▮ⓔ 微生物活动 (Microbial activity)：微生物的呼吸作用和代谢活动消耗氧气，产生还原性物质，影响土壤氧化还原电位。
▮▮▮▮ⓕ pH值 (pH value)：pH值对某些氧化还原反应的速率和平衡有影响，进而影响土壤氧化还原电位。
④ 氧化还原过程的环境意义：
▮▮▮▮ⓑ 养分循环 (Nutrient cycling)：氧化还原过程是土壤氮、硫、铁、锰等元素循环的关键环节，影响养分的形态转化、有效性和植物吸收利用。
▮▮▮▮ⓒ 污染物转化 (Pollutant transformation)：氧化还原过程影响污染物的形态、迁移性和毒性。一些污染物可以通过氧化还原反应降解或转化，降低其环境风险。例如，六价铬可以被还原为毒性较低的三价铬，硝基芳香族化合物可以通过还原反应脱硝基。
▮▮▮▮ⓓ 温室气体排放 (Greenhouse gas emission)：土壤氧化还原过程与温室气体（如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮）的产生和排放密切相关。淹水稻田是重要的甲烷和氧化亚氮排放源，其排放过程受土壤氧化还原状态的调控。
▮▮▮▮ⓔ 土壤健康 (Soil health)：土壤氧化还原状态影响土壤微生物群落结构和功能，进而影响土壤健康。适宜的氧化还原状态有利于土壤微生物的生长和活性，促进有机质分解、养分循环和污染物降解，维持土壤生态系统的稳定和健康。
理解土壤中的氧化还原过程及其影响因素，对于调控土壤养分循环、防治土壤污染、减缓温室气体排放和改善土壤健康具有重要意义。可以通过调节土壤通气状况、水分管理、有机质施用等措施，控制土壤氧化还原过程，改善土壤环境质量。
5.2.4 土壤中的络合与配位过程 (Complexation and Coordination Processes in Soil)
土壤中的络合与配位过程是指土壤中金属离子与配体（ligand）之间形成的配位键结合，生成络合物或配合物的过程。配体可以是无机配体（如氢氧根离子、氯离子、氟离子、碳酸根离子、磷酸根离子等），也可以是有机配体（如有机酸、氨基酸、腐殖质等）。络合与配位过程是土壤中重要的化学过程，影响金属离子的形态、溶解度、迁移性、生物有效性和毒性。
① 络合物的组成与结构：络合物由中心金属离子和配体组成。中心金属离子是接受电子对的路易斯酸，配体是提供电子对的路易斯碱。金属离子与配体之间通过配位键结合，形成络合物。络合物的结构复杂多样，取决于中心金属离子的性质、配体的种类和数量、配位体的空间排列等因素。常见的络合物结构包括：
▮▮▮▮ⓑ 单齿络合物 (Monodentate complexes)：配体只提供一个配位原子与中心金属离子结合，如 \( [Ag(NH_3)_2]^+ \)。
▮▮▮▮ⓒ 多齿络合物 (Polydentate complexes)：配体提供多个配位原子与中心金属离子结合，形成环状结构，称为螯合物 (Chelates)。多齿配体与金属离子形成的络合物稳定性更高，称为螯合效应 (Chelate effect)。常见的螯合剂包括EDTA、DTPA、柠檬酸、草酸、腐殖质等。
▮▮▮▮ⓓ 混合配体络合物 (Mixed ligand complexes)：中心金属离子同时与多种配体结合形成的络合物，如 \( [Cu(NH_3)_4(H_2O)_2]^{2+} \)。
② 络合物的稳定性：络合物的稳定性用稳定常数 (或称形成常数，\(K_f\)) 来衡量。稳定常数越大，络合物越稳定，越不容易解离。稳定常数受多种因素影响，包括：
▮▮▮▮ⓑ 中心金属离子的性质 (Nature of central metal ion)：中心金属离子的电荷、半径、电子构型等影响络合物的稳定性。一般来说，金属离子的电荷越高、半径越小，形成的络合物越稳定。过渡金属离子由于具有未充满的d轨道，容易形成稳定的络合物。
▮▮▮▮ⓒ 配体的性质 (Nature of ligand)：配体的碱性、配位原子的性质、配体的空间位阻等影响络合物的稳定性。配体的碱性越强，提供的电子对能力越强，形成的络合物越稳定。多齿配体由于螯合效应，形成的络合物比单齿配体更稳定。
▮▮▮▮ⓓ 环境条件 (Environmental conditions)：温度、pH值、离子强度等环境条件影响络合物的稳定性。温度升高，络合物的稳定性通常降低。pH值影响配体的存在形态和络合反应的平衡。离子强度增大，络合物的稳定性可能受到影响。
③ 土壤中常见的配体：土壤中存在多种配体，可以与金属离子发生络合反应，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 无机配体 (Inorganic ligands)：氢氧根离子 (\(OH^-\))、氯离子 (\(Cl^-\))、氟离子 (\(F^-\))、碳酸根离子 (\(CO_3^{2-}\))、磷酸根离子 (\(PO_4^{3-}\))、硫离子 (\(S^{2-}\)) 等。这些无机配体在土壤中广泛存在，可以与多种金属离子形成络合物。
▮▮▮▮ⓒ 有机配体 (Organic ligands)：有机酸（如柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸等）、氨基酸、腐殖质（胡敏酸、富里酸）等。这些有机配体来源于植物根系分泌物、微生物代谢产物和有机质分解产物，具有较强的络合能力，可以与多种金属离子形成稳定的络合物。腐殖质是土壤中最重要的有机配体，其分子结构复杂，含有多种官能团（如羧基、酚羟基、羰基、氨基等），具有很强的络合能力。
④ 络合与配位过程在土壤中的作用：
▮▮▮▮ⓑ 金属离子的溶解与迁移 (Metal ion dissolution and migration)：络合作用可以增大难溶金属盐的溶解度，促进金属离子的溶解和迁移。例如，有机酸与土壤矿物中的金属离子发生络合反应，可以促进矿物的溶解，释放出金属离子。络合作用还可以改变金属离子的形态，使其以可溶性络合物的形式存在，增加其在土壤中的迁移性。
▮▮▮▮ⓒ 养分元素的有效性 (Nutrient element availability)：络合作用对某些养分元素的有效性具有重要影响。例如，微量元素铁、锰、锌、铜等在土壤中容易形成难溶性沉淀，降低其有效性。有机配体可以与这些微量元素形成可溶性络合物，提高其在土壤溶液中的浓度，增加植物的吸收利用率。但络合作用也可能降低某些养分元素的有效性。例如，磷酸根离子与钙、铁、铝离子形成难溶性磷酸盐沉淀，降低磷的有效性。
▮▮▮▮ⓓ 重金属的迁移转化与生物有效性 (Heavy metal migration, transformation, and bioavailability)：络合作用对重金属在土壤中的迁移转化和生物有效性具有重要影响。络合作用可以增加重金属的溶解度和迁移性，但也可能降低重金属的生物有效性和毒性。例如，腐殖质可以与重金属离子形成稳定的络合物，降低重金属的生物有效性和毒性。但某些低分子量有机配体（如EDTA）与重金属形成的络合物，可能增加重金属的迁移性和生物有效性，提高其环境风险。
▮▮▮▮ⓔ 土壤净化与修复 (Soil purification and remediation)：络合作用在土壤净化和修复中具有重要应用价值。利用络合剂（如EDTA、柠檬酸、植物根系分泌物等）可以提取土壤中的重金属污染物，实现土壤的植物修复或化学淋洗修复。利用络合剂还可以稳定土壤中的重金属，降低其生物有效性和环境风险。
理解土壤中的络合与配位过程及其影响因素，对于调控土壤养分有效性、防治土壤重金属污染、开展土壤修复和改善土壤环境质量具有重要意义。可以通过施用络合剂、调节土壤pH值、增加土壤有机质含量等措施，控制络合与配位过程，改善土壤环境质量。
5.2.5 土壤中的吸附与解吸过程 (Adsorption and Desorption Processes in Soil)
土壤中的吸附与解吸过程是指土壤固相表面对土壤溶液中的溶质分子或离子（吸附质）的富集和释放过程。吸附是指溶质从溶液中转移到固相表面的过程，解吸是指吸附质从固相表面释放到溶液中的过程。吸附与解吸过程是土壤中重要的界面化学过程，影响土壤养分保持、污染物迁移转化、土壤缓冲性能和生物有效性。
① 吸附类型与机制：根据吸附力性质和吸附机制，土壤吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型：
▮▮▮▮ⓑ 物理吸附 (Physical adsorption)：也称范德华吸附 (van der Waals adsorption)，是指吸附质与吸附剂之间通过范德华力（如伦敦色散力、偶极-偶极力、诱导力等）相互作用而发生的吸附。物理吸附的特点是吸附力较弱，吸附热较小（< 40 kJ/mol），吸附速率快，吸附平衡易于达到，吸附过程可逆，吸附选择性差，多为多分子层吸附。物理吸附主要发生在土壤矿物颗粒的外表面。
▮▮▮▮ⓒ 化学吸附 (Chemical adsorption)：也称活性吸附 (activated adsorption)，是指吸附质与吸附剂之间通过化学键（如离子键、共价键、配位键等）相互作用而发生的吸附。化学吸附的特点是吸附力较强，吸附热较大（> 80 kJ/mol），吸附速率较慢，吸附平衡不易达到，吸附过程不可逆或难逆，吸附选择性强，多为单分子层吸附。化学吸附主要发生在土壤矿物颗粒的活性位点，如晶格缺陷、边缘位点、官能团等。
在实际土壤环境中，物理吸附和化学吸附往往同时存在，难以截然分开。通常将吸附热小于 40 kJ/mol 的吸附归为物理吸附，吸附热大于 80 kJ/mol 的吸附归为化学吸附，吸附热介于两者之间的吸附称为中间型吸附。
② 吸附等温线 (Adsorption isotherm)：吸附等温线是指在一定温度下，吸附平衡时，固相吸附量与液相平衡浓度之间的关系曲线。吸附等温线可以描述吸附剂的吸附特性和吸附容量，是研究吸附过程的重要工具。常用的吸附等温线模型包括：
▮▮▮▮ⓑ Langmuir 吸附等温线 (Langmuir adsorption isotherm)：假设吸附是单分子层吸附，吸附剂表面是均匀的，吸附位点能量均一，吸附质分子之间没有相互作用。Langmuir 吸附等温线方程为：
\[ q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e} \]
其中，\(q_e\) 为平衡吸附量，\(C_e\) 为平衡浓度，\(q_m\) 为最大吸附量，\(K_L\) 为 Langmuir 吸附常数，反映吸附剂的吸附亲和力。
▮▮▮▮ⓑ Freundlich 吸附等温线 (Freundlich adsorption isotherm)：假设吸附剂表面是不均匀的，吸附位点能量不均一，吸附质分子之间存在相互作用，吸附是多分子层吸附。Freundlich 吸附等温线方程为：
\[ q_e = K_F C_e^{1/n} \]
其中，\(K_F\) 为 Freundlich 吸附常数，反映吸附剂的吸附容量，\(1/n\) 为非线性指数，反映吸附的非线性程度。当 \(1/n < 1\) 时，吸附量随浓度增加而增加的速率减缓；当 \(1/n > 1\) 时，吸附量随浓度增加而增加的速率加快；当 \(1/n = 1\) 时，Freundlich 等温线退化为线性等温线。
▮▮▮▮ⓒ 线性吸附等温线 (Linear adsorption isotherm)：当吸附质浓度较低时，Langmuir 和 Freundlich 等温线都可以简化为线性吸附等温线：
\[ q_e = K_d C_e \]
其中，\(K_d\) 为分配系数 (Distribution coefficient)，反映吸附剂的吸附能力。\(K_d\) 值越大，吸附能力越强。
③ 影响吸附过程的因素：
▮▮▮▮ⓑ 吸附剂性质 (Adsorbent properties)：吸附剂的比表面积、孔隙结构、表面电荷、官能团等性质影响吸附能力。土壤中主要的吸附剂包括粘土矿物、有机质、氧化物、氢氧化物等。粘土矿物和有机质具有较大的比表面积和表面电荷，是土壤中主要的吸附剂。
▮▮▮▮ⓒ 吸附质性质 (Adsorbate properties)：吸附质的分子大小、极性、电荷、溶解度等性质影响吸附行为。一般来说，分子量较大、极性较小、电荷相反的吸附质更容易被土壤吸附。
▮▮▮▮ⓓ 环境条件 (Environmental conditions)：pH值、温度、离子强度、共存物质等环境条件影响吸附过程。pH值影响吸附剂表面电荷和吸附质的存在形态，进而影响吸附量。温度升高，吸附量通常降低，物理吸附尤为明显。离子强度增大，可能促进或抑制吸附，取决于吸附机制和吸附质性质。共存物质可能与吸附质竞争吸附位点，降低吸附量。
④ 吸附解吸过程在土壤中的作用：
▮▮▮▮ⓑ 养分保持与供应 (Nutrient retention and supply)：土壤吸附作用能够吸附土壤溶液中的养分离子（如铵根离子、钾离子、磷酸根离子等），防止养分淋失，提高养分利用率。解吸作用可以缓慢释放吸附态养分，维持土壤养分的持续供应。
▮▮▮▮ⓒ 污染物迁移转化与生物有效性 (Pollutant migration, transformation, and bioavailability)：土壤吸附作用能够吸附土壤中的污染物（如重金属、有机污染物、农药等），降低污染物的迁移性和生物有效性，减轻环境污染。解吸作用可能导致吸附态污染物释放，造成二次污染。吸附解吸过程影响污染物的环境归趋和生态风险。
▮▮▮▮ⓓ 土壤缓冲性能 (Soil buffering capacity)：土壤吸附作用具有缓冲性能，可以缓冲土壤pH值、离子浓度等环境因子的变化，维持土壤环境的稳定。
▮▮▮▮ⓔ 土壤净化与修复 (Soil purification and remediation)：土壤吸附作用是土壤自净能力的重要组成部分。利用土壤吸附特性，可以开展土壤污染修复，如活性炭吸附修复、生物炭吸附修复、粘土矿物吸附修复等。
理解土壤中的吸附解吸过程及其影响因素，对于调控土壤养分循环、防治土壤污染、开展土壤修复和改善土壤环境质量具有重要意义。可以通过施用土壤改良剂（如有机质、粘土矿物、活性炭、生物炭等）、调节土壤pH值、优化灌溉施肥等措施，控制吸附解吸过程，改善土壤环境质量。
5.2.6 土壤中的离子交换过程 (Ion Exchange Processes in Soil)
土壤中的离子交换过程是指土壤固相表面吸附的离子与土壤溶液中的离子之间发生的等电荷量交换的过程。离子交换是土壤重要的化学过程，影响土壤养分保持、pH缓冲、污染物迁移转化和土壤肥力。土壤的离子交换能力用阳离子交换容量 (CEC) 和阴离子交换容量 (AEC) 来衡量。
① 离子交换类型：根据交换离子的电荷性质，离子交换可分为阳离子交换和阴离子交换两种类型：
▮▮▮▮ⓑ 阳离子交换 (Cation exchange)：是指土壤固相表面吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子之间发生的交换。土壤中主要的阳离子交换剂是粘土矿物和有机质，它们表面带有负电荷，可以吸附阳离子。阳离子交换反应是可逆的，遵循电荷平衡和质量作用定律。阳离子交换的选择性顺序通常遵循价数规则和离子半径规则。价数高的阳离子比价数低的阳离子优先被吸附，离子半径小的阳离子比离子半径大的阳离子优先被吸附。常见的阳离子交换顺序为：
\[ Al^{3+} > Ca^{2+} > Mg^{2+} > K^+ = NH_4^+ > Na^+ \]
▮▮▮▮ⓑ 阴离子交换 (Anion exchange)：是指土壤固相表面吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子之间发生的交换。土壤中阴离子交换能力较弱，阴离子交换剂主要是一些氧化物、氢氧化物和某些粘土矿物（如高岭石、氧化物包膜的粘粒等），它们表面带有正电荷，可以吸附阴离子。阴离子交换的选择性顺序也遵循价数规则和离子半径规则。价数高的阴离子比价数低的阴离子优先被吸附，离子半径小的阴离子比离子半径大的阴离子优先被吸附。常见的阴离子交换顺序为：
\[ PO_4^{3-} > SO_4^{2-} > NO_3^- > Cl^- \]
② 阳离子交换容量 (CEC) 与阴离子交换容量 (AEC)：
▮▮▮▮ⓑ 阳离子交换容量 (CEC)：是指土壤吸附负电荷所能吸附阳离子的总量，单位为厘摩尔每千克土壤 (cmol/kg) 或毫克当量每百克土壤 (meq/100g)。CEC 是土壤保肥能力的重要指标，反映土壤吸附和交换阳离子养分的能力。土壤CEC越大，保肥能力越强。土壤CEC主要来源于粘土矿物和有机质。不同类型粘土矿物CEC差异很大，蒙脱石的CEC最高，高岭石的CEC最低。有机质的CEC也较高，尤其是腐殖质。土壤pH值也影响CEC，随着pH值升高，CEC一般会增加。
▮▮▮▮ⓒ 阴离子交换容量 (AEC)：是指土壤吸附正电荷所能吸附阴离子的总量，单位与CEC相同。AEC 是土壤保持阴离子养分的能力指标。土壤AEC一般远小于CEC，土壤阴离子交换能力较弱。土壤AEC主要来源于氧化物、氢氧化物和某些粘土矿物。土壤pH值对AEC影响显著，随着pH值升高，AEC一般会降低，甚至变为负值（即净负电荷）。
③ 离子交换反应：离子交换反应是可逆的，可以用离子交换平衡常数来描述。离子交换平衡常数反映了不同离子之间交换的相对选择性。离子交换反应受多种因素影响，包括：
▮▮▮▮ⓑ 离子浓度 (Ion concentration)：溶液中离子浓度越高，越有利于离子交换反应的进行。
▮▮▮▮ⓒ 离子价数 (Ion valence)：价数高的离子比价数低的离子优先被吸附，有利于高价离子的交换。
▮▮▮▮ⓓ 离子半径 (Ion radius)：离子半径小的离子比离子半径大的离子优先被吸附，有利于小半径离子的交换。
▮▮▮▮ⓔ 温度 (Temperature)：温度升高，离子交换反应速率加快，但对平衡常数的影响较小。
▮▮▮▮ⓕ pH值 (pH value)：pH值影响土壤表面电荷和离子形态，进而影响离子交换反应。
④ 离子交换过程在土壤中的作用：
▮▮▮▮ⓑ 养分保持与供应 (Nutrient retention and supply)：土壤离子交换作用能够吸附土壤溶液中的养分离子（如铵根离子、钾离子、磷酸根离子等），防止养分淋失，提高养分利用率。离子交换反应的可逆性保证了吸附态养分可以缓慢释放，维持土壤养分的持续供应。
▮▮▮▮ⓒ pH缓冲 (pH buffering)：土壤离子交换作用具有pH缓冲性能，可以缓冲土壤pH值的变化，维持土壤pH值的稳定。当土壤pH值降低时，土壤可以释放出碱性阳离子（如钙离子、镁离子等），中和酸性物质，提高pH值。当土壤pH值升高时，土壤可以吸附碱性阳离子，释放出氢离子，降低pH值。
▮▮▮▮ⓓ 污染物迁移转化与生物有效性 (Pollutant migration, transformation, and bioavailability)：土壤离子交换作用能够吸附土壤中的离子型污染物（如重金属离子、有机阳离子农药、阴离子污染物等），降低污染物的迁移性和生物有效性，减轻环境污染。离子交换反应的可逆性也意味着吸附态污染物可能在环境条件变化时释放，造成二次污染。
▮▮▮▮ⓔ 土壤结构稳定 (Soil structure stability)：土壤阳离子交换作用对土壤结构稳定具有重要作用。二价阳离子（如钙离子）比一价阳离子（如钠离子）更能有效地促进土壤颗粒的团聚，形成稳定的团聚体结构。钠离子含量过高会导致土壤分散，破坏土壤结构，形成盐碱土。
理解土壤中的离子交换过程及其影响因素，对于调控土壤养分循环、防治土壤污染、改良盐碱土和酸化土、改善土壤肥力具有重要意义。可以通过施用土壤改良剂（如石膏、石灰、有机质等）、调节土壤pH值、优化施肥灌溉等措施，控制离子交换过程，改善土壤环境质量。
5.2.7 土壤有机质的转化 (Transformation of Soil Organic Matter)
土壤有机质 (SOM) 的转化是指土壤有机物在生物化学作用下，发生分解、合成、聚合和矿化的复杂过程。土壤有机质的转化是土壤碳循环和养分循环的核心环节，对土壤肥力、结构、保水保肥能力、缓冲性能和环境质量具有重要影响。土壤有机质的转化过程主要包括分解和腐殖化两个相互关联的过程。
① 土壤有机质的分解 (Decomposition of soil organic matter)：土壤有机质的分解是指土壤微生物在酶的作用下，将复杂的有机物分解为简单的无机物（如二氧化碳、水、矿质养分等）的过程，也称为矿化作用 (Mineralization)。土壤有机质的分解是一个氧化过程，释放能量，为微生物生长提供碳源和能源，也释放出植物生长所需的矿质养分（如氮、磷、硫等）。土壤有机质的分解速率受多种因素影响，包括：
▮▮▮▮ⓑ 有机物性质 (Organic matter quality)：不同类型的有机物分解速率差异很大。易分解的有机物（如糖类、淀粉、蛋白质等）分解速率快，难分解的有机物（如木质素、纤维素、蜡质等）分解速率慢。有机物的碳氮比 (C/N 比) 也影响分解速率。C/N 比低的有机物（如绿肥、豆科作物残茬等）分解速率快，C/N 比高的有机物（如秸秆、锯末等）分解速率慢。
▮▮▮▮ⓒ 环境条件 (Environmental conditions)：温度、湿度、通气状况、pH值等环境条件显著影响土壤微生物的活性和有机质的分解速率。适宜的温度和湿度有利于微生物的生长和活性，促进有机质分解。通气良好的土壤，好氧微生物活性高，有机质分解速率快。pH值影响微生物的种类和酶活性，进而影响有机质分解速率。
▮▮▮▮ⓓ 土壤微生物 (Soil microorganisms)：土壤微生物是土壤有机质分解的主力军。不同类型的微生物分解有机物的能力和偏好不同。细菌、真菌、放线菌等都参与土壤有机质的分解。
② 土壤有机质的腐殖化 (Humification of soil organic matter)：土壤有机质的腐殖化是指动植物残体经过微生物分解转化，并经过一系列复杂的化学聚合反应，形成腐殖质的过程。腐殖质是土壤有机质的主体，是土壤肥力的核心组分。腐殖质的形成是一个复杂的聚合和氧化过程，涉及多种化学反应，包括：
▮▮▮▮ⓑ 水解 (Hydrolysis)：微生物分泌的水解酶将复杂的有机物（如蛋白质、多糖、脂肪等）水解为简单的单体（如氨基酸、单糖、脂肪酸等）。
▮▮▮▮ⓒ 氧化 (Oxidation)：微生物分泌的氧化酶将有机物氧化，产生醌类、酚类等中间产物。
▮▮▮▮ⓓ 聚合 (Polymerization)：醌类、酚类等中间产物与氨基酸、多肽等发生聚合反应，形成腐殖质的前体物质。
▮▮▮▮ⓔ 缩合 (Condensation)：腐殖质前体物质进一步缩合、聚合，形成结构复杂、分子量大的腐殖质分子。
腐殖质的形成是一个长期而缓慢的过程，受到有机物性质、环境条件和微生物活动等多种因素的综合影响。腐殖质的结构复杂多样，含有多种官能团（如羧基、酚羟基、羰基、氨基、甲氧基等），具有很强的吸附、络合、氧化还原和缓冲能力，对土壤肥力、污染物迁移转化和环境质量具有重要影响。
③ 土壤有机质转化的环境意义：
▮▮▮▮ⓑ 养分循环 (Nutrient cycling)：土壤有机质是土壤养分的重要来源和储存库。有机质的分解释放出植物生长所需的矿质养分（如氮、磷、硫等），参与土壤养分循环。腐殖质可以吸附和保持养分，防止养分淋失，提高养分利用率。
▮▮▮▮ⓒ 土壤结构改善 (Soil structure improvement)：腐殖质是形成土壤团聚体结构的重要胶结物质。腐殖质可以胶结土壤矿物颗粒，形成稳定的团聚体结构，改善土壤的孔隙度、通气透水性和保水保肥能力。
▮▮▮▮ⓓ 土壤缓冲性能增强 (Soil buffering capacity enhancement)：腐殖质含有多种官能团，具有很强的缓冲能力，可以缓冲土壤pH值、氧化还原电位和离子浓度的变化，维持土壤环境的稳定。
▮▮▮▮ⓔ 污染物吸附与降解 (Pollutant adsorption and degradation)：腐殖质具有较大的比表面积和表面活性，可以吸附土壤中的污染物（如重金属、有机污染物、农药等），降低污染物的迁移性和生物有效性。腐殖质还可以参与污染物的氧化还原反应，促进污染物的降解。
▮▮▮▮ⓕ 碳固存与气候变化减缓 (Carbon sequestration and climate change mitigation)：土壤有机质是陆地生态系统最大的碳库。增加土壤有机质含量，可以固存大气中的二氧化碳，减缓全球气候变化。通过合理的农业管理措施（如秸秆还田、免耕、绿肥种植、有机肥施用等），可以提高土壤有机质含量，实现土壤碳固存。
理解土壤有机质的转化过程及其环境意义，对于提高土壤肥力、改善土壤结构、防治土壤污染、减缓气候变化和实现农业可持续发展具有重要意义。可以通过合理的农业管理措施，调控土壤有机质的转化过程，提高土壤质量和生态功能。
5.3 土壤污染及其化学 (Soil Pollution and its Chemistry)
概述
本节系统讲解重金属污染、有机污染物污染、农药污染、化肥污染、固体废物污染等主要土壤污染问题及其化学特征和环境效应。土壤污染是指由于人为或自然因素，有害物质进入土壤，超过土壤的自净能力，引起土壤质量下降，功能退化，危害人类健康和生态环境的现象。土壤污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和难修复性等特点，对生态环境和人类健康构成严重威胁。
5.3.1 重金属污染 (Heavy Metal Pollution in Soil)
重金属污染是指土壤中重金属元素含量超过背景值或环境质量标准，对土壤生态系统和人类健康产生不良影响的现象。重金属通常指密度大于 4.5 g/cm\( ^3 \) 的金属元素，如镉 (Cd)、汞 (Hg)、铅 (Pb)、砷 (As)、铬 (Cr)、铜 (Cu)、锌 (Zn)、镍 (Ni) 等。重金属在土壤中具有持久性、累积性和毒性，可以通过食物链富集，危害人类健康和生态环境。
① 重金属污染来源：土壤重金属污染来源广泛，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 自然来源 (Natural sources)：土壤重金属的自然来源主要是成土母质。不同类型的岩石和矿物中重金属含量差异很大。例如，硫化物矿床、磷矿、煤矿等矿区土壤重金属含量较高。火山喷发、岩石风化、生物地球化学循环等自然过程也会释放重金属到土壤中。
▮▮▮▮ⓒ 人为来源 (Anthropogenic sources)：人为活动是土壤重金属污染的主要来源，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 工业排放 (Industrial emissions)：冶金、采矿、化工、电镀、皮革、电池、电子等工业生产过程中排放的废水、废气和废渣是土壤重金属污染的重要来源。工业“三废”中含有大量的重金属，如镉、汞、铅、铬、砷、铜、锌、镍等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 农业活动 (Agricultural activities)：长期施用含有重金属的化肥、农药、污水灌溉、畜禽粪便等农业活动也会导致土壤重金属污染。磷肥中常含有镉、砷等重金属杂质。农药（如有机汞农药、有机砷农药、含铜农药等）直接将重金属带入土壤。污水灌溉和畜禽粪便中也可能含有重金属。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 交通运输 (Transportation)：汽车尾气、轮胎磨损、刹车片磨损、道路扬尘等交通运输过程也会释放重金属到土壤中，尤其是道路两侧土壤铅、锌、铜等重金属污染较为严重。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 生活垃圾 (Domestic waste)：生活垃圾填埋、焚烧等处理过程中，垃圾中的重金属（如电池、电子产品、颜料、油漆等）会释放到土壤中，造成土壤重金属污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 矿业活动 (Mining activities)：矿山开采、选矿、冶炼等矿业活动会产生大量的矿渣、尾矿和废水，其中含有高浓度的重金属，容易造成矿区及周边土壤重金属污染。
② 土壤中重金属的形态：土壤中重金属的存在形态复杂多样，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 矿物态 (Mineral form)：重金属以矿物晶格组分或独立矿物相的形式存在于土壤矿物中，如重金属硫化物、氧化物、碳酸盐、磷酸盐等。矿物态重金属稳定性高，生物有效性低。
▮▮▮▮ⓒ 交换态 (Exchangeable form)：重金属以离子形式吸附在土壤胶体表面，可以通过离子交换作用释放到土壤溶液中。交换态重金属生物有效性较高，容易被植物吸收。
▮▮▮▮ⓓ 碳酸盐结合态 (Carbonate bound form)：重金属与土壤中的碳酸盐矿物结合，形成碳酸盐沉淀或共沉淀。碳酸盐结合态重金属稳定性中等，生物有效性较低，但pH值降低时容易释放。
▮▮▮▮ⓔ 铁锰氧化物结合态 (Fe-Mn oxide bound form)：重金属与土壤中的铁锰氧化物结合，通过吸附、共沉淀或表面络合等作用固定在铁锰氧化物表面。铁锰氧化物结合态重金属稳定性较高，生物有效性较低，但氧化还原条件变化时容易释放。
▮▮▮▮ⓕ 有机结合态 (Organically bound form)：重金属与土壤有机质（尤其是腐殖质）结合，通过络合、螯合、吸附等作用固定在有机质中。有机结合态重金属稳定性中等，生物有效性较低，但有机质分解或环境条件变化时容易释放。
▮▮▮▮ⓖ 残渣态 (Residual form)：重金属以稳定的矿物形式存在于土壤矿物晶格中，难以被提取和释放。残渣态重金属稳定性最高，生物有效性最低，通常被认为是土壤重金属的背景值。
土壤中重金属的不同形态，其迁移性、生物有效性和毒性差异很大。交换态和碳酸盐结合态重金属生物有效性较高，容易被植物吸收，环境风险较高。铁锰氧化物结合态和有机结合态重金属生物有效性较低，但稳定性受环境条件影响，可能在特定条件下释放。残渣态重金属生物有效性最低，环境风险较低。
③ 重金属在土壤中的迁移转化：重金属在土壤中的迁移转化是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，包括：
▮▮▮▮ⓑ 土壤性质 (Soil properties)：土壤质地、pH值、氧化还原电位、有机质含量、CEC、铁锰氧化物含量等土壤性质显著影响重金属的迁移转化。粘粒含量高、有机质含量高、CEC 大的土壤，对重金属的吸附固定能力强，重金属迁移性较弱。酸性土壤重金属溶解度增加，迁移性增强。还原性土壤重金属可能形成硫化物沉淀，迁移性减弱。
▮▮▮▮ⓒ 环境条件 (Environmental conditions)：降水、灌溉、温度、湿度、氧化还原条件等环境条件影响重金属的迁移转化。降水和灌溉淋溶作用可能导致重金属向下迁移。干湿交替、冻融作用等物理过程也影响重金属的迁移。氧化还原条件变化可能导致重金属形态转化和迁移性改变。
▮▮▮▮ⓓ 生物作用 (Biological activities)：植物吸收、微生物作用、土壤动物活动等生物作用也参与重金属的迁移转化。植物根系可以吸收土壤中的重金属，并将其富集在植物体内。微生物可以参与重金属的氧化还原、甲基化、络合等转化过程，影响重金属的形态和迁移性。土壤动物活动可以扰动土壤，影响重金属的迁移。
④ 重金属的生物有效性和毒性效应：重金属的生物有效性是指重金属被生物吸收、利用或产生毒性效应的程度。重金属的生物有效性受重金属形态、土壤性质、生物种类和环境条件等多种因素的影响。重金属的毒性效应是指重金属对生物体产生的有害影响。不同重金属的毒性效应差异很大，即使是同一种重金属，其毒性效应也与其价态、形态和暴露途径有关。重金属的毒性机制复杂多样，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 酶抑制 (Enzyme inhibition)：重金属可以与酶蛋白中的活性基团（如巯基、羧基、氨基等）结合，抑制酶的活性，干扰生物体的代谢过程。
▮▮▮▮ⓒ 蛋白质变性 (Protein denaturation)：重金属可以与蛋白质结合，改变蛋白质的构象和功能，导致蛋白质变性。
▮▮▮▮ⓓ DNA损伤 (DNA damage)：重金属可以与DNA结合，损伤DNA结构，引起基因突变和染色体畸变。
▮▮▮▮ⓔ 氧化应激 (Oxidative stress)：重金属可以诱导生物体产生过量的活性氧自由基 (ROS)，引起氧化应激，损伤细胞膜、蛋白质和DNA等生物分子。
▮▮▮▮ⓕ 神经毒性 (Neurotoxicity)：某些重金属（如汞、铅）具有神经毒性，可以损伤神经系统，影响神经功能。
▮▮▮▮ⓖ 致癌性 (Carcinogenicity)：某些重金属（如镉、砷、铬、镍）具有致癌性，长期暴露可能增加癌症风险。
典型的土壤重金属污染问题包括：
▮▮▮▮ⓐ 镉污染 (Cadmium pollution)：镉是一种剧毒重金属，主要来源于工业排放、磷肥施用、污水灌溉等。镉容易被植物吸收富集，通过食物链进入人体，引起“痛痛病”等慢性中毒。
▮▮▮▮ⓑ 汞污染 (Mercury pollution)：汞是一种神经毒性重金属，主要来源于工业排放、燃煤、金矿开采等。汞可以通过甲基化作用转化为毒性更强的甲基汞，在水生生物体内富集，通过食物链进入人体，引起“水俣病”等神经系统疾病。
▮▮▮▮ⓒ 铅污染 (Lead pollution)：铅是一种神经毒性重金属，主要来源于汽车尾气、含铅汽油、铅蓄电池、油漆颜料等。铅可以通过呼吸道和消化道进入人体，影响神经系统、造血系统和肾脏等，尤其对儿童神经发育影响较大。
▮▮▮▮ⓓ 砷污染 (Arsenic pollution)：砷是一种类金属元素，具有剧毒和致癌性，主要来源于矿业活动、燃煤、农药使用等。砷可以通过饮水、食物和呼吸道进入人体，引起皮肤癌、肺癌、膀胱癌等多种癌症，以及地方性砷中毒病（如地方性砷中毒、黑脚病等）。
▮▮▮▮ⓔ 铬污染 (Chromium pollution)：铬主要以三价铬 (\(Cr(III)\)) 和六价铬 (\(Cr(VI)\)) 两种价态存在。六价铬毒性远高于三价铬，具有致癌性。铬污染主要来源于电镀、制革、颜料、冶金等工业排放。
防治土壤重金属污染，需要从源头控制污染排放，加强污染土壤的修复治理，保障土壤环境安全和人体健康。
5.3.2 有机污染物污染 (Organic Pollutant Pollution in Soil)
土壤有机污染物污染是指土壤中人为来源的有机化合物含量超过背景值或环境质量标准，对土壤生态系统和人类健康产生不良影响的现象。土壤有机污染物种类繁多，来源广泛，性质复杂，具有持久性、生物累积性和毒性等特点，对环境和健康构成严重威胁。
① 有机污染物分类：根据来源、性质和环境行为，土壤有机污染物可分为多种类别，常见的分类方式包括：
▮▮▮▮ⓑ 按来源分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 人为合成有机污染物 (Anthropogenic synthetic organic pollutants)：是指人类活动合成的有机化合物，如农药、工业化学品、塑料、染料、洗涤剂、药物和个人护理品 (PPCPs) 等。这类污染物种类繁多，结构复杂，性质各异，是土壤有机污染物的主要来源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 天然来源有机污染物 (Natural organic pollutants)：是指自然界天然存在的有机化合物，如多环芳烃 (PAHs)、石油烃、生物毒素等。这类污染物既有自然来源（如森林火灾、火山喷发、石油渗漏等），也有人为来源（如化石燃料燃烧、工业排放、石油开采等）。
▮▮▮▮ⓑ 按挥发性分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 挥发性有机物 (Volatile organic compounds, VOCs)：是指在常温常压下易挥发的有机化合物，如苯系物、卤代烃、酮类、醛类、醇类、醚类等。VOCs 容易挥发进入大气，造成大气污染和室内空气污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 半挥发性有机物 (Semi-volatile organic compounds, SVOCs)：是指挥发性介于VOCs 和非挥发性有机物之间的有机化合物，如多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、有机氯农药、邻苯二甲酸酯 (PAEs) 等。SVOCs 既可以通过挥发进入大气，也可以通过吸附、淋溶等途径进入土壤和水体，造成多介质污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 非挥发性有机物 (Non-volatile organic compounds)：是指在常温常压下难挥发的有机化合物，如持久性有机污染物 (POPs)、全氟化合物 (PFAS)、抗生素、染料、塑料、微塑料等。非挥发性有机物主要通过吸附、淋溶等途径进入土壤和水体，在环境中持久存在，难以降解。
▮▮▮▮ⓒ 按环境持久性分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 持久性有机污染物 (Persistent organic pollutants, POPs)：是指具有持久性、生物累积性、长距离迁移性和毒性的有机化合物，如滴滴涕 (DDT)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英 (Dioxins)、呋喃 (Furans)、多氯代二苯并对二噁英 (PCDDs)、多氯代二苯并呋喃 (PCDFs)、六氯苯 (HCB)、氯丹 (Chlordane)、灭蚁灵 (Mirex)、毒杀芬 (Toxaphene)、狄氏剂 (Dieldrin)、异狄氏剂 (Endrin)、七氯 (Heptachlor)、氯苯类 (Chlorobenzenes)、短链氯化石蜡 (SCCPs) 等。POPs 在环境中持久存在，难以降解，可以通过食物链富集，对人类健康和生态环境造成长期危害。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 非持久性有机污染物 (Non-persistent organic pollutants)：是指在环境中容易降解或转化的有机化合物，如大多数农药、VOCs、SVOCs 等。非持久性有机污染物在环境中的持久性相对较短，但如果排放量大或降解速率慢，也可能造成环境污染。
▮▮▮▮ⓓ 按功能或用途分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 农药 (Pesticides)：是指用于防治农业病虫草害的化学物质，包括杀虫剂 (Insecticides)、杀菌剂 (Fungicides)、除草剂 (Herbicides)、杀螨剂 (Acaricides)、杀线虫剂 (Nematicides) 等。农药种类繁多，性质各异，是土壤有机污染物的重要来源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 工业化学品 (Industrial chemicals)：是指工业生产和生活中使用的各种有机化合物，如溶剂、塑料、染料、洗涤剂、阻燃剂、增塑剂、稳定剂、表面活性剂等。工业化学品种类繁多，用途广泛，是土壤有机污染物的重要组成部分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 石油烃 (Petroleum hydrocarbons)：是指石油及其炼制产品中的碳氢化合物，包括烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等。石油泄漏、石油开采、石油加工、石油运输等过程都可能造成土壤石油烃污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 多环芳烃 (Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)：是指含有两个或多个苯环的稠环芳香烃，如苯并[a]芘 (BaP)、苯并[a]蒽 (BaA)、苯并[b]荧蒽 (BbF)、苯并[k]荧蒽 (BkF)、䓛 (CHR)、二苯并[a,h]蒽 (DahA)、荧蒽 (FLT)、茚并[1,2,3-cd]芘 (IcdP)、萘 (NAP)、菲 (PHE)、芘 (PYR)、蒽 (ANT) 等。PAHs 主要来源于化石燃料燃烧、生物质燃烧、工业排放、石油泄漏等，具有致癌性、致突变性和致畸性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 多氯联苯 (Polychlorinated biphenyls, PCBs)：是指联苯分子上被氯原子取代的化合物，共有209种同系物。PCBs 曾广泛用作绝缘油、热载体、增塑剂等，具有持久性、生物累积性和毒性，被列为POPs。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 二噁英和呋喃 (Dioxins and furans)：是指多氯代二苯并对二噁英 (PCDDs) 和多氯代二苯并呋喃 (PCDFs) 的总称，是一类剧毒的POPs。二噁英和呋喃不是有意生产的，而是作为副产物产生于垃圾焚烧、冶金、造纸、化工等工业过程，以及森林火灾、火山喷发等自然过程。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 药物和个人护理品 (Pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)：是指人类和动物使用的药物、化妆品、洗涤剂、防晒霜、香水、洗发水、沐浴露等个人护理品。PPCPs 通过生活污水、医疗废水、畜禽粪便等途径进入土壤和水体，成为新兴污染物。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 微塑料 (Microplastics)：是指粒径小于 5 mm 的塑料碎片或颗粒，主要来源于塑料垃圾分解、工业塑料颗粒泄漏、纺织纤维脱落、轮胎磨损等。微塑料在环境中广泛存在，可以通过食物链进入生物体内，对生态系统和人类健康产生潜在风险。
② 有机污染物在土壤中的行为：有机污染物进入土壤后，会发生一系列复杂的物理化学和生物化学过程，包括：
▮▮▮▮ⓑ 吸附与解吸 (Adsorption and desorption)：土壤对有机污染物具有吸附能力，可以降低有机污染物的迁移性和生物有效性。土壤吸附有机污染物的主要吸附剂是有机质和粘土矿物。吸附机制包括疏水作用、范德华力、氢键、配位键、离子交换等。吸附量受有机污染物性质、土壤性质和环境条件等因素影响。吸附过程是可逆的，解吸作用可能导致吸附态污染物释放，造成二次污染。
▮▮▮▮ⓒ 挥发 (Volatilization)：挥发性有机污染物 (VOCs) 和半挥发性有机污染物 (SVOCs) 可以从土壤表面挥发进入大气，造成大气污染。挥发速率受有机污染物性质（如蒸气压、亨利常数）、土壤性质（如水分含量、有机质含量、质地、结构）、环境条件（如温度、风速、湿度）等因素影响。
▮▮▮▮ⓓ 淋溶 (Leaching)：有机污染物可以随降水或灌溉水向下迁移，进入土壤深层或地下水，造成地下水污染。淋溶潜力受有机污染物性质（如溶解度、吸附性）、土壤性质（如质地、结构、孔隙度、有机质含量）、降水强度和频率等因素影响。
▮▮▮▮ⓔ 生物降解 (Biodegradation)：土壤微生物可以利用有机污染物作为碳源和能源，将其分解为无毒或低毒的物质，如二氧化碳、水、无机盐等。生物降解是有机污染物在土壤中自然净化的主要途径。生物降解速率受有机污染物性质（如结构、毒性、可降解性）、土壤性质（如pH值、温度、湿度、通气状况、养分含量）、微生物种类和活性等因素影响。
▮▮▮▮ⓕ 化学降解 (Chemical degradation)：某些有机污染物可以通过水解、氧化、还原、光解等化学反应降解或转化。化学降解速率受有机污染物性质、土壤性质（如pH值、氧化还原电位、矿物组成）、环境条件（如光照、温度、湿度）等因素影响。
▮▮▮▮ⓖ 植物吸收 (Plant uptake)：植物根系可以吸收土壤中的有机污染物，并将其富集在植物体内。植物吸收量受有机污染物性质（如溶解度、吸附性、生物有效性）、植物种类、土壤性质和环境条件等因素影响。植物吸收可以用于植物修复技术，去除土壤中的有机污染物。
③ 有机污染物的毒性效应：有机污染物的毒性效应复杂多样，取决于有机污染物的种类、浓度、暴露途径和生物种类等因素。常见的有机污染物毒性效应包括：
▮▮▮▮ⓑ 急性毒性 (Acute toxicity)：指有机污染物在短时间内对生物体产生的毒性效应，如死亡、麻醉、刺激、腐蚀等。急性毒性通常用半致死剂量 (LD\( _{50} \)) 或半致死浓度 (LC\( _{50} \)) 来表示。
▮▮▮▮ⓒ 慢性毒性 (Chronic toxicity)：指有机污染物长期低剂量暴露对生物体产生的毒性效应，如生长抑制、繁殖障碍、免疫抑制、神经毒性、内分泌干扰、致癌性、致突变性、致畸性等。慢性毒性通常用最大无作用剂量 (NOAEL) 或最低可观察到有害作用剂量 (LOAEL) 来表示。
▮▮▮▮ⓓ 生态毒性 (Ecotoxicity)：指有机污染物对生态系统产生的毒性效应，包括对土壤微生物、土壤动物、植物、水生生物、野生动物等生物的毒性效应，以及对生态系统结构和功能的影响。生态毒性评价通常采用生态毒理学方法，如生物测试、生态风险评估等。
▮▮▮▮ⓔ 内分泌干扰效应 (Endocrine disruption effects)：某些有机污染物（如内分泌干扰物 (EDCs)）可以干扰生物体的内分泌系统，模拟或阻断内源性激素的作用，引起生殖发育障碍、免疫功能紊乱、神经行为异常等内分泌干扰效应。常见的EDCs 包括双酚A (BPA)、邻苯二甲酸酯 (PAEs)、多溴联苯醚 (PBDEs)、壬基酚 (NP)、某些农药和药物等。
▮▮▮▮ⓕ 致癌性、致突变性和致畸性 (Carcinogenicity, mutagenicity, and teratogenicity)：某些有机污染物（如多环芳烃 (PAHs)、二噁英 (Dioxins)、某些农药和工业化学品）具有致癌性、致突变性和致畸性，长期暴露可能增加癌症风险、遗传损伤和出生缺陷。
防治土壤有机污染物污染，需要从源头控制污染排放，加强污染土壤的风险评估和修复治理，保障土壤环境安全和人体健康。
5.3.3 农药污染 (Pesticide Pollution in Soil)
农药污染是指土壤中农药残留量超过背景值或环境质量标准，对土壤生态系统和人类健康产生不良影响的现象。农药是用于防治农业病虫草害的化学物质，种类繁多，用途广泛，是土壤有机污染物的重要来源。农药污染具有面广量大、残留持久、生物富集和毒性效应等特点，对农业生产、生态环境和人类健康构成严重威胁。
① 农药分类：根据防治对象和化学结构，农药可分为多种类别，常见的分类方式包括：
▮▮▮▮ⓑ 按防治对象分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 杀虫剂 (Insecticides)：用于防治农业害虫的农药，如有机磷类杀虫剂、有机氯类杀虫剂、氨基甲酸酯类杀虫剂、拟除虫菊酯类杀虫剂、新烟碱类杀虫剂等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 杀菌剂 (Fungicides)：用于防治农业病害的农药，如有机硫类杀菌剂、三唑类杀菌剂、多菌灵类杀菌剂、代森锰锌类杀菌剂等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 除草剂 (Herbicides)：用于防治农田杂草的农药，如有机磷类除草剂、酰胺类除草剂、磺酰脲类除草剂、苯氧羧酸类除草剂、草甘膦类除草剂等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 杀螨剂 (Acaricides)：用于防治螨虫的农药。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 杀线虫剂 (Nematicides)：用于防治线虫的农药。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 植物生长调节剂 (Plant growth regulators)：用于调节植物生长发育的化学物质。
▮▮▮▮ⓑ 按化学结构分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 有机氯类农药 (Organochlorine pesticides)：是指分子中含有氯原子的有机农药，如滴滴涕 (DDT)、六六六 (BHC)、氯丹 (Chlordane)、狄氏剂 (Dieldrin)、七氯 (Heptachlor) 等。有机氯类农药具有持久性、生物累积性和毒性，已被许多国家禁用或限制使用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 有机磷类农药 (Organophosphorus pesticides)：是指分子中含有磷原子的有机农药，如敌敌畏 (DDVP)、乐果 (Dimethoate)、辛硫磷 (Phoxim)、毒死蜱 (Chlorpyrifos) 等。有机磷类农药毒性较高，但降解较快，残留期较短。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 氨基甲酸酯类农药 (Carbamate pesticides)：是指分子中含有氨基甲酸酯基团的有机农药，如西维因 (Carbaryl)、涕灭威 (Aldicarb)、克百威 (Carbofuran) 等。氨基甲酸酯类农药毒性较高，但降解较快，残留期较短。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 拟除虫菊酯类农药 (Pyrethroid pesticides)：是指结构和性质类似于天然除虫菊酯的合成农药，如氯氰菊酯 (Cypermethrin)、溴氰菊酯 (Deltamethrin)、高效氯氟氰菊酯 (Lambda-cyhalothrin) 等。拟除虫菊酯类农药杀虫活性高，毒性较低，但对水生生物毒性较高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 磺酰脲类除草剂 (Sulfonylurea herbicides)：是指分子中含有磺酰脲基团的除草剂，如氯磺隆 (Chlorsulfuron)、甲磺隆 (Metsulfuron-methyl)、烟嘧磺隆 (Nicosulfuron) 等。磺酰脲类除草剂除草活性高，用量少，但残留期较长，可能对后茬作物产生药害。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 苯氧羧酸类除草剂 (Phenoxycarboxylic acid herbicides)：是指分子中含有苯氧羧酸基团的除草剂，如2,4-滴 (2,4-D)、2,4,5-涕 (2,4,5-T)、二甲四氯 (MCPA) 等。苯氧羧酸类除草剂选择性强，主要用于禾本科作物田除草。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 草甘膦类除草剂 (Glyphosate herbicides)：是指以草甘膦为有效成分的除草剂，如草甘膦异丙胺盐、草甘膦铵盐等。草甘膦是一种广谱内吸传导型除草剂，对多种植物有效，但长期大量使用可能导致杂草抗药性产生。
② 农药在土壤中的迁移转化：农药施用后，会进入土壤环境，发生一系列迁移转化过程，包括：
▮▮▮▮ⓑ 吸附与解吸 (Adsorption and desorption)：土壤对农药具有吸附能力，可以降低农药的迁移性和生物有效性。土壤吸附农药的主要吸附剂是有机质和粘土矿物。吸附机制包括疏水作用、范德华力、氢键、配位键、离子交换等。吸附量受农药性质、土壤性质和环境条件等因素影响。吸附过程是可逆的，解吸作用可能导致吸附态农药释放，造成二次污染。
▮▮▮▮ⓒ 挥发 (Volatilization)：挥发性农药可以从土壤表面挥发进入大气，造成大气污染。挥发速率受农药性质（如蒸气压、亨利常数）、土壤性质（如水分含量、有机质含量、质地、结构）、环境条件（如温度、风速、湿度）等因素影响。
▮▮▮▮ⓓ 淋溶 (Leaching)：农药可以随降水或灌溉水向下迁移，进入土壤深层或地下水，造成地下水污染。淋溶潜力受农药性质（如溶解度、吸附性）、土壤性质（如质地、结构、孔隙度、有机质含量）、降水强度和频率等因素影响。
▮▮▮▮ⓔ 水解 (Hydrolysis)：某些农药可以通过水解反应降解，水解速率受农药性质、pH值、温度、湿度等因素影响。水解产物可能比母体化合物毒性更高或更低，也可能具有环境持久性。
▮▮▮▮ⓕ 光解 (Photolysis)：某些农药可以通过光解反应降解，光解速率受农药性质、光照强度、波长、土壤表面性质等因素影响。光解主要发生在土壤表面，对土壤表层农药降解具有重要作用。
▮▮▮▮ⓖ 生物降解 (Biodegradation)：土壤微生物可以利用农药作为碳源和能源，将其分解为无毒或低毒的物质。生物降解是农药在土壤中自然净化的主要途径。生物降解速率受农药性质（如结构、毒性、可降解性）、土壤性质（如pH值、温度、湿度、通气状况、养分含量）、微生物种类和活性等因素影响。
▮▮▮▮ⓗ 植物吸收 (Plant uptake)：植物根系可以吸收土壤中的农药，并将其富集在植物体内。植物吸收量受农药性质（如溶解度、吸附性、生物有效性）、植物种类、土壤性质和环境条件等因素影响。植物吸收可以用于植物修复技术，去除土壤中的农药。
③ 农药的环境效应：农药进入土壤环境后，可能产生多种环境效应，包括：
▮▮▮▮ⓑ 土壤生物毒性 (Soil biota toxicity)：农药可能对土壤微生物、土壤动物产生毒性效应，影响土壤生物多样性和生态功能。某些农药对蚯蚓、蜜蜂、鸟类、鱼类等非靶标生物也具有毒性。
▮▮▮▮ⓒ 土壤酶活性抑制 (Soil enzyme activity inhibition)：农药可能抑制土壤酶活性，影响土壤的生物化学过程，如有机质分解、养分转化、污染物降解等。
▮▮▮▮ⓓ 土壤肥力下降 (Soil fertility decline)：长期大量施用农药可能破坏土壤结构，降低土壤有机质含量，影响土壤养分循环，导致土壤肥力下降。
▮▮▮▮ⓔ 水体污染 (Water pollution)：农药可以通过淋溶、径流等途径进入地表水和地下水，造成水体污染，影响水生生物和饮用水安全。
▮▮▮▮ⓕ 大气污染 (Air pollution)：挥发性农药可以挥发进入大气，造成大气污染，影响空气质量和人体健康。
▮▮▮▮ⓖ 食物链富集 (Food chain accumulation)：某些持久性农药（如有机氯类农药）可以通过食物链富集，在生物体内积累，对生态系统和人类健康造成长期危害。
▮▮▮▮ⓗ 抗药性产生 (Pesticide resistance development)：长期大量使用同一种农药，可能导致病虫草害产生抗药性，降低农药防治效果，增加农药用量，形成恶性循环。
④ 农药的合理使用与减量化技术：为了减少农药污染，保障农业生产和环境安全，需要采取农药合理使用和减量化技术，包括：
▮▮▮▮ⓑ 选用高效低毒低残留农药 (Selection of high-efficiency, low-toxicity, and low-residue pesticides)：优先选用生物农药、植物源农药、微生物农药等环境友好型农药，减少化学农药的使用。
▮▮▮▮ⓒ 精准施药技术 (Precision pesticide application technology)：采用精准施药技术，如变量喷雾、靶标喷雾、种子处理、土壤处理等，提高农药利用率，减少农药用量和环境排放。
▮▮▮▮ⓓ 轮换用药与混配用药 (Rotation and mixture application of pesticides)：轮换使用不同作用机制的农药，或将不同作用机制的农药混配使用，延缓和减轻病虫草害抗药性产生。
▮▮▮▮ⓔ 生物防治与物理防治 (Biological and physical control)：加强生物防治和物理防治技术应用，如天敌昆虫释放、生物农药应用、诱捕器使用、人工除草等，减少化学农药依赖。
▮▮▮▮ⓕ 综合防治 (Integrated pest management, IPM)：推行病虫草害综合防治技术，将农业防治、生物防治、物理防治和化学防治等多种防治措施有机结合，实现病虫草害可持续控制和农药减量化。
▮▮▮▮ⓖ 农药残留监测与管理 (Pesticide residue monitoring and management)：加强农药残留监测，建立农药残留预警系统，严格执行农药安全间隔期制度，保障农产品质量安全和环境安全。
5.3.4 化肥污染 (Fertilizer Pollution in Soil)
化肥污染是指过量或不合理施用化肥引起的土壤质量下降和环境污染问题。化肥是农业生产的重要投入品，对提高作物产量发挥了重要作用。但长期过量或不合理施用化肥，会导致土壤酸化、盐渍化、硝酸盐污染、重金属污染、温室气体排放等一系列环境问题，影响土壤可持续利用和生态环境安全。
① 化肥污染类型：化肥污染主要包括以下类型：
▮▮▮▮ⓑ 土壤酸化 (Soil acidification)：长期施用生理酸性肥料（如硫酸铵、氯化铵、过磷酸钙等），会导致土壤pH值降低，土壤酸化。土壤酸化会降低土壤养分有效性，增加重金属生物有效性，抑制微生物活性，破坏土壤结构，影响植物生长。
▮▮▮▮ⓒ 土壤盐渍化 (Soil salinization)：长期施用化肥，尤其是灌溉条件下，土壤中盐分积累，超过植物耐盐阈值，导致土壤盐渍化。土壤盐渍化会降低土壤渗透势，影响植物吸水，抑制植物生长，甚至导致植物死亡。
▮▮▮▮ⓓ 硝酸盐污染 (Nitrate pollution)：过量施用氮肥，土壤中硝态氮积累，容易随降水或灌溉水淋失，造成地下水硝酸盐污染。饮用高硝酸盐含量的地下水，可能引起高铁血红蛋白血症（婴儿蓝血病）等健康问题。硝酸盐进入水体，还会引起水体富营养化。
▮▮▮▮ⓔ 磷污染 (Phosphorus pollution)：过量施用磷肥，土壤中磷素积累，容易随地表径流进入水体，造成水体富营养化。磷肥生产过程中，磷矿中含有的镉、砷等重金属杂质也可能随磷肥进入土壤，造成土壤重金属污染。
▮▮▮▮ⓕ 重金属污染 (Heavy metal pollution)：某些化肥（如磷肥、复合肥）中可能含有镉、砷、铅、汞等重金属杂质，长期施用这些化肥，会导致土壤重金属污染。
▮▮▮▮ⓖ 温室气体排放 (Greenhouse gas emission)：化肥生产和施用过程会排放温室气体，如二氧化碳 (\(CO_2\))、氧化亚氮 (\(N_2O\)) 等。氮肥生产过程排放二氧化碳，氮肥硝化反硝化过程排放氧化亚氮。氧化亚氮是一种强效温室气体，其温室效应是二氧化碳的近300倍。
② 化肥污染的化学机制：
▮▮▮▮ⓑ 土壤酸化机制：生理酸性肥料是指植物吸收养分后，土壤中残留酸根离子的肥料。例如，硫酸铵 (\((NH_4)_2SO_4\)) 施入土壤后，铵根离子 (\(NH_4^+\)) 被植物吸收利用，或经过硝化作用转化为硝酸根离子 (\(NO_3^-\)), 而硫酸根离子 (\(SO_4^{2-}\)) 则残留在土壤中，与土壤中的阳离子（如钙离子、镁离子、钾离子等）结合，形成硫酸盐，随水淋失，导致土壤中碱性盐基离子减少，pH值降低，土壤酸化。
▮▮▮▮ⓒ 土壤盐渍化机制：长期施用化肥，土壤中盐分积累，超过土壤的淋溶能力，导致土壤盐渍化。尤其是在灌溉条件下，灌溉水中的盐分也随之进入土壤，加速土壤盐分积累。土壤盐分积累主要包括可溶性盐（如氯化物、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐等）和潜在盐（如石膏、碳酸钙等）。
▮▮▮▮ⓓ 硝酸盐污染机制：过量施用氮肥，土壤中铵态氮经过硝化作用转化为硝态氮。硝态氮溶解度大，移动性强，容易随降水或灌溉水淋失，进入地下水，造成地下水硝酸盐污染。硝酸盐在厌氧条件下，还可以被反硝化细菌还原为氮气 (\(N_2\)) 或氧化亚氮 (\(N_2O\)), 造成氮素损失和温室气体排放。
▮▮▮▮ⓔ 磷污染机制：过量施用磷肥，土壤中磷素积累，超过植物吸收利用量，容易随地表径流进入水体，造成水体富营养化。土壤磷素主要以无机磷和有机磷两种形态存在。无机磷主要包括磷酸盐沉淀、吸附态磷和矿物磷。有机磷主要包括植酸磷、核酸磷、磷脂等。土壤磷素的迁移转化受pH值、氧化还原电位、铁铝氧化物含量、钙含量、有机质含量等多种因素影响。
▮▮▮▮ⓕ 重金属污染机制：某些化肥（如磷肥）生产过程中，磷矿中含有的镉、砷等重金属杂质，会随磷肥进入土壤，造成土壤重金属污染。长期施用这些化肥，土壤中重金属含量逐渐积累，超过环境质量标准，对土壤生态系统和人类健康产生不良影响.
③ 化肥的合理施用与替代技术：为了减少化肥污染，保障农业生产和环境安全، 需要采取化肥合理施用和替代技术，包括：
▮▮▮▮ⓑ 测土配方施肥 (Soil testing and formulated fertilization)：根据土壤养分状况和作物需肥规律，科学制定施肥方案，实现养分平衡施肥，提高化肥利用率，减少化肥用量。
▮▮▮▮ⓒ 有机肥替代化肥 (Organic fertilizer substitution)：大力推广有机肥施用，如堆肥、沤肥、绿肥、秸秆还田、畜禽粪便等，利用有机肥替代部分化肥，减少化肥用量，改善土壤质量，提高土壤肥力。
▮▮▮▮ⓓ 缓释控释肥料 (Slow-release and controlled-release fertilizers)：施用缓释控释肥料，使养分缓慢释放，与作物需肥规律同步，减少养分损失，提高化肥利用率，减少化肥用量。
▮▮▮▮ⓔ 深施追肥技术 (Deep placement and topdressing fertilization)：采用深施追肥技术，将化肥施入作物根系附近，减少养分地表径流和挥发损失，提高化肥利用率。
▮▮▮▮ⓕ 水肥一体化技术 (Fertigation technology)：采用水肥一体化技术，将化肥溶解在灌溉水中，通过灌溉系统将肥水同时输送到作物根区，实现水肥同步管理，提高水肥利用率，减少水肥浪费和环境污染。
▮▮▮▮ⓖ 生物固氮技术 (Biological nitrogen fixation technology)：利用豆科作物根瘤菌固氮、自生固氮菌固氮、共生固氮菌固氮等生物固氮技术，减少氮肥施用量，降低氮肥污染风险。
▮▮▮▮ⓗ 磷高效利用技术 (Phosphorus efficient utilization technology)：选用耐低磷作物，施用磷高效活化菌剂，提高土壤磷素有效性，减少磷肥施用量，降低磷污染风险。
5.3.5 固体废物污染 (Solid Waste Pollution in Soil)
固体废物污染是指固体废物（如工业废渣、生活垃圾、污泥等）不合理堆放、处置或资源化利用，对土壤环境造成污染的现象。固体废物种类繁多，成分复杂，含有多种有害物质，如重金属、有机污染物、病原微生物等，对土壤、水体、大气和人体健康都可能产生不良影响。
① 固体废物类型：根据来源和性质，固体废物可分为多种类型，常见的分类方式包括：
▮▮▮▮ⓑ 按来源分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 工业固体废物 (Industrial solid waste)：是指工业生产过程中产生的废渣、粉尘、污泥和其他固体、半固体废物，如冶金渣、化工渣、煤矸石、粉煤灰、尾矿、工业污泥等。工业固体废物种类繁多，成分复杂，可能含有重金属、有机污染物、放射性物质等有害成分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生活垃圾 (Municipal solid waste, MSW)：是指城市居民日常生活产生的垃圾，包括厨余垃圾、纸类、塑料、玻璃、金属、纺织品、有害垃圾等。生活垃圾成分复杂，有机物含量高，容易腐烂发臭，滋生病菌，也可能含有重金属、塑料、电池等有害成分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 农业固体废物 (Agricultural solid waste)：是指农业生产过程中产生的固体废物，如秸秆、畜禽粪便、农膜、农药包装废弃物、废弃农用物资等。农业固体废物量大面广，秸秆和畜禽粪便富含有机物和养分，是重要的资源，但如果处理不当，也可能造成环境污染。农膜和农药包装废弃物则可能含有塑料和农药残留等有害成分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 医疗废物 (Medical waste)：是指医疗卫生机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或间接感染性、毒性等危害的废物，如感染性废物、病理性废物、损伤性废物、药物性废物、化学性废物等。医疗废物含有病原微生物、化学药物、放射性物质等有害成分，具有高度危险性，必须进行特殊处理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 污泥 (Sludge)：是指污水处理厂、给水处理厂、工业废水处理厂等产生的沉淀物，包括生活污水污泥、工业废水污泥、给水污泥等。污泥含有大量有机物、病原微生物、重金属、有机污染物等，成分复杂，性质不稳定，处理处置难度大。
▮▮▮▮ⓑ 按危害特性分类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 危险废物 (Hazardous waste)：是指具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或感染性等一种或几种危险特性的固体废物，如工业危险废物、医疗废物、废弃农药、废弃化学品等。危险废物对环境和人体健康危害极大，必须进行特殊处理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 一般工业固体废物 (General industrial solid waste)：是指不具有危险特性的工业固体废物，如冶金渣、粉煤灰、煤矸石等。一般工业固体废物量大面广，资源化利用潜力大，但如果堆放不当，也可能造成环境污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生活垃圾 (Municipal solid waste, MSW)：生活垃圾中也含有部分有害垃圾（如废电池、废灯管、废药品等），需要分类收集和处理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 农业固体废物 (Agricultural solid waste)：农业固体废物中，农药包装废弃物和废弃农膜属于有害垃圾，需要回收处理。
② 固体废物对土壤的污染：固体废物不合理堆放、处置或资源化利用，可能对土壤造成多种污染，包括：
▮▮▮▮ⓑ 重金属污染 (Heavy metal pollution)：工业废渣、生活垃圾、污泥等固体废物中可能含有重金属，如镉、汞、铅、砷、铬、铜、锌、镍等。固体废物堆放场、填埋场、焚烧厂等场所，重金属容易释放到土壤中，造成土壤重金属污染。
▮▮▮▮ⓒ 有机污染物污染 (Organic pollutant pollution)：工业废渣、生活垃圾、污泥等固体废物中可能含有有机污染物，如多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英 (Dioxins)、农药、塑料、PPCPs 等。固体废物堆放、填埋、焚烧等过程，有机污染物容易释放到土壤中，造成土壤有机污染物污染。
▮▮▮▮ⓓ 病原微生物污染 (Pathogenic microorganism pollution)：生活垃圾、医疗废物、畜禽粪便、污泥等固体废物中可能含有病原微生物，如细菌、病毒、真菌、寄生虫卵等。固体废物堆放、填埋、堆肥等过程，病原微生物容易扩散到土壤中，造成土壤病原微生物污染，威胁人体健康和动物健康。
▮▮▮▮ⓔ 盐分污染 (Salt pollution)：工业废渣、生活垃圾焚烧灰渣等固体废物中可能含有盐分，如氯化物、硫酸盐、碳酸盐等。固体废物堆放场、填埋场等场所，盐分容易淋溶到土壤中，造成土壤盐渍化。
▮▮▮▮ⓕ 土壤结构破坏 (Soil structure damage)：固体废物堆放、填埋等过程，可能压实土壤，破坏土壤结构，降低土壤孔隙度、通气透水性和保水保肥能力，影响植物生长。
▮▮▮▮ⓖ 其他污染 (Other pollution)：固体废物还可能造成土壤pH值异常、养分失衡、放射性污染、恶臭污染、视觉污染等问题。
③ 固体废物的资源化利用与安全处置技术：为了减少固体废物污染，实现固体废物资源化利用和安全处置，需要采取多种技术措施，包括：
▮▮▮▮ⓑ 源头减量 (Waste reduction at source)：从源头减少固体废物的产生量，如清洁生产、绿色消费、循环利用、延长产品使用寿命等。
▮▮▮▮ⓒ 分类收集与回收利用 (Separate collection and recycling)：对固体废物进行分类收集，将可回收利用的废物（如纸类、塑料、玻璃、金属等）进行回收利用，减少进入填埋场和焚烧厂的废物量。
▮▮▮▮ⓓ 资源化利用技术 (Resource utilization technologies)：将固体废物转化为资源，如堆肥、厌氧消化、生物炭化、建材利用、能源利用等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 堆肥 (Composting)：将有机固体废物（如厨余垃圾、秸秆、畜禽粪便、污泥等）进行堆肥处理，转化为腐熟的堆肥产品，用于土壤改良和肥料利用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 厌氧消化 (Anaerobic digestion)：将有机固体废物进行厌氧消化处理，产生沼气（主要成分为甲烷），用于能源利用，消化残渣可作为肥料利用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 生物炭化 (Biochar production)：将生物质固体废物（如秸秆、木屑、污泥等）进行高温热解，转化为生物炭产品，用于土壤改良、污染物吸附和碳固存。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 建材利用 (Building material utilization)：将工业废渣（如粉煤灰、冶金渣、尾矿等）用于生产水泥、砖瓦、混凝土等建材产品，实现固体废物的大宗量资源化利用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 能源利用 (Energy recovery)：将可燃性固体废物（如生活垃圾、塑料、废轮胎等）进行焚烧发电、热解气化等能源利用，减少化石燃料消耗，实现废物能源化。
▮▮▮▮ⓓ 安全处置技术 (Safe disposal technologies)：对于无法资源化利用的固体废物，需要进行安全处置，防止环境污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 卫生填埋 (Sanitary landfill)：将固体废物进行卫生填埋处理，通过防渗、覆盖、气体导排、渗滤液收集处理等措施，减少填埋场对土壤、水体和大气环境的污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 焚烧 (Incineration)：将可燃性固体废物进行高温焚烧处理，减少废物体积，杀灭病原微生物，回收热能，但焚烧过程可能产生二噁英等二次污染物，需要采取烟气净化措施。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 安全填埋 (Secure landfill)：对于危险废物，需要进行安全填埋处理，选择地质条件稳定、地下水资源贫乏的场地，建设高标准的防渗系统，防止危险废物渗漏污染土壤和地下水。
▮▮▮▮ⓔ 污染控制与修复 (Pollution control and remediation)：对于已经受到固体废物污染的土壤，需要采取污染控制和修复技术，如阻隔隔离、异位修复、原位修复、植物修复等，恢复土壤功能，保障环境安全。
5.4 土壤污染修复与土壤质量改善化学 (Soil Pollution Remediation and Soil Quality Improvement Chemistry)
概述
本节介绍土壤污染修复的基本原理和主要技术，包括物理修复、化学修复、生物修复、植物修复等方法，以及土壤质量改善和可持续利用策略。土壤污染修复是指通过物理、化学、生物等方法，去除、降解、转化或固定土壤中的污染物，降低污染物浓度和生物有效性，恢复土壤功能，保障土壤环境质量和人体健康的过程。土壤质量改善是指通过采取各种措施，提高土壤的物理、化学和生物学性质，改善土壤结构，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，增强土壤生态功能，实现土壤可持续利用的过程。
5.4.1 土壤污染的物理修复技术 (Physical Remediation Technologies for Soil Pollution)
土壤污染的物理修复技术是指利用物理方法，将土壤中的污染物去除、分离或转移，从而达到修复土壤的目的。物理修复技术具有操作简单、成本较低、适用范围广等优点，但修复效果有限，可能产生二次污染。常见的土壤污染物理修复技术包括：
① 客土法 (Soil replacement)：也称换土法，是指将污染土壤挖出，运至异地进行安全处置，然后用清洁土壤回填污染场地，从而达到修复土壤的目的。客土法适用于污染深度较浅、污染范围较小的土壤，修复效果直接快速，但成本高昂，破坏土壤结构，可能造成二次污染，且污染土壤异地处置难度大。
② 翻耕法 (Plowing and tillage)：是指通过翻耕、深耕、旋耕等耕作措施，将表层污染土壤与深层清洁土壤混合，降低表层土壤污染物浓度，减轻污染程度。翻耕法适用于表层轻度污染土壤，操作简单，成本低廉，但修复效果有限，只能稀释污染物浓度，不能去除污染物，且可能将表层污染物带入深层土壤。
③ 热脱附 (Thermal desorption)：是指利用高温加热污染土壤，使土壤中的挥发性或半挥发性有机污染物挥发汽化，然后收集和处理污染物气体，从而达到修复土壤的目的。热脱附技术适用于挥发性或半挥发性有机污染物污染土壤，修复效率高，处理速度快，但能耗高，成本昂贵，可能产生二次污染，且不适用于重金属污染土壤。根据加热温度和氧气条件，热脱附可分为低温热脱附 (LTD) 和高温热脱附 (HTD) 两种类型。低温热脱附加热温度一般为 100~320℃，适用于处理挥发性有机污染物污染土壤。高温热脱附加热温度一般为 320~560℃，适用于处理半挥发性有机污染物污染土壤。
④ 气相抽提 (Soil vapor extraction, SVE)：是指利用真空泵或风机，在污染土壤中形成负压，抽提土壤孔隙中的挥发性有机污染物气体，然后收集和处理污染物气体，从而达到修复土壤的目的。气相抽提技术适用于挥发性有机污染物污染土壤，操作简单，成本较低，修复效率较高，但只适用于挥发性有机污染物，且修复效果受土壤渗透性和污染物挥发性影响。
⑤ 淋洗法 (Soil washing)：是指利用淋洗液（如水、表面活性剂溶液、螯合剂溶液、酸碱溶液等）淋洗污染土壤，将土壤中的污染物溶解、洗脱或分离出来，然后处理淋洗液，从而达到修复土壤的目的。淋洗法适用于多种类型的土壤污染，修复效率较高，但淋洗液处理成本高昂，可能产生二次污染，且修复效果受土壤质地、污染物性质和淋洗液选择影响。根据淋洗液类型和淋洗方式，淋洗法可分为水淋洗、表面活性剂淋洗、螯合剂淋洗、酸碱淋洗、原位淋洗和异位淋洗等多种类型。
⑥ 其他物理修复技术：除上述常见的物理修复技术外，还有一些其他的物理修复技术，如土壤筛分、重力分离、磁选分离、电动修复、玻璃化固化等。土壤筛分是利用筛网将污染土壤中的大颗粒固体废物和污染团块分离出来，减少污染土壤体积。重力分离是利用污染物与土壤颗粒密度差异，通过重力沉降或离心分离等方法，将污染物与土壤颗粒分离。磁选分离是利用磁力将磁性污染物（如磁性氧化铁）从土壤中分离出来。电动修复是利用电场作用，促进土壤中离子型污染物迁移，然后通过电极或膜分离等方法，将污染物从土壤中去除。玻璃化固化是将污染土壤与玻璃原料混合，高温熔融，形成玻璃体，将污染物固化在玻璃体中，防止污染物释放。
5.4.2 土壤污染的化学修复技术 (Chemical Remediation Technologies for Soil Pollution)
土壤污染的化学修复技术是指利用化学方法，将土壤中的污染物去除、降解、转化或固定，从而达到修复土壤的目的。化学修复技术具有修复效率高、处理速度快、适用范围广等优点，但可能产生二次污染，成本较高，且可能对土壤性质产生不良影响。常见的土壤污染化学修复技术包括：
① 化学淋洗 (Chemical washing)：与物理淋洗法类似，化学淋洗法也是利用淋洗液淋洗污染土壤，但化学淋洗法使用的淋洗液中添加了化学药剂，如表面活性剂、螯合剂、酸碱、氧化剂、还原剂等，以增强淋洗效果，提高污染物去除率。化学淋洗法适用于多种类型的土壤污染，修复效率较高，但淋洗液处理成本高昂，可能产生二次污染，且修复效果受土壤质地、污染物性质和化学药剂选择影响。
② 化学氧化 (Chemical oxidation)：是指利用化学氧化剂（如高锰酸钾、过氧化氢、芬顿试剂、臭氧、过硫酸盐等）氧化土壤中的有机污染物，将其降解为无毒或低毒的物质，如二氧化碳、水、无机盐等，从而达到修复土壤的目的。化学氧化技术适用于有机污染物污染土壤，修复效率高，处理速度快，但氧化剂成本较高，可能产生二次污染，且氧化剂选择性和适用性受土壤性质和污染物性质影响。
③ 化学还原 (Chemical reduction)：是指利用化学还原剂（如零价铁、亚铁盐、硫化物、硼氢化钠等）还原土壤中的污染物，将其转化为毒性较低或无毒的物质，或降低其迁移性和生物有效性，从而达到修复土壤的目的。化学还原技术适用于某些重金属（如六价铬、砷）和有机污染物（如硝基芳香族化合物、卤代有机物）污染土壤，修复效率较高，处理速度快，但还原剂成本较高，可能产生二次污染，且还原剂选择性和适用性受土壤性质和污染物性质影响。
④ 固化稳定化 (Solidification/stabilization)：是指利用固化剂或稳定化剂（如水泥、石灰、粉煤灰、粘土矿物、磷酸盐、生物炭等），将土壤中的污染物固化或稳定化，降低污染物的迁移性、生物有效性和毒性，从而达到修复土壤的目的。固化稳定化技术适用于重金属和有机污染物污染土壤，操作简单，成本较低，修复效果持久，但不能去除污染物，只是将污染物固定在土壤中，长期稳定性仍需关注。固化是指将污染土壤与固化剂混合，通过物理或化学作用，将污染土壤固化成整体，降低污染物迁移性。稳定化是指向污染土壤中添加稳定化剂，通过化学或物理化学作用，将污染物转化为溶解度低、迁移性差、生物有效性低的形态，降低污染物毒性。
⑤ 其他化学修复技术：除上述常见的化学修复技术外，还有一些其他的化学修复技术，如化学萃取、化学淋洗、化学沉淀、化学吸附、化学解毒等。化学萃取是利用有机溶剂或超临界流体等萃取剂，将土壤中的有机污染物萃取出来，然后处理萃取液，从而达到修复土壤的目的。化学沉淀是向污染土壤中添加沉淀剂（如硫化物、磷酸盐、碳酸盐等），使土壤中的重金属离子形成难溶性沉淀，降低重金属迁移性和生物有效性。化学吸附是向污染土壤中添加吸附剂（如活性炭、生物炭、粘土矿物等），利用吸附剂吸附土壤中的污染物，降低污染物迁移性和生物有效性。化学解毒是利用化学药剂与土壤中的污染物发生化学反应，将污染物转化为毒性较低或无毒的物质。
5.4.3 土壤污染的生物修复技术 (Bioremediation Technologies for Soil Pollution)
土壤污染的生物修复技术是指利用生物（如植物、微生物、动物）的生命活动，去除、降解、转化或固定土壤中的污染物，从而达到修复土壤的目的。生物修复技术具有环境友好、成本较低、修复效果持久等优点，但修复周期较长，修复效率受环境条件和生物活性影响。常见的土壤污染生物修复技术包括：
① 微生物修复 (Microbial remediation)：是指利用微生物（如细菌、真菌、放线菌等）的代谢活动，降解或转化土壤中的有机污染物，或固定土壤中的重金属污染物，从而达到修复土壤的目的。微生物修复技术适用于有机污染物和重金属污染土壤，环境友好，成本较低，但修复周期较长，修复效率受土壤环境条件和微生物活性影响。根据微生物来源和修复方式，微生物修复可分为：
▮▮▮▮ⓑ 原位生物修复 (In situ bioremediation)：是指在污染场地原位进行生物修复，不需将污染土壤挖出。原位生物修复包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 生物刺激 (Biostimulation)：是指通过向污染土壤中添加营养物质（如氮、磷、碳源）、电子受体（如氧气、硝酸盐、硫酸盐）、水分、pH调节剂等，刺激土壤中土著微生物的生长和活性，增强其对污染物的降解能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生物强化 (Bioaugmentation)：是指向污染土壤中接种外源高效降解菌株或菌群，增强土壤对污染物的降解能力。生物强化适用于土壤中土著微生物降解能力不足或缺乏特定降解菌株的情况。
▮▮▮▮ⓔ 异位生物修复 (Ex situ bioremediation)：是指将污染土壤挖出，运至异地进行生物修复处理，处理后再将修复后的土壤回填或安全处置。异位生物修复包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 生物堆 (Biopile)：将污染土壤与有机物料（如秸秆、木屑、堆肥等）混合，堆成堆，通过曝气、翻堆、水分调节等措施，促进微生物对污染物的降解。生物堆适用于处理挥发性或半挥发性有机污染物污染土壤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 生物反应器 (Bioreactor)：将污染土壤与水或淋洗液混合，在生物反应器中进行生物修复处理，通过控制温度、pH值、溶解氧、营养物质等条件，优化微生物降解效率。生物反应器适用于处理多种类型的土壤污染，修复效率高，但成本较高。
▮▮▮▮ⓗ 真菌修复 (Fungal remediation)：是指利用真菌（尤其是白腐菌）的代谢活动，降解土壤中的有机污染物。真菌具有强大的酶系统，可以降解多种难降解有机污染物，如多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英 (Dioxins)、农药、木质素等。真菌修复技术适用于多种有机污染物污染土壤，修复潜力大，但修复周期较长，修复效率受环境条件和真菌活性影响。
② 植物修复 (Phytoremediation)：是指利用植物及其根际微生物的协同作用，去除、降解、转化或固定土壤中的污染物，从而达到修复土壤的目的。植物修复技术具有环境友好、成本低廉、景观效果好等优点，但修复周期较长，修复效率受植物种类、生长条件和污染物性质影响。植物修复技术将在下一小节详细介绍。
③ 动物修复 (Zooremediation)：是指利用土壤动物（如蚯蚓、螨虫、弹尾虫等）的生命活动，改善土壤结构，促进有机质分解，加速污染物降解，从而达到修复土壤的目的。动物修复技术主要利用土壤动物的生物扰动、摄食、排泄等作用，改善土壤物理化学性质和生物活性，间接促进土壤污染修复。动物修复技术通常与其他修复技术联合使用，提高修复效果。
5.4.4 土壤污染的植物修复技术 (Phytoremediation Technologies for Soil Pollution)
植物修复技术 (Phytoremediation) 是指利用植物及其根际微生物的协同作用，去除、降解、转化或固定土壤、水体和大气中的污染物，从而达到修复环境的目的。植物修复技术具有环境友好、成本低廉、景观效果好、可持续性强等优点，被认为是极具发展潜力的绿色修复技术。根据植物修复机制和应用方式，植物修复可分为多种类型：
① 植物提取 (Phytoextraction)：也称植物吸收或植物富集，是指利用超富集植物 (Hyperaccumulator plants) 将土壤中的重金属污染物吸收富集到植物地上部分（茎、叶），然后收获植物地上部分，将重金属从污染土壤中移除。植物提取技术适用于重金属污染土壤，修复效率取决于植物的生长量、富集能力和生物量。超富集植物是指对某些重金属具有超强富集能力的植物，其地上部分重金属浓度比普通植物高 100~1000 倍以上。常见的重金属超富集植物包括：
▮▮▮▮ⓑ 镉 (Cd) 超富集植物：东南景天 (Sedum plumbizincicola)、龙葵 (Solanum nigrum)、遏蓝菜 (Thlaspi caerulescens)、印度芥菜 (Brassica juncea) 等。
▮▮▮▮ⓒ 锌 (Zn) 超富集植物：东南景天 (Sedum plumbizincicola)、遏蓝菜 (Thlaspi caerulescens)、堇菜 (Viola calaminaria) 等。
▮▮▮▮ⓓ 镍 (Ni) 超富集植物：遏蓝菜 (Thlaspi goesingense)、Alyssum bertolonii、Alyssum murale 等。
▮▮▮▮ⓔ 铜 (Cu) 超富集植物：堇菜 (Viola calaminaria)、鬼臼 (Podophyllum peltatum) 等。
▮▮▮▮ⓕ 砷 (As) 超富集植物：蜈蚣草 (Pteris vittata)、凤尾蕨 (Pteris cretica) 等。
▮▮▮▮ⓖ 铅 (Pb) 超富集植物：印度芥菜 (Brassica juncea)、向日葵 (Helianthus annuus) 等。
植物提取技术的关键是筛选和培育高效超富集植物，提高植物的生物量和富集能力，优化种植管理措施，提高修复效率。收获的富集植物地上部分可以进行焚烧、堆肥、提取回收等处理，回收重金属资源，防止二次污染。
② 植物挥发 (Phytovolatilization)：是指利用植物吸收土壤中的挥发性污染物，然后通过植物叶片气孔将污染物以气态形式释放到大气中。植物挥发技术适用于挥发性有机污染物污染土壤，如汞 (Hg)、硒 (Se)、苯系物、卤代烃等。植物挥发技术的修复效率取决于植物的吸收能力、挥发能力和污染物挥发性。常见的植物挥发植物包括：
▮▮▮▮ⓑ 汞 (Hg) 植物挥发植物：转基因烟草、转基因拟南芥、柳树、杨树等。转基因植物通过表达细菌的汞还原酶基因 (merB) 和有机汞裂解酶基因 (merA)，增强植物对汞的吸收和挥发能力。
▮▮▮▮ⓒ 硒 (Se) 植物挥发植物：苜蓿 (Medicago sativa)、芥菜 (Brassica juncea)、黄花苜蓿 (Astragalus bisulcatus) 等。这些植物可以将土壤中的硒酸盐还原为挥发性甲基硒化合物，通过叶片气孔释放到大气中。
植物挥发技术的优点是成本低廉，操作简单，但缺点是可能造成大气二次污染，且修复效率受植物生长和污染物挥发性影响。对于挥发性较弱的污染物，植物挥发效果有限。
③ 植物稳定 (Phytostabilization)：也称植物固定或植物钝化，是指利用植物根系吸收、吸附、沉淀或络合等作用，将土壤中的污染物固定在根际土壤中，降低污染物的迁移性、生物有效性和毒性，从而达到稳定污染土壤的目的。植物稳定技术适用于重金属和有机污染物污染土壤，修复成本低廉，生态效益显著，可以防止土壤侵蚀，改善土壤质量，但不能去除污染物，只是将污染物固定在土壤中，长期稳定性仍需关注。植物稳定技术主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 植物根系吸附 (Rhizosphere adsorption)：植物根系表面和根际土壤中的有机质、粘土矿物、铁锰氧化物等吸附剂，可以吸附土壤中的污染物，降低污染物迁移性。
▮▮▮▮ⓒ 植物根系沉淀 (Rhizosphere precipitation)：植物根系分泌物可以改变根际土壤的pH值、氧化还原电位和离子强度，促进土壤中重金属离子形成难溶性沉淀，降低重金属迁移性和生物有效性。
▮▮▮▮ⓓ 植物根系络合 (Rhizosphere complexation)：植物根系分泌的有机酸、氨基酸、酚酸等络合剂，可以与土壤中的重金属离子形成稳定的络合物，降低重金属生物有效性和毒性。
▮▮▮▮ⓔ 植物诱导沉淀 (Plant-induced precipitation)：某些植物可以吸收土壤中的污染物，并在植物体内或根际土壤中将污染物沉淀或矿化，降低污染物迁移性和生物有效性。例如，蜈蚣草可以将土壤中的砷吸收富集到叶片中，并将砷转化为毒性较低的砷酸盐沉淀在液泡中。
植物稳定技术的关键是选择耐污性强、生物量大、根系发达的植物，优化种植管理措施，提高植物的稳定化效果。植物稳定技术适用于污染程度较轻、不宜进行彻底修复的污染场地，如矿山废弃地、工业废弃地、污染农田等。
④ 根际过滤 (Rhizofiltration)：是指利用植物根系从水体中吸收、吸附、沉淀或络合污染物，净化水体的植物修复技术。根际过滤技术适用于污染水体（如地表水、地下水、污水）的净化，可以去除水体中的重金属、有机污染物、营养盐等。根际过滤技术通常采用水生植物或湿地植物，如芦苇、香蒲、灯芯草、凤眼莲、浮萍等。植物根系悬浮在水中，吸收水体中的污染物，净化水体。根际过滤技术可以与人工湿地技术结合使用，提高水体净化效果。
⑤ 植物降解 (Phytodegradation)：也称植物转化或植物代谢，是指利用植物体内酶系统或植物与根际微生物的协同作用，将土壤中的有机污染物降解或转化为无毒或低毒的物质。植物降解技术适用于有机污染物污染土壤，如农药、除草剂、多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、三氯乙烯 (TCE) 等。植物降解技术的修复效率取决于植物的降解能力、酶活性和污染物性质。植物降解机制主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 植物酶降解 (Plant enzyme degradation)：植物体内含有多种酶系统，如脱卤酶、氧化酶、还原酶、水解酶等，可以催化有机污染物的降解反应。例如，植物过氧化物酶 (Peroxidase) 可以催化多环芳烃 (PAHs) 的氧化聚合反应，植物脱卤酶 (Dehalogenase) 可以催化卤代有机物的脱卤反应。
▮▮▮▮ⓒ 根际微生物降解 (Rhizosphere microbial degradation)：植物根系分泌物可以为根际微生物提供碳源和能源，促进根际微生物的生长和活性，增强根际微生物对有机污染物的降解能力。根际微生物可以分泌多种酶，降解多种有机污染物。植物根系还可以改善根际土壤的通气状况和水分条件，为微生物降解提供有利环境。
植物降解技术的关键是筛选和培育高效降解植物，提高植物的酶活性和降解能力，优化种植管理措施，促进植物与根际微生物的协同作用，提高修复效率。
植物修复技术的选择和应用，需要根据污染类型、污染程度、土壤性质、气候条件、植物种类、修复目标等多种因素综合考虑，选择合适的植物修复技术或多种植物修复技术的组合，才能达到最佳修复效果。植物修复技术可以与其他修复技术（如物理修复、化学修复、生物修复）联合使用，提高修复效率和修复效果。
5.4.5 土壤质量改善与可持续利用 (Soil Quality Improvement and Sustainable Utilization)
土壤质量改善是指通过采取各种措施，提高土壤的物理、化学和生物学性质，改善土壤结构，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，增强土壤生态功能，实现土壤可持续利用的过程。土壤可持续利用是指在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力，实现经济、社会和环境的协调发展。土壤质量改善和可持续利用是保障粮食安全、保护生态环境和实现可持续发展的关键。
① 土壤质量评价指标体系：为了科学评价土壤质量，需要建立一套完善的土壤质量评价指标体系。土壤质量评价指标体系应包括物理指标、化学指标和生物指标，综合反映土壤的肥力、健康和生态功能。常见的土壤质量评价指标包括：
▮▮▮▮ⓑ 物理指标：土壤质地、土壤结构、土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水能力、土壤渗透性、土壤耕作性等。
▮▮▮▮ⓒ 化学指标：土壤pH值、有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、阳离子交换容量 (CEC)、氧化还原电位、重金属含量、有机污染物含量等。
▮▮▮▮ⓓ 生物指标：土壤微生物量、土壤微生物多样性、土壤酶活性、土壤呼吸强度、土壤生物群落结构等。
根据评价目的和评价对象，可以选择不同的土壤质量评价指标和评价方法。常用的土壤质量评价方法包括：综合指数法、模糊评价法、神经网络法、生态系统服务功能评价法等。
② 土壤质量改善措施：为了改善土壤质量，提高土壤肥力和生态功能，可以采取多种措施，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 增施有机肥 (Application of organic fertilizers)：施用有机肥是改善土壤质量最有效、最根本的措施之一。有机肥包括堆肥、沤肥、绿肥、秸秆还田、畜禽粪便、生物有机肥等。有机肥可以增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土壤保水保肥能力，增强土壤缓冲性能，促进土壤微生物活动，提高土壤肥力，改善土壤生态功能。
▮▮▮▮ⓒ 施用土壤改良剂 (Application of soil amendments)：施用土壤改良剂可以针对性地改善土壤的某些物理化学性质，提高土壤质量。常用的土壤改良剂包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 石灰 (Lime)：用于改良酸性土壤，提高土壤pH值，增加土壤钙含量，改善土壤结构，提高养分有效性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 石膏 (Gypsum)：用于改良盐碱土，置换土壤中的钠离子，降低土壤盐分，改善土壤结构，提高土壤渗透性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 磷石膏 (Phosphogypsum)：是磷肥生产的副产物，主要成分为硫酸钙，可用于改良盐碱土和酸性土壤，提供钙和硫养分，改善土壤物理化学性质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 腐殖酸 (Humic acid)：是从泥炭、褐煤、风化煤等天然资源中提取的腐殖质类物质，可以改善土壤结构，提高土壤保水保肥能力，促进植物生长，增强土壤抗逆性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 生物炭 (Biochar)：是生物质在缺氧条件下高温热解的产物，具有多孔结构、比表面积大、化学性质稳定等特点，可以改善土壤结构，提高土壤保水保肥能力，吸附污染物，固碳减排，改善土壤生态功能。
▮▮▮▮ⓘ 轮作休耕 (Crop rotation and fallow)：轮作是指在同一块土地上，有计划地轮换种植不同科属的作物。轮作可以打破病虫草害的连作障碍，改善土壤结构，提高土壤肥力，减少化肥农药用量，提高土地利用率。休耕是指在一定时期内，停止耕种土地，让土地自然恢复肥力。休耕可以减少土壤养分消耗，促进土壤有机质积累，改善土壤结构，提高土壤生态功能。
▮▮▮▮ⓙ 免耕少耕 (No-tillage and reduced tillage)：免耕是指在作物播种前，不进行耕翻土壤，直接将种子播种在覆盖有作物残茬的地表。少耕是指减少耕作次数和耕作强度，尽量减少土壤扰动。免耕少耕可以保护土壤结构，减少土壤侵蚀，节约能源，提高土壤保水保肥能力，增加土壤有机质含量，改善土壤生态功能。
▮▮▮▮ⓚ 深耕深松 (Deep plowing and subsoiling)：深耕是指将耕层土壤深翻，打破犁底层，疏松土壤，改善土壤通气透水性，促进植物根系深扎。深松是指在不翻动土壤表层的情况下，疏松深层土壤，打破犁底层，改善土壤结构，提高土壤蓄水保墒能力。深耕深松适用于土壤板结、犁底层明显的土壤。
▮▮▮▮ⓛ 水土保持措施 (Soil and water conservation measures)：采取水土保持措施，如梯田、等高耕作、植树造林、退耕还林还草等，可以减少土壤侵蚀，防止土壤养分流失，保护土壤资源。
③ 土壤可持续利用策略：为了实现土壤可持续利用，需要采取综合性的策略，包括：
▮▮▮▮ⓑ 保护耕地资源 (Protection of arable land resources)：严格保护耕地，防止耕地面积减少和质量下降，确保粮食安全。
▮▮▮▮ⓒ 提高土壤质量 (Improvement of soil quality)：采取土壤质量改善措施，提高土壤肥力和生态功能，增强土壤可持续生产能力。
▮▮▮▮ⓓ 合理利用土壤资源 (Rational utilization of soil resources)：根据土壤类型、土壤质量和土地利用类型，合理规划和利用土壤资源，实现土地资源优化配置。
▮▮▮▮ⓔ 防治土壤污染 (Prevention and control of soil pollution)：加强土壤污染防治，从源头控制污染排放，加强污染土壤修复治理，保障土壤环境安全和人体健康。
▮▮▮▮ⓕ 加强土壤管理 (Strengthening soil management)：加强土壤管理，建立健全土壤管理制度和政策，提高土壤管理水平，促进土壤可持续利用。
▮▮▮▮ⓖ 科技创新与推广 (Technological innovation and extension)：加强土壤科学研究和技术创新，推广土壤质量改善和可持续利用技术，提高土壤科技水平，支撑土壤可持续利用。
▮▮▮▮ⓗ 公众参与与教育 (Public participation and education)：提高公众土壤保护意识，加强土壤环境保护教育，营造全社会共同参与土壤保护的良好氛围。
通过综合施策，共同努力，才能实现土壤质量改善和可持续利用，保障土壤资源的可持续供给，为人类社会的可持续发展奠定坚实基础。
6. 生物地球化学循环与环境化学 (Biogeochemical Cycles and Environmental Chemistry)
6.1 生物地球化学循环概述 (Overview of Biogeochemical Cycles)
6.1.1 生物地球化学循环的定义与类型 (Definition and Types of Biogeochemical Cycles)
生物地球化学循环 (biogeochemical cycle) 是指化学元素或分子在生物圈 (biosphere) 和地球化学圈 (geosphere) 各个组成部分之间，通过生物、化学和物理过程进行的循环运动和转化过程。这些循环对于维持地球生命系统的稳定性和功能至关重要。简单来说，生物地球化学循环描述了地球上的物质如何在生物和非生物组分之间不断地移动和变化。
定义要点:
① 循环的物质: 生物地球化学循环的核心是化学元素或分子，例如碳 (C)、氮 (N)、磷 (P)、硫 (S) 和水 (H₂O) 等。这些元素是生命体构建和维持生命活动的基础。
② 循环的场所: 循环发生在生物圈和地球化学圈的各个组成部分之间。
▮▮▮▮⚝ 生物圈 (biosphere) 包括地球上所有生物生存的区域，例如陆地生态系统、海洋生态系统和大气中的生物。
▮▮▮▮⚝ 地球化学圈 (geosphere) 包括地球的非生物组成部分，例如大气圈 (atmosphere)、水圈 (hydrosphere)、岩石圈 (lithosphere) 和土壤圈 (pedosphere)。
③ 循环的驱动力: 循环的驱动力是生物、化学和物理过程的综合作用。
▮▮▮▮⚝ 生物过程 (biological processes)：例如光合作用 (photosynthesis)、呼吸作用 (respiration)、分解作用 (decomposition)、生物吸收 (bioabsorption) 和生物富集 (bioaccumulation) 等，生物体在元素的转化和迁移中扮演关键角色。
▮▮▮▮⚝ 化学过程 (chemical processes)：例如氧化还原反应 (redox reaction)、溶解沉淀 (dissolution-precipitation)、络合反应 (complexation reaction)、吸附解吸 (adsorption-desorption) 和水解反应 (hydrolysis reaction) 等，化学反应改变元素的化学形态和存在形式。
▮▮▮▮⚝ 物理过程 (physical processes)：例如蒸发 (evaporation)、降水 (precipitation)、径流 (runoff)、风化作用 (weathering)、沉积作用 (sedimentation) 和扩散作用 (diffusion) 等，物理过程驱动元素在不同环境介质之间的迁移。
生物地球化学循环的类型:
根据循环的主要储库 (reservoir) 和循环途径，生物地球化学循环可以分为以下几种主要类型：
① 气相型循环 (gaseous cycle)：主要储库在大气中，循环速度快，全球性显著。例如：
▮▮▮▮⚝ 碳循环 (carbon cycle)：大气中的二氧化碳 (CO₂) 是主要的碳储库。
▮▮▮▮⚝ 氮循环 (nitrogen cycle)：大气中的氮气 (N₂) 是主要的氮储库。
▮▮▮▮⚝ 水循环 (water cycle)：大气中的水蒸气 (H₂O) 是重要的水储库。
② 沉积型循环 (sedimentary cycle)：主要储库在岩石圈、土壤圈和水圈沉积物中，循环速度相对较慢，区域性较强。例如：
▮▮▮▮⚝ 磷循环 (phosphorus cycle)：磷主要储存在岩石和土壤矿物中。
▮▮▮▮⚝ 硫循环 (sulfur cycle)：硫主要储存在岩石、沉积物和土壤中。
③ 混合型循环 (mixed cycle)：兼具气相型和沉积型循环的特点，储库分布在多个圈层，循环过程复杂。例如：
▮▮▮▮⚝ 水循环 (water cycle)：水既以气态水蒸气存在于大气中，也以液态和固态水存在于水圈和冰冻圈 (cryosphere) 中。
理解生物地球化学循环的类型有助于我们把握不同元素的地球化学行为和环境效应，并针对不同类型的循环特点采取相应的环境保护和管理措施。例如，对于气相型循环，全球性的调控和合作至关重要；而对于沉积型循环，区域性的污染防治和生态修复可能更为关键。
6.1.2 生物地球化学循环的基本特征 (Basic Characteristics of Biogeochemical Cycles)
生物地球化学循环具有一系列重要的基本特征，这些特征决定了其在地球系统中的功能和作用。主要特征包括：
① 循环性 (cyclicity)：这是生物地球化学循环最核心的特征。元素或分子在生物圈和地球化学圈的不同储库之间不断地循环往复，没有起点也没有终点。这种循环性保证了地球上有限的物质资源能够被持续利用，维持生态系统的长期稳定运行。
② 全球性 (globality)：许多生物地球化学循环，特别是气相型循环，具有全球性特征。例如，碳循环、氮循环和水循环等都涉及到全球范围内的物质迁移和转化。大气和海洋作为全球性的传输介质，使得元素可以在全球范围内进行交换和分布。全球性意味着一个区域的活动可能会对全球的循环过程产生影响，例如，人类活动排放的二氧化碳会影响全球的碳循环和气候变化。
③ 生物参与性 (biological involvement)：生物在生物地球化学循环中扮演着至关重要的角色。生物体通过各种代谢活动，例如光合作用、呼吸作用、固氮作用、反硝化作用等，参与元素的吸收、转化、释放和迁移。生物不仅是元素的载体，更是元素循环过程的驱动者和调控者。生态系统中不同生物类群（生产者、消费者、分解者）的协同作用，共同驱动着物质的循环流动。
④ 化学转化性 (chemical transformation)：在生物地球化学循环过程中，元素通常会发生多种化学形态的转化。例如，氮循环中，氮元素可以在氮气 (N₂)、氨 (NH₃)、铵根离子 (NH₄⁺)、亚硝酸根离子 (NO₂⁻)、硝酸根离子 (NO₃⁻) 和有机氮 (organic nitrogen) 等多种形态之间相互转化。这些化学转化过程不仅改变了元素的物理化学性质，也影响了元素的生物有效性和环境效应。理解这些化学转化机制是深入研究生物地球化学循环的关键。
⑤ 能量驱动性 (energy-driven)：生物地球化学循环的运行需要能量的驱动。地球主要的能量来源是太阳能 (solar energy)。太阳能通过光合作用被植物等生产者固定，转化为化学能，进而驱动整个生态系统的物质循环和能量流动。地球内部的热能 (geothermal energy) 也驱动着一些地球化学过程，例如火山活动释放出大量的硫和碳等元素。
⑥ 动态平衡性 (dynamic equilibrium)：在自然条件下，生物地球化学循环通常处于一种动态平衡状态。各个储库之间的物质输入和输出大致相等，使得循环系统能够长期稳定运行。然而，这种平衡是相对的，会受到自然因素（例如气候变化、地质活动）和人为因素（例如工业排放、土地利用变化）的扰动。一旦平衡被打破，就可能引发一系列环境问题。
理解生物地球化学循环的这些基本特征，有助于我们从整体和系统的角度认识地球系统的运行规律，分析人类活动对环境的影响，并制定有效的环境保护和可持续发展策略。
6.1.3 生物地球化学循环的环境意义 (Environmental Significance of Biogeochemical Cycles)
生物地球化学循环对于维持地球生命系统的稳定和健康，以及保障人类社会的可持续发展具有极其重要的环境意义。其主要体现在以下几个方面：
① 维持地球生命系统稳定 (Maintaining the stability of the Earth's life support system)：生物地球化学循环是地球生命支持系统 (Earth's life support system) 的核心组成部分。它们确保了生命活动必需的元素（如碳、氮、磷、硫等）能够持续地在生物和非生物组分之间循环利用，从而维持生态系统的生产力、生物多样性和生态平衡。例如，碳循环通过调节大气中的二氧化碳浓度，维持地球的温度平衡；氮循环为生物提供必需的营养元素，支撑生态系统的初级生产力。
② 调节地球气候 (Regulating Earth's climate)：生物地球化学循环在调节地球气候方面发挥着关键作用。例如：
▮▮▮▮⚝ 碳循环：通过控制大气中二氧化碳等温室气体的浓度，调节地球的温室效应 (greenhouse effect)，影响全球气候变化。
▮▮▮▮⚝ 硫循环：大气中的硫化物可以形成气溶胶 (aerosol)，影响云的形成和地球的反照率 (albedo)，从而影响地球的辐射平衡 (radiation balance)。
▮▮▮▮⚝ 水循环：水的蒸发、凝结和降水过程直接影响地球的热量分布和气候模式。
③ 影响环境质量 (Influencing environmental quality)：生物地球化学循环的失衡或紊乱常常是环境污染和生态破坏的重要原因。例如：
▮▮▮▮⚝ 氮循环失衡：过量的人为氮输入导致水体富营养化 (eutrophication)、酸雨 (acid rain) 和温室气体排放等环境问题。
▮▮▮▮⚝ 硫循环失衡：工业排放的二氧化硫 (SO₂) 是酸雨的主要成因。
▮▮▮▮⚝ 碳循环失衡：化石燃料燃烧导致大气二氧化碳浓度升高，引发全球气候变化。
④ 支撑生态系统服务 (Supporting ecosystem services)：生物地球化学循环是多种重要生态系统服务 (ecosystem services) 的基础。例如：
▮▮▮▮⚝ 养分循环服务 (nutrient cycling service)：生物地球化学循环确保了生态系统内养分的有效循环和利用，支撑植物生长和食物链的运行。
▮▮▮▮⚝ 气候调节服务 (climate regulation service)：碳循环、水循环等调节地球气候，为人类提供宜居的环境。
▮▮▮▮⚝ 水净化服务 (water purification service)：水循环过程中的自然净化作用，有助于改善水质。
▮▮▮▮⚝ 土壤肥力维持服务 (soil fertility maintenance service)：生物地球化学循环参与土壤形成和肥力维持过程，为农业生产提供基础。
⑤ 与人类社会可持续发展息息相关 (Closely related to sustainable development of human society)：理解和管理生物地球化学循环对于实现人类社会的可持续发展至关重要。人类活动深刻地影响着各种生物地球化学循环，例如工业生产、农业活动、土地利用变化等。认识到这些影响，采取措施减缓负面影响，并利用生物地球化学循环的自然规律，可以促进资源的可持续利用和环境的可持续管理。例如，通过发展循环经济 (circular economy) 和绿色化学 (green chemistry)，可以减少对自然资源的消耗和环境污染，促进经济发展与环境保护的协调统一。
综上所述，生物地球化学循环不仅是自然界的基本过程，也是人类生存和发展的基础。深入理解生物地球化学循环的规律，认识人类活动对其的影响，并采取积极的应对措施，是应对全球环境挑战，实现可持续发展的关键。
6.2 碳循环 (Carbon Cycle)
6.2.1 碳循环的主要过程与碳库 (Main Processes and Carbon Pools in the Carbon Cycle)
碳循环 (carbon cycle) 描述了碳元素在地球的各个储库之间，通过一系列生物、化学和物理过程进行的循环运动和转化。碳是生命有机体的基本组成元素，也是地球气候系统的关键调控因子。理解碳循环对于认识全球气候变化、生态系统功能和资源可持续利用至关重要。
碳循环的主要过程:
① 光合作用 (photosynthesis)：这是碳循环中最重要的生物过程之一。绿色植物、藻类和某些细菌通过光合作用，利用太阳能将大气中的二氧化碳 (CO₂) 和水 (H₂O) 合成有机物（主要是葡萄糖 \(C_6H_{12}O_6\))，并释放氧气 (O₂)。光合作用是自然界中主要的二氧化碳固定途径，将无机碳转化为有机碳，是碳进入生物圈的主要途径。
\[ 6CO_2 + 6H_2O + \text{光能} \longrightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \]
② 呼吸作用 (respiration)：包括生物呼吸和分解作用。生物呼吸是指生物体（包括植物、动物和微生物）通过呼吸作用，将有机物氧化分解，释放能量，并产生二氧化碳和水。分解作用是指分解者（如细菌和真菌）将动植物残体和有机废弃物分解为二氧化碳、水和无机盐等。呼吸作用和分解作用将有机碳转化为无机碳（二氧化碳），释放回大气和水体，是碳从生物圈返回地球化学圈的主要途径。
\[ C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \longrightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{能量} \]
③ 燃烧作用 (combustion)：燃烧是指有机物在氧气充足的条件下剧烈氧化，产生二氧化碳、水和热量的过程。自然界的燃烧包括森林火灾、火山爆发等。人为的燃烧主要是指化石燃料（煤炭、石油、天然气）和生物质燃料的燃烧。燃烧作用将有机碳快速转化为二氧化碳，释放到大气中，是碳循环中重要的碳释放过程。
④ 溶解与沉淀 (dissolution and precipitation)：二氧化碳可以溶解在水中，形成碳酸 (H₂CO₃)、碳酸氢根离子 (HCO₃⁻) 和碳酸根离子 (CO₃²⁻)。这些溶解的无机碳 (dissolved inorganic carbon, DIC) 是海洋碳循环的重要组成部分。海洋中的碳酸钙 (CaCO₃) 沉淀是海洋碳循环的重要过程，将溶解的碳转化为固态碳，沉积在海底。
\[ CO_2 (g) \rightleftharpoons CO_2 (aq) \]
\[ CO_2 (aq) + H_2O (l) \rightleftharpoons H_2CO_3 (aq) \]
\[ H_2CO_3 (aq) \rightleftharpoons H^+ (aq) + HCO_3^- (aq) \]
\[ HCO_3^- (aq) \rightleftharpoons H^+ (aq) + CO_3^{2-} (aq) \]
\[ Ca^{2+} (aq) + CO_3^{2-} (aq) \rightleftharpoons CaCO_3 (s) \]
⑤ 碳的埋藏与成矿作用 (burial and mineralization)：生物残体和碳酸钙等含碳物质在沉积过程中被埋藏在地层深处，经过漫长的地质年代，在高温高压条件下，可以转化为化石燃料（煤炭、石油、天然气）和碳酸盐岩 (carbonate rock) 等。这些过程将碳长期封存在地壳中，形成巨大的碳储库。
碳循环的主要碳库 (carbon pools):
碳库是指地球系统中储存碳的场所。主要的碳库包括：
① 大气碳库 (atmospheric carbon pool)：主要以二氧化碳 (CO₂) 的形式存在，也包括少量的甲烷 (CH₄) 和一氧化碳 (CO) 等。大气碳库虽然相对较小，但对全球气候变化具有重要影响。大气二氧化碳浓度是衡量大气碳库大小的重要指标。
② 海洋碳库 (oceanic carbon pool)：海洋是地球上最大的活跃碳库，储存了大量的溶解无机碳 (DIC)、溶解有机碳 (DOC) 和颗粒有机碳 (POC)。海洋通过溶解、吸收、生物泵 (biological pump) 和碳酸钙沉淀等过程，吸收和储存大量的二氧化碳，是调节大气二氧化碳浓度的重要力量。
③ 陆地生物碳库 (terrestrial biotic carbon pool)：包括陆地生态系统中的植物生物量 (plant biomass) 和动物生物量 (animal biomass)。森林、草原、湿地等植被是陆地生物碳库的主要组成部分。陆地生物通过光合作用吸收二氧化碳，通过呼吸作用释放二氧化碳，参与碳的快速循环。
④ 土壤碳库 (soil carbon pool)：土壤是陆地生态系统中最大的碳库，储存了大量的土壤有机碳 (soil organic carbon, SOC)，包括动植物残体、微生物和腐殖质 (humus) 等。土壤有机碳的分解和矿化过程影响着大气二氧化碳浓度和土壤肥力。
⑤ 化石燃料碳库 (fossil fuel carbon pool)：包括煤炭、石油和天然气等化石燃料。化石燃料是地质历史时期生物固定的碳经过长期埋藏和转化形成的，是巨大的碳储库。人类燃烧化石燃料是人为碳排放的主要来源，对碳循环和气候变化产生重大影响。
⑥ 岩石圈碳库 (lithospheric carbon pool)：主要以碳酸盐岩 (如石灰岩、白云岩) 和有机碳沉积岩的形式存在。岩石圈碳库是地球上最大的碳库，但碳循环速度非常缓慢，属于长期碳循环 (long-term carbon cycle)。
理解碳循环的主要过程和碳库，有助于我们认识碳在地球系统中的运动规律，分析人类活动对碳循环的影响，并为应对气候变化、实现碳中和 (carbon neutrality) 提供科学依据。
6.2.2 碳循环的碳通量与平衡 (Carbon Fluxes and Balance in the Carbon Cycle)
碳通量 (carbon flux) 是指单位时间内，碳在不同碳库之间转移的数量，通常以每年多少吉吨碳 (Gt C/yr) 或拍克碳 (Pg C/yr) 来表示 (1 Pg = 10¹⁵ g = 1 Gt)。碳通量反映了碳循环的速率和强度。碳平衡 (carbon balance) 是指在一定时期内，碳循环系统中碳的输入量与输出量之间的关系。自然碳循环在长期尺度上趋于平衡，但在短期尺度上可能存在波动。
主要的碳通量:
① 光合作用固碳通量 (photosynthetic carbon uptake)：陆地植被和海洋浮游植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳，将无机碳转化为有机碳。这是大气碳进入生物圈的主要通量。全球陆地生态系统的总初级生产力 (gross primary productivity, GPP) 大约为 120 Pg C/yr，海洋初级生产力约为 50 Pg C/yr。
② 呼吸作用和分解作用碳释放通量 (respiration and decomposition carbon release)：生物呼吸作用和分解作用将有机碳氧化分解为二氧化碳，释放回大气和水体。陆地生态系统的呼吸作用和分解作用碳释放通量与光合作用固碳通量大致相当，维持着陆地生态系统的碳平衡。海洋生物呼吸作用和分解作用也释放大量的二氧化碳。
③ 化石燃料燃烧碳排放通量 (fossil fuel combustion carbon emission)：人类燃烧化石燃料（煤炭、石油、天然气）将长期封存在地下的碳快速释放到大气中，是人为碳排放的最主要来源。目前，全球化石燃料燃烧碳排放量约为 9-10 Pg C/yr，且仍在持续增长。
④ 土地利用变化碳排放通量 (land-use change carbon emission)：土地利用变化，例如森林砍伐、草原开垦、城市扩张等，会导致陆地生态系统碳储量减少，释放二氧化碳到大气中。土地利用变化也是重要的人为碳排放来源，但其排放量相对化石燃料燃烧较小，约为 1-2 Pg C/yr。
⑤ 海洋吸收二氧化碳通量 (oceanic CO₂ uptake)：海洋通过物理溶解、化学吸收和生物泵等过程，从大气中吸收二氧化碳。海洋是重要的二氧化碳汇 (carbon sink)，每年净吸收大气二氧化碳约 2-3 Pg C/yr。然而，海洋吸收二氧化碳的能力是有限的，且随着海洋酸化 (ocean acidification) 的加剧，海洋吸收二氧化碳的效率可能会下降。
⑥ 火山活动碳释放通量 (volcanic carbon emission)：火山活动释放出二氧化碳、二氧化硫等气体，是自然碳释放的来源之一。但与人为碳排放相比，火山活动碳释放通量较小，约为 0.1-0.3 Pg C/yr。
碳循环的平衡状态:
在工业革命之前，自然碳循环大致处于一种动态平衡状态。光合作用固碳通量与呼吸作用和分解作用碳释放通量大致相等，海洋吸收二氧化碳通量与海洋释放二氧化碳通量也大致平衡。大气二氧化碳浓度在自然波动范围内变化，维持着地球气候的相对稳定。
然而，自工业革命以来，人类活动，特别是化石燃料的大量燃烧和土地利用变化，显著扰乱了碳循环的平衡。人为碳排放远超过自然碳汇的吸收能力，导致大气二氧化碳浓度持续升高，引发温室效应增强和全球气候变化。
碳循环失衡的影响:
碳循环失衡的主要后果是大气二氧化碳浓度升高，导致：
① 温室效应增强 (enhanced greenhouse effect)：二氧化碳是主要的温室气体，大气二氧化碳浓度升高会增强地球的温室效应，导致全球平均气温升高。
② 全球气候变化 (global climate change)：全球变暖引发一系列气候变化，包括极端天气事件（如高温、干旱、洪涝、风暴）频率和强度的增加、海平面上升、冰川和冻土融化、降水模式改变等。
③ 海洋酸化 (ocean acidification)：大气二氧化碳浓度升高导致海洋吸收更多的二氧化碳，使得海水pH值下降，即海洋酸化。海洋酸化威胁海洋生物，特别是钙化生物（如珊瑚、贝类、浮游生物）的生存和繁衍。
④ 生态系统变化 (ecosystem changes)：气候变化和海洋酸化对陆地和海洋生态系统产生广泛影响，包括物候期改变、物种分布范围迁移、生态系统生产力变化、生物多样性丧失等。
理解碳循环的碳通量和平衡状态，以及碳循环失衡的后果，有助于我们认识全球气候变化的严峻性和紧迫性，并为制定减缓和适应气候变化的策略提供科学依据。控制人为碳排放，增加碳汇，恢复碳循环的平衡，是应对气候变化的关键。
6.2.3 人类活动对碳循环的影响与全球气候变化 (Human Impacts on the Carbon Cycle and Global Climate Change)
人类活动已经深刻地改变了全球碳循环，特别是工业革命以来，这种影响更加显著。主要的人类活动对碳循环的影响途径包括：
① 化石燃料燃烧 (fossil fuel combustion)：燃烧煤炭、石油和天然气是人为碳排放的最主要来源。化石燃料燃烧将数亿年积累在地下的碳在短时间内释放到大气中，打破了长期碳循环的平衡。化石燃料燃烧产生的二氧化碳占人为碳排放总量的 80% 以上。
② 土地利用变化 (land-use change)：森林砍伐、草原开垦、湿地破坏、农业活动和城市扩张等土地利用变化，导致陆地生态系统碳储量减少，释放二氧化碳到大气中。森林砍伐不仅减少了植被碳库，也加速了土壤有机碳的分解。土地利用变化是仅次于化石燃料燃烧的第二大人为碳排放来源。
③ 水泥生产 (cement production)：水泥生产过程中的碳酸钙分解反应会释放二氧化碳。水泥工业是重要的工业碳排放部门。
\[ CaCO_3 (s) \longrightarrow CaO (s) + CO_2 (g) \]
④ 农业活动 (agricultural activities)：农业活动，特别是稻田种植和反刍动物养殖，会排放甲烷 (CH₄)，一种强效温室气体。化肥生产和施用过程也会排放氧化亚氮 (N₂O)，也是一种温室气体。农业活动对温室气体排放的贡献不容忽视。
⑤ 工业过程排放 (industrial process emissions)：除了水泥生产，一些化工、冶金等工业过程也会排放二氧化碳和其他温室气体。
人类活动对碳循环的扰动导致全球气候变化:
人类活动排放的大量温室气体，主要是二氧化碳，导致大气温室气体浓度显著升高，增强了地球的温室效应，引发全球气候变化。全球气候变化的主要表现包括：
① 全球变暖 (global warming)：全球平均气温持续升高。自工业革命以来，全球平均气温已升高约 1℃，且升温趋势仍在加速。
② 极端天气气候事件频发 (increased frequency and intensity of extreme weather and climate events)：高温热浪、干旱、洪涝、强降雨、强台风等极端天气气候事件的频率和强度增加，对人类社会和生态系统造成严重影响。
③ 海平面上升 (sea-level rise)：全球变暖导致冰川和极地冰盖融化，海水热膨胀，引起海平面上升。海平面上升威胁沿海城市和岛屿的生存安全。
④ 冰冻圈消融 (cryosphere melting)：冰川、积雪、冻土等冰冻圈要素加速消融，影响水资源、生态系统和基础设施。
⑤ 降水模式改变 (changes in precipitation patterns)：全球降水分布和强度发生变化，一些地区干旱加剧，另一些地区洪涝风险增加。
⑥ 海洋酸化 (ocean acidification)：大气二氧化碳浓度升高导致海洋酸化，威胁海洋生态系统。
应对气候变化的策略:
为了减缓和适应气候变化，国际社会和各国政府正在积极采取行动，主要策略包括：
① 减缓气候变化 (climate change mitigation)：
▮▮▮▮⚝ 减少温室气体排放 (emission reduction)：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 能源转型 (energy transition)：发展可再生能源（太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等），替代化石燃料，降低能源领域的碳排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 提高能源效率 (energy efficiency improvement)：提高工业、建筑、交通等领域的能源利用效率，减少能源消耗。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 发展低碳交通 (low-carbon transportation)：推广电动汽车、公共交通、自行车和步行等低碳出行方式。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 工业减排 (industrial emission reduction)：采用低碳生产工艺，减少工业过程的温室气体排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 碳捕获、利用与封存 (carbon capture, utilization and storage, CCUS)：捕获工业排放的二氧化碳，进行资源化利用或永久封存。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 植树造林和森林保护 (afforestation and forest conservation)：增加森林碳汇，通过植树造林和保护现有森林吸收大气二氧化碳。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 可持续农业和土地管理 (sustainable agriculture and land management)：采用可持续农业 practices，减少农业温室气体排放，增加土壤碳汇。
② 适应气候变化 (climate change adaptation)：
▮▮▮▮⚝ 提高基础设施的适应能力 (enhancing the resilience of infrastructure)：加强城市排水系统、防洪工程、海堤等基础设施建设，应对极端天气气候事件和海平面上升。
▮▮▮▮⚝ 发展适应性农业 (adaptive agriculture)：培育耐高温、耐旱、耐涝作物品种，调整种植结构和耕作方式，提高农业生产对气候变化的适应能力。
▮▮▮▮⚝ 加强公共卫生体系建设 (strengthening public health systems)：应对气候变化对人类健康的影响，例如高温疾病、传染病传播等。
▮▮▮▮⚝ 生态系统保护与修复 (ecosystem protection and restoration)：保护和恢复湿地、红树林、珊瑚礁等重要生态系统，增强生态系统的气候适应能力。
▮▮▮▮⚝ 水资源管理 (water resource management)：优化水资源配置，提高水资源利用效率，应对气候变化引起的水资源短缺和洪涝灾害。
③ 政策与国际合作 (policy and international cooperation)：
▮▮▮▮⚝ 制定和实施强有力的气候政策 (developing and implementing robust climate policies)：各国政府制定和实施碳排放交易机制、碳税、可再生能源补贴、能效标准等政策工具，推动低碳转型。
▮▮▮▮⚝ 加强国际合作 (strengthening international cooperation)：应对气候变化是全球共同挑战，需要各国加强合作，共同行动。《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC) 和《巴黎协定》(Paris Agreement) 是国际气候合作的重要框架。
▮▮▮▮⚝ 技术创新与推广 (technological innovation and dissemination)：加强低碳技术研发和推广应用，为减缓和适应气候变化提供技术支撑。
▮▮▮▮⚝ 公众意识提升和行为改变 (public awareness raising and behavior change)：提高公众对气候变化的认识，倡导绿色低碳生活方式，推动社会各界共同参与应对气候变化行动。
应对气候变化需要全球共同努力，采取综合性的减缓和适应策略，推动经济社会向绿色低碳可持续发展模式转型。
6.3 氮循环 (Nitrogen Cycle)
6.3.1 氮循环的主要过程与氮库 (Main Processes and Nitrogen Pools in the Nitrogen Cycle)
氮循环 (nitrogen cycle) 描述了氮元素在地球的各个储库之间，通过一系列生物、化学和物理过程进行的循环运动和转化。氮是生命体中蛋白质、核酸等重要生物分子的组成元素，是植物生长必需的营养元素，也是大气和水体的重要组成部分。理解氮循环对于认识生态系统功能、农业生产和环境污染问题至关重要。
氮循环的主要过程:
① 固氮作用 (nitrogen fixation)：大气中的氮气 (N₂) 分子非常稳定，生物体无法直接利用。固氮作用是指将大气中的氮气转化为生物可利用的形态（如氨 (NH₃) 或铵根离子 (NH₄⁺)）的过程。固氮作用主要由以下几种途径实现：
▮▮▮▮⚝ 生物固氮 (biological nitrogen fixation)：某些微生物（如固氮菌、蓝藻）具有固氮酶 (nitrogenase)，可以将氮气转化为氨。生物固氮是自然界中主要的固氮途径。
\[ N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \longrightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16Pi \]
▮▮▮▮⚝ 工业固氮 (industrial nitrogen fixation)：人类通过工业方法（主要是哈伯-博施法 (Haber-Bosch process)），在高溫高压和催化剂条件下，将氮气和氢气合成为氨。工业固氮主要用于生产化肥。
\[ N_2 + 3H_2 \xrightarrow{\text{催化剂, 高温高压}} 2NH_3 \]
▮▮▮▮⚝ 大气固氮 (atmospheric nitrogen fixation)：闪电等高能放电可以将大气中的氮气和氧气转化为氮氧化物 (NOₓ)，氮氧化物最终转化为硝酸盐 (NO₃⁻)，随降水进入土壤和水体。大气固氮量相对较小。
② 氨化作用 (ammonification)：氨化作用是指有机氮化合物（如蛋白质、氨基酸、核酸等）在微生物的作用下分解，释放出氨 (NH₃) 或铵根离子 (NH₄⁺) 的过程。氨化作用是氮循环中重要的有机氮矿化过程，将生物体内的氮转化为无机氮。
③ 硝化作用 (nitrification)：硝化作用是指氨或铵根离子在硝化细菌 (nitrifying bacteria) 的作用下，分两步氧化为硝酸盐 (NO₃⁻) 的过程。
▮▮▮▮⚝ 第一步：亚硝化作用 (nitritation)：氨氧化细菌 (ammonia-oxidizing bacteria, AOB) 将氨或铵根离子氧化为亚硝酸根离子 (NO₂⁻)。
\[ 2NH_3 + 3O_2 \longrightarrow 2NO_2^- + 2H^+ + 2H_2O \]
▮▮▮▮⚝ 第二步：硝化作用 (nitration)：亚硝酸盐氧化细菌 (nitrite-oxidizing bacteria, NOB) 将亚硝酸根离子氧化为硝酸根离子 (NO₃⁻)。
\[ 2NO_2^- + O_2 \longrightarrow 2NO_3^- \]
硝化作用将氨态氮转化为硝态氮，硝态氮是植物更容易吸收利用的氮形态，但硝态氮也容易随水流失，造成环境污染。
④ 反硝化作用 (denitrification)：反硝化作用是指在厌氧条件下，反硝化细菌 (denitrifying bacteria) 将硝酸盐 (NO₃⁻) 或亚硝酸盐 (NO₂⁻) 还原为氮气 (N₂) 或一氧化二氮 (N₂O) 等气态氮的过程。反硝化作用将生物可利用的氮形态转化为氮气，释放回大气，是氮循环中重要的氮损失途径。
\[ 2NO_3^- + 10e^- + 12H^+ \longrightarrow N_2 + 6H_2O \]
反硝化作用在污水处理中用于脱氮，但在农业生态系统中，反硝化作用会导致氮肥损失，降低氮肥利用率。
⑤ 氨挥发 (ammonia volatilization)：氨 (NH₃) 具有挥发性，土壤和水体中的氨可以挥发到大气中。农业施用氮肥、畜禽养殖和工业排放是氨挥发的主要来源。氨挥发不仅造成氮损失，也是大气氨污染的重要来源。
⑥ 淋溶和径流 (leaching and runoff)：硝酸盐 (NO₃⁻) 溶解度高，容易随降水和灌溉水淋溶到地下水，或随地表径流进入河流湖泊。淋溶和径流是氮从陆地生态系统向水体迁移的重要途径，也是农业氮肥流失和水体氮污染的重要原因。
⑦ 厌氧氨氧化 (anaerobic ammonium oxidation, anammox)：厌氧氨氧化是一种新型的生物脱氮过程，厌氧氨氧化菌 (anammox bacteria) 在厌氧条件下，以亚硝酸根离子 (NO₂⁻) 为氧化剂，将铵根离子 (NH₄⁺) 氧化为氮气 (N₂)。厌氧氨氧化过程高效、节能，在污水处理中具有重要应用前景。
\[ NH_4^+ + NO_2^- \longrightarrow N_2 + 2H_2O \]
氮循环的主要氮库 (nitrogen pools):
氮库是指地球系统中储存氮的场所。主要的氮库包括：
① 大气氮库 (atmospheric nitrogen pool)：大气是地球上最大的氮库，主要以氮气 (N₂) 的形式存在，占大气总量的 78%。大气氮库非常巨大，但氮气分子化学性质稳定，生物难以直接利用。
② 海洋氮库 (oceanic nitrogen pool)：海洋是地球上活跃的氮库之一，储存了大量的溶解无机氮 (dissolved inorganic nitrogen, DIN，包括硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐) 和溶解有机氮 (dissolved organic nitrogen, DON)。海洋氮库参与全球氮循环，影响海洋生态系统生产力。
③ 陆地生物氮库 (terrestrial biotic nitrogen pool)：包括陆地生态系统中的植物生物量和动物生物量中的有机氮。陆地生物氮库相对较小，但参与氮的快速循环。
④ 土壤氮库 (soil nitrogen pool)：土壤是陆地生态系统中重要的氮库，储存了大量的土壤有机氮 (soil organic nitrogen, SON)，包括动植物残体、微生物和腐殖质等。土壤有机氮的矿化和转化过程影响着土壤肥力和植物氮素营养。
⑤ 沉积岩氮库 (sedimentary rock nitrogen pool)：沉积岩中也储存了大量的氮，但循环速度非常缓慢，属于长期氮循环。
与碳循环类似，氮循环也存在快速循环和长期循环之分。快速循环主要发生在生物圈和大气圈之间，循环时间尺度较短；长期循环则涉及到岩石圈，循环时间尺度漫长。
理解氮循环的主要过程和氮库，有助于我们认识氮在地球系统中的运动规律，分析人类活动对氮循环的影响，并为解决氮污染问题、提高氮肥利用率提供科学依据。
6.3.2 氮循环的氮通量与平衡 (Nitrogen Fluxes and Balance in the Nitrogen Cycle)
氮通量 (nitrogen flux) 是指单位时间内，氮在不同氮库之间转移的数量，通常以每年多少太克氮 (Tg N/yr) 来表示 (1 Tg = 10¹² g)。氮通量反映了氮循环的速率和强度。氮平衡 (nitrogen balance) 是指在一定时期内，氮循环系统中氮的输入量与输出量之间的关系。自然氮循环在长期尺度上趋于平衡，但在短期尺度上可能存在波动。
主要的氮通量:
① 生物固氮通量 (biological nitrogen fixation flux)：生物固氮是自然界中主要的固氮途径，将大气中的氮气转化为生物可利用的氨态氮。全球生物固氮量约为 100-200 Tg N/yr，其中陆地生态系统生物固氮量约为 50-100 Tg N/yr，海洋生物固氮量约为 50-100 Tg N/yr。
② 工业固氮通量 (industrial nitrogen fixation flux)：工业固氮主要用于生产化肥，是人为氮输入的最主要来源。全球工业固氮量已超过生物固氮量，目前约为 150-200 Tg N/yr，且仍在持续增长。
③ 氨挥发通量 (ammonia volatilization flux)：氨挥发是氮从土壤和水体向大气释放的重要途径。农业施用氮肥、畜禽养殖和工业排放是氨挥发的主要来源。全球氨挥发量约为 50-80 Tg N/yr。
④ 反硝化通量 (denitrification flux)：反硝化作用将硝态氮转化为氮气，释放回大气，是氮循环中重要的氮损失途径。全球反硝化量与固氮量大致平衡，约为 100-200 Tg N/yr。
⑤ 淋溶和径流通量 (leaching and runoff flux)：淋溶和径流将硝态氮从陆地生态系统向水体迁移。农业氮肥过量施用是淋溶和径流氮损失的主要原因。全球淋溶和径流氮输出量约为 20-40 Tg N/yr。
⑥ 大气沉降通量 (atmospheric deposition flux)：大气中的氮氧化物 (NOₓ) 和氨 (NH₃) 等氮化合物可以通过干沉降和湿沉降 (降雨、降雪) 沉降到陆地和水体表面，成为氮输入的来源之一。大气沉降氮输入量约为 20-30 Tg N/yr。
氮循环的平衡状态:
在工业革命之前，自然氮循环大致处于一种动态平衡状态。生物固氮通量与反硝化通量大致相等，氮的输入和输出基本平衡。
然而，自工业革命以来，人类活动，特别是工业固氮和化石燃料燃烧，显著扰乱了氮循环的平衡。人为氮输入远超过自然氮输出，导致活性氮 (reactive nitrogen，指除氮气以外的其他氮形态) 在环境中大量积累，引发一系列环境问题，被称为“氮级联效应 (nitrogen cascade)”。
氮循环失衡的环境效应:
氮循环失衡的主要后果是活性氮在环境中过量积累，导致：
① 水体富营养化 (eutrophication)：过量的氮和磷营养物进入水体，导致藻类和水生植物过度生长，消耗水中的溶解氧，造成水质恶化，威胁水生生物生存。富营养化是湖泊、河流和近海海域普遍存在的水环境问题。
② 酸雨 (acid rain)：大气中的氮氧化物 (NOₓ) 和二氧化硫 (SO₂) 等酸性气体与水汽反应，形成酸性降水，即酸雨。酸雨酸化土壤和水体，损害森林、湖泊生态系统，腐蚀建筑物和文物。
③ 温室效应增强 (enhanced greenhouse effect)：一氧化二氮 (N₂O) 是一种强效温室气体，温室效应是二氧化碳的近 300 倍。农业施用氮肥、工业排放和生物质燃烧等是 N₂O 排放的主要来源。N₂O 排放加剧全球气候变化。
④ 大气污染 (air pollution)：大气中的氮氧化物 (NOₓ) 和氨 (NH₃) 是大气污染的重要组成部分。NOₓ 是光化学烟雾 (photochemical smog) 的前体物，氨与酸性气体反应形成细颗粒物 (PM2.5)，加剧大气污染，危害人体健康。
⑤ 生物多样性丧失 (biodiversity loss)：过量的氮输入改变土壤和水体的养分状况，导致某些喜氮植物过度生长，排挤其他植物，降低植物多样性。富营养化也威胁水生生物多样性。
⑥ 人类健康影响 (human health impacts)：硝酸盐污染饮用水威胁人体健康，大气氮污染加剧呼吸系统疾病。
应对氮循环失衡的策略:
为了减缓氮循环失衡及其环境效应，需要采取综合性的管理措施，主要策略包括：
① 提高氮肥利用率 (improving nitrogen fertilizer use efficiency)：
▮▮▮▮⚝ 精准施肥 (precision fertilization)：根据作物需肥规律和土壤养分状况，精确控制施肥量、施肥时间和施肥方式，减少氮肥过量施用。
▮▮▮▮⚝ 缓释肥料和控释肥料 (slow-release and controlled-release fertilizers)：使用新型肥料，延缓氮素释放速度，减少氮肥流失。
▮▮▮▮⚝ 深施和条施 (deep placement and band application)：将氮肥施入作物根系附近，减少地表径流和氨挥发损失。
▮▮▮▮⚝ 秸秆还田和绿肥种植 (straw return and green manure planting)：增加土壤有机质，提高土壤保肥能力，减少氮肥需求。
② 减少工业和能源领域的氮氧化物排放 (reducing NOx emissions from industry and energy sectors)：
▮▮▮▮⚝ 脱硝技术 (denitrification technologies)：在燃煤电厂、工业锅炉和汽车尾气中应用选择性催化还原 (SCR) 和选择性非催化还原 (SNCR) 等脱硝技术，减少 NOx 排放。
▮▮▮▮⚝ 清洁能源替代 (clean energy substitution)：发展可再生能源，减少化石燃料燃烧，从源头减少 NOx 排放。
③ 减少畜禽养殖氨排放 (reducing ammonia emissions from livestock farming)：
▮▮▮▮⚝ 改进畜禽粪便管理 (improved livestock manure management)：采用干清粪、堆肥、厌氧消化等技术，减少氨挥发。
▮▮▮▮⚝ 调整饲料配方 (adjusting feed formulations)：优化饲料配方，降低畜禽粪便中的氮含量，减少氨排放。
▮▮▮▮⚝ 畜禽养殖场废气处理 (waste gas treatment in livestock farms)：在畜禽养殖场安装废气处理装置，捕获和处理氨气。
④ 污水脱氮处理 (wastewater nitrogen removal treatment)：
▮▮▮▮⚝ 生物脱氮技术 (biological nitrogen removal technologies)：在污水处理厂应用活性污泥法、生物滤池、膜生物反应器 (MBR) 等生物脱氮技术，去除污水中的氨氮和硝态氮。
▮▮▮▮⚝ 厌氧氨氧化技术 (anammox technology)：推广应用厌氧氨氧化技术，高效节能地去除污水中的氮。
⑤ 湿地恢复与建设 (wetland restoration and construction)：湿地具有良好的脱氮功能，可以有效去除水体中的氮污染。恢复和建设湿地，可以发挥湿地的自然净化作用，减少氮污染。
⑥ 政策法规和管理措施 (policies, regulations and management measures)：
▮▮▮▮⚝ 制定和实施氮污染防治政策法规 (developing and implementing nitrogen pollution control policies and regulations)：制定氮排放标准、氮肥使用管理规定等，加强氮污染防治的法制化管理。
▮▮▮▮⚝ 推广最佳管理实践 (best management practices, BMPs)：在农业、工业、城市生活等领域推广氮污染防治的最佳管理实践，提高全社会氮资源管理水平。
▮▮▮▮⚝ 公众意识提升和行为改变 (public awareness raising and behavior change)：提高公众对氮污染问题的认识，倡导节约用肥、减少氮排放的绿色生活方式。
解决氮循环失衡问题，需要政府、企业、科研机构和公众共同努力，采取综合性的氮管理策略，实现氮资源的高效利用和环境友好管理。
6.4 硫循环、磷循环与水循环 (Sulfur Cycle, Phosphorus Cycle, and Water Cycle)
6.4.1 硫循环 (Sulfur Cycle)
硫循环 (sulfur cycle) 描述了硫元素在地球的各个储库之间，通过一系列生物、化学和物理过程进行的循环运动和转化。硫是蛋白质和酶的重要组成元素，对生物体功能至关重要。硫也参与大气化学过程，影响气候和环境质量。
硫循环的主要过程:
① 硫的矿化 (mineralization of sulfur)：有机硫化合物（如蛋白质中的含硫氨基酸）在微生物的作用下分解，释放出硫化氢 (H₂S)。
② 硫化氢氧化 (oxidation of hydrogen sulfide)：硫化氢在氧气充足的条件下，可以被氧化为元素硫 (S)、亚硫酸盐 (SO₃²⁻) 或硫酸盐 (SO₄²⁻)。硫氧化细菌 (sulfur-oxidizing bacteria) 在硫化氢氧化过程中起重要作用。
\[ 2H_2S + O_2 \longrightarrow 2S + 2H_2O \]
\[ 2S + 3O_2 + 2H_2O \longrightarrow 2H_2SO_4 \]
③ 硫酸盐还原 (sulfate reduction)：在厌氧条件下，硫酸盐还原菌 (sulfate-reducing bacteria) 以有机物为碳源和能源，将硫酸盐还原为硫化氢。硫酸盐还原过程发生在水体沉积物、厌氧土壤和消化道等厌氧环境中。
\[ SO_4^{2-} + 2C_{\text{有机物}} \longrightarrow S^{2-} + 2CO_2 \]
\[ S^{2-} + 2H^+ \longrightarrow H_2S \]
④ 硫的同化 (assimilation of sulfur)：植物和微生物吸收硫酸盐 (SO₄²⁻)，将其转化为有机硫化合物，如含硫氨基酸（半胱氨酸、蛋氨酸）等。
⑤ 硫的沉淀与埋藏 (precipitation and burial of sulfur)：硫化物 (如硫化铁 FeS₂) 和硫酸盐 (如石膏 CaSO₄·2H₂O) 可以沉淀形成矿物，长期埋藏在地壳中。
⑥ 火山活动和风化作用 (volcanic activity and weathering)：火山活动释放出二氧化硫 (SO₂) 和硫化氢 (H₂S) 等硫化物。岩石风化作用释放出硫酸盐。
⑦ 人为活动 (anthropogenic activities)：燃烧化石燃料（特别是煤炭）和金属冶炼等工业活动，排放大量的二氧化硫 (SO₂)。农业施用含硫农药和化肥也会向环境释放硫。
硫循环的主要硫库:
① 岩石圈硫库 (lithospheric sulfur pool)：岩石圈是地球上最大的硫库，主要以硫化物矿物（如黄铁矿 FeS₂）和硫酸盐矿物（如石膏 CaSO₄·2H₂O）的形式存在。
② 海洋硫库 (oceanic sulfur pool)：海洋中溶解的硫酸盐 (SO₄²⁻) 是主要的海洋硫库。
③ 土壤硫库 (soil sulfur pool)：土壤中含有有机硫和无机硫，是陆地生态系统重要的硫库。
④ 大气硫库 (atmospheric sulfur pool)：大气中含有二氧化硫 (SO₂)、硫化氢 (H₂S)、硫酸盐气溶胶 (sulfate aerosol) 等硫化合物，但大气硫库相对较小。
硫循环的环境意义:
① 酸雨形成 (acid rain formation)：人为排放的二氧化硫 (SO₂) 是酸雨的主要成因。二氧化硫在大气中氧化为硫酸 (H₂SO₄)，随降水形成酸雨，对生态系统和建筑物造成损害。
② 气溶胶与气候效应 (aerosols and climate effects)：硫酸盐气溶胶可以散射太阳辐射，降低地球表面温度，具有冷却效应。火山爆发释放的二氧化硫可以形成硫酸盐气溶胶，对全球气候产生短期冷却影响。
③ 金属硫化物矿床形成 (formation of metal sulfide ore deposits)：硫化物与金属离子反应，可以形成金属硫化物矿床，如铜、铅、锌等硫化物矿。
④ 生物地球化学指示 (biogeochemical indicator)：硫同位素组成可以作为研究古代环境变化和生物地球化学过程的指示剂。
人类活动对硫循环的影响:
人类活动，特别是化石燃料燃烧和工业排放，显著增加了大气中的二氧化硫浓度，导致酸雨问题日益严重。近年来，随着脱硫技术的应用，二氧化硫排放有所减少，但酸雨问题仍然存在。
6.4.2 磷循环 (Phosphorus Cycle)
磷循环 (phosphorus cycle) 描述了磷元素在地球的各个储库之间，通过一系列生物、化学和物理过程进行的循环运动和转化。磷是核酸、磷脂和 ATP 等重要生物分子的组成元素，是植物生长必需的营养元素，也是限制水生生态系统初级生产力的重要因素。
磷循环的主要过程:
① 磷的矿化 (mineralization of phosphorus)：有机磷化合物（如核酸、磷脂）在微生物的作用下分解，释放出无机磷酸盐 (PO₄³⁻)。
② 磷的吸收 (uptake of phosphorus)：植物和微生物吸收土壤和水体中的无机磷酸盐，将其转化为有机磷化合物。
③ 磷的沉淀与沉积 (precipitation and sedimentation of phosphorus)：磷酸盐与钙、铁、铝等金属离子反应，可以沉淀形成磷酸盐矿物，沉积在土壤和水体沉积物中。
④ 磷的溶解与解吸 (dissolution and desorption of phosphorus)：磷酸盐矿物可以溶解释放出磷酸盐。土壤颗粒吸附的磷酸盐可以解吸释放到土壤溶液中。
⑤ 磷的径流和侵蚀 (runoff and erosion of phosphorus)：土壤颗粒和溶解态磷可以通过地表径流和土壤侵蚀进入河流湖泊。
⑥ 人为活动 (anthropogenic activities)：开采磷矿石用于生产磷肥，农业施用磷肥，生活污水和工业废水排放，都会向环境释放磷。
磷循环的主要磷库:
① 岩石圈磷库 (lithospheric phosphorus pool)：岩石圈是地球上最大的磷库，主要以磷灰石 (apatite) 等磷酸盐矿物的形式存在。
② 土壤磷库 (soil phosphorus pool)：土壤中含有无机磷和有机磷，是陆地生态系统重要的磷库。
③ 海洋磷库 (oceanic phosphorus pool)：海洋中溶解的磷酸盐是主要的海洋磷库。
④ 生物磷库 (biotic phosphorus pool)：生物体内的磷含量相对较少，但参与磷的快速循环。
磷循环的环境意义:
① 水体富营养化 (eutrophication)：磷是水生生态系统初级生产力的限制性营养元素。过量的人为磷输入水体，导致水体富营养化，引发藻类过度生长、水质恶化等问题。
② 磷矿资源枯竭 (phosphorus resource depletion)：磷矿石是生产磷肥的主要原料，但磷矿资源是不可再生资源，面临枯竭风险。
③ 土壤肥力 (soil fertility)：磷是植物生长必需的营养元素，土壤磷含量直接影响土壤肥力和农业生产力。
人类活动对磷循环的影响:
人类活动，特别是磷肥的生产和施用，显著增加了环境中活性磷的含量，导致水体富营养化问题日益突出。同时，磷矿资源的不可再生性也引发了人们对磷资源可持续利用的担忧。
6.4.3 水循环 (Water Cycle)
水循环 (water cycle)，也称为水文循环 (hydrologic cycle)，描述了水 (H₂O) 在地球的各个储库之间，通过一系列物理过程进行的循环运动和转化。水是地球上最丰富的物质之一，是生命之源，也是气候系统的重要组成部分。
水循环的主要过程:
① 蒸发 (evaporation)：液态水转化为气态水蒸气，从地表（海洋、湖泊、河流、土壤、植被）进入大气。
② 蒸腾 (transpiration)：植物通过叶片气孔将液态水转化为水蒸气释放到大气中。蒸发和蒸腾合称蒸散发 (evapotranspiration)。
③ 凝结 (condensation)：水蒸气在大气中冷却凝结成液态水滴或固态冰晶，形成云、雾等。
④ 降水 (precipitation)：大气中的水汽凝结物（雨、雪、冰雹等）以降水的形式返回地表。
⑤ 径流 (runoff)：降水到达地表后，一部分沿地表流动形成地表径流，一部分渗入地下形成地下径流。径流最终汇入河流、湖泊和海洋。
⑥ 下渗 (infiltration)：降水渗入土壤的过程。下渗的水一部分成为土壤水，一部分继续下渗补给地下水。
⑦ 地下水流动 (groundwater flow)：地下水在地下含水层中流动，最终排泄到河流、湖泊和海洋。
⑧ 植物吸收 (plant uptake)：植物根系从土壤中吸收水分，用于生长和蒸腾。
水循环的主要水库:
① 海洋水库 (oceanic water pool)：海洋是地球上最大的水库，储存了地球上约 97% 的水。
② 冰川和冰盖水库 (glacier and ice cap water pool)：冰川和冰盖储存了地球上约 2% 的淡水，是重要的淡水资源。
③ 地下水水库 (groundwater water pool)：地下水是重要的淡水资源，储量仅次于冰川和冰盖。
④ 湖泊和河流水库 (lake and river water pool)：湖泊和河流是地表淡水的重要组成部分，但储量相对较小。
⑤ 大气水库 (atmospheric water pool)：大气中以水蒸气、云、雾等形式存在的水，储量最少，但对气候和天气变化影响巨大。
⑥ 生物水库 (biotic water pool)：生物体内的水含量相对较少，但参与水的快速循环。
水循环的环境意义:
① 维持生命 (sustaining life)：水是生命之源，水循环为地球上的生物提供必需的水资源。
② 调节气候 (regulating climate)：水循环过程中的蒸发、凝结和降水过程，影响地球的热量平衡和气候模式。
③ 塑造地貌 (shaping landforms)：水流的侵蚀、搬运和沉积作用，塑造地表地貌。
④ 水资源供给 (water resource supply)：水循环为人类提供淡水资源，用于生活、农业和工业生产。
人类活动对水循环的影响:
人类活动，如城市化、森林砍伐、水利工程建设、过度抽取地下水、气候变化等，显著影响了水循环的各个环节，导致水资源短缺、洪涝灾害、水污染等问题日益突出。气候变化加剧了水循环的不确定性，增加了极端水文事件的风险。
理解硫循环、磷循环和水循环的规律，认识人类活动对其的影响，并采取相应的管理措施，对于保护环境、保障资源安全和实现可持续发展至关重要。
7. 环境分析化学 (Environmental Analytical Chemistry)
概述 (Summary)
本章介绍环境分析化学 (Environmental Analytical Chemistry) 的基本概念、采样方法、样品预处理技术、常用的环境分析仪器和方法，以及质量保证与质量控制 (Quality Assurance and Quality Control)。
7.1 环境分析化学概述 (Overview of Environmental Analytical Chemistry)
7.1.1 环境分析化学的定义与任务 (Definition and Tasks of Environmental Analytical Chemistry)
环境分析化学是分析化学 (Analytical Chemistry) 的一个重要分支，是研究环境介质和生物样品中化学物质的组成、含量、形态和结构，以及它们在环境中的迁移、转化、归趋和生态效应的学科。更具体地说，环境分析化学是运用化学、物理、生物化学以及现代仪器分析技术，定量和定性地分析环境中污染物的种类、浓度及其存在形态，为环境监测 (Environmental Monitoring)、污染评价 (Pollution Assessment)、污染控制 (Pollution Control) 和 环境管理 (Environmental Management) 提供科学依据。
环境分析化学的主要任务包括：
① 环境质量监测：通过对大气、水、土壤、生物等环境介质中污染物进行常规监测和应急监测，掌握环境质量现状及变化趋势，为环境管理和决策提供基础数据。例如，监测城市空气中PM2.5、SO₂、NO₂的浓度，监测饮用水中重金属、有机污染物的含量等。
② 污染源解析：通过分析污染物的种类、浓度、组成特征等信息，识别和追踪污染来源，为污染控制和治理提供方向。例如，分析河流沉积物中多环芳烃 (PAHs) 的组成，判断污染源是工业排放还是交通运输。
③ 污染物环境行为研究：研究污染物在环境介质中的迁移、转化、降解、富集等过程和机制，为预测污染物环境风险和制定控制策略提供科学依据。例如，研究农药在土壤中的吸附、解吸、降解规律，评估其对地下水和农产品的潜在影响。
④ 环境污染控制技术评价：通过分析污染治理过程中的污染物去除效率、副产物生成、资源消耗等指标，评价污染控制技术的有效性和环境友好性，为技术优化和选择提供支持。例如，评价污水处理厂的COD、氨氮去除效果，评估其运行成本和能耗。
⑤ 环境基准和标准制定：为环境质量标准 (Environmental Quality Standard)、污染物排放标准 (Pollutant Emission Standard) 和 环境基准 (Environmental Criteria) 的制定提供科学数据和技术支撑，保障人体健康和生态环境安全。例如，通过毒理学实验和环境暴露评估，确定饮用水中砷的安全限值。
环境分析化学在环境保护中发挥着至关重要的作用，是环境科学与工程领域不可或缺的重要组成部分。
7.1.2 环境分析化学的特点与分析过程 (Characteristics and Analytical Process of Environmental Analytical Chemistry)
环境分析化学与一般的化学分析相比，具有以下显著特点：
① 复杂性 (Complexity)：环境样品成分复杂，基质效应 (Matrix Effect) 显著。环境样品中除了待测污染物外，还含有大量的共存物质，如天然有机物、无机盐、悬浮颗粒等。这些物质可能对待测物的分析产生干扰，影响分析结果的准确性。例如，土壤样品中含有大量的腐殖质，会干扰有机污染物的萃取和色谱分析。
② 痕量性 (Trace Level)：环境污染物浓度通常很低，常处于ng/L (ppt, parts per trillion)、µg/L (ppb, parts per billion) 甚至更低的水平。这要求分析方法具有高灵敏度 (High Sensitivity) 和 低检出限 (Low Detection Limit)，才能准确测定痕量污染物的含量。例如，测定饮用水中二噁英的浓度，需要达到pg/L (ppq, parts per quadrillion) 级别。
③ 多样性 (Diversity)：环境污染物的种类繁多，性质各异，包括无机污染物 (如重金属、无机阴阳离子)、有机污染物 (如挥发性有机物 (VOCs)、多环芳烃 (PAHs)、农药、持久性有机污染物 (POPs))、生物污染物 (如细菌、病毒) 等。针对不同类型的污染物，需要采用不同的分析方法和技术。例如，重金属通常采用原子光谱法或质谱法测定，有机污染物常采用色谱法或质谱法测定，生物污染物则需要采用微生物学或分子生物学方法检测。
④ 动态性 (Dynamicity)：环境污染是一个动态变化的过程，污染物的浓度、形态和分布随时间、空间和环境条件而变化。环境分析不仅要关注污染物瞬时浓度，还要研究污染物长期变化趋势和时空分布规律，为环境管理提供动态信息。例如，监测河流断面水质的季节性变化，评估污染负荷和风险。
⑤ 综合性 (Integrity)：环境分析不仅关注污染物本身的化学性质，还要考虑其环境行为、生态效应和健康风险。环境分析结果需要与环境化学、环境毒理学、生态学等学科知识相结合，才能全面评估环境问题，为综合决策提供支持。例如，分析土壤中重金属的含量，还需要结合土壤的理化性质、生物有效性、植物吸收特性等信息，评估其生态风险和修复需求。
一个完整的环境分析过程通常包括以下基本步骤：
① 明确分析目的 (Define Analytical Objective)：确定需要分析的环境问题、污染物类型、分析指标、精度要求等，明确分析的目标和任务。例如，确定饮用水中消毒副产物三卤甲烷 (THMs) 的浓度，要求定量分析，精度为±10%。
② 制定采样方案 (Develop Sampling Plan)：根据分析目的和环境介质特点，设计合理的采样点布设、采样频率、采样方法、样品量等，确保采集的样品具有代表性。例如，河流断面水质监测，需要在河流上、中、下游设置采样点，每月采样一次，采集表层水和底层水样品。
③ 样品采集与保存 (Sample Collection and Preservation)：按照采样方案，规范操作，采集具有代表性的环境样品，并采取适当的保存措施，防止样品在运输和储存过程中发生变质或污染。例如，采集水样后，应立即加入保护剂，冷藏或冷冻保存，并在规定时间内完成分析。
④ 样品预处理 (Sample Pretreatment)：根据分析方法的要求，对样品进行前处理，包括萃取、浓缩、净化、分离等步骤，消除基质干扰，富集待测物，提高分析灵敏度。例如，测定土壤中多环芳烃 (PAHs)，需要进行索氏提取、硅胶柱层析净化等预处理。
⑤ 分析测定 (Analysis and Determination)：选择合适的分析仪器和方法，对待测物进行定性和定量分析。例如，采用气相色谱-质谱联用 (GC-MS) 法测定水样中挥发性有机物 (VOCs) 的种类和浓度。
⑥ 数据处理与评价 (Data Processing and Evaluation)：对分析数据进行质量控制、统计分析和结果解释，评估分析结果的可靠性和准确性，并根据分析目的，对环境质量状况或污染程度进行评价。例如，计算样品中污染物的平均浓度、标准偏差、检出率等统计参数，与环境质量标准进行比较，评价水质是否达标。
⑦ 撰写分析报告 (Write Analytical Report)：详细记录分析过程、分析方法、分析结果、质量控制信息和评价结论，形成规范的分析报告，为环境管理和决策提供依据。分析报告应包括采样信息、预处理方法、仪器型号、分析条件、标准曲线、质控数据、样品浓度、不确定度、评价结论等内容。
7.1.3 环境分析的质量保证与质量控制 (Quality Assurance and Quality Control in Environmental Analysis)
环境分析数据的准确性、可靠性和可比性是环境监测和评价的基础。质量保证 (Quality Assurance, QA) 和 质量控制 (Quality Control, QC) 是保证环境分析数据质量的重要手段。
质量保证 (QA) 是指为保证分析结果满足预定质量要求而采取的全部有计划、有系统的活动。QA是一个管理体系，涵盖从采样、样品管理、分析测试到数据报告的全过程，旨在预防分析过程中可能出现的错误，确保分析结果的质量。QA的主要内容包括：
① 组织机构与人员管理：建立健全的质量管理组织机构，明确各级人员的质量责任，加强人员培训和考核，提高人员素质和技能。
② 仪器设备管理：建立完善的仪器设备管理制度，包括仪器设备的采购、安装、检定、校准、维护、保养等，确保仪器设备处于良好运行状态。
③ 标准物质与标准溶液管理：建立标准物质和标准溶液的采购、验收、储存、使用、管理制度，确保标准物质和标准溶液的质量和溯源性。
④ 分析方法管理：选择经验证的、标准化的分析方法，建立分析方法的验证、确认、控制程序，确保分析方法的适用性和可靠性。
⑤ 样品管理：建立样品接收、登记、流转、储存、处置等管理制度，确保样品的可追溯性和完整性。
⑥ 数据管理：建立数据采集、记录、处理、审核、报告、存储等管理制度，确保数据的真实性、准确性和完整性。
⑦ 内部质量控制：开展空白实验、加标回收实验、平行样分析、质控样分析等内部质量控制活动，监控分析过程，及时发现和纠正问题。
⑧ 外部质量评价：参加能力验证 (Proficiency Testing, PT) 和 实验室间比对 (Interlaboratory Comparison, ILC)，接受外部质量评价，验证实验室的分析能力，提高分析结果的可信度。
⑨ 质量审核与改进：定期进行内部质量审核和管理评审，检查质量管理体系的运行情况，发现薄弱环节，制定改进措施，持续提高质量管理水平。
⑩ 文件与记录管理：建立完善的质量管理文件体系，包括质量手册、程序文件、作业指导书、记录表格等，规范质量管理活动，保证质量管理体系的有效运行。
质量控制 (QC) 是指在分析测试过程中为监控和评价分析质量而采取的一系列具体措施和操作。QC是QA体系的具体实施，旨在及时发现和纠正分析过程中出现的错误，保证分析结果的准确性和可靠性。QC的主要手段包括：
① 空白实验 (Blank Test)：在不加入样品的情况下，按照分析步骤进行全程序操作，测定空白值，用于校正系统误差，评估试剂、仪器和环境对分析结果的污染。空白实验包括试剂空白 (Reagent Blank)、方法空白 (Method Blank) 和 现场空白 (Field Blank) 等。
② 加标回收实验 (Spiked Recovery Test)：在样品中加入已知浓度的标准物质，按照分析步骤进行测定，计算回收率 (Recovery Rate)，用于评价分析方法的准确性和基质效应。回收率应在合理的范围内 (通常为80%-120%)。
\[ Recovery Rate = \frac{测得浓度 - 样品本底浓度}{加标浓度} \times 100\% \]
③ 平行样分析 (Duplicate Sample Analysis)：将同一样品分成两份或多份，分别进行分析测定，计算相对偏差 (Relative Deviation) 或 相对标准偏差 (Relative Standard Deviation, RSD)，用于评价分析方法的精密度 (Precision) 和 操作的重复性。相对偏差或相对标准偏差应在允许的范围内 (通常小于15%-20%)。
\[ Relative Deviation = \frac{|测定值1 - 测定值2|}{(测定值1 + 测定值2)/2} \times 100\% \]
\[ RSD = \frac{标准偏差}{平均值} \times 100\% \]
④ 质控样分析 (Quality Control Sample Analysis)：分析已知浓度的标准物质或质控样品，将其测定值与标准值进行比较，评价分析结果的准确度 (Accuracy)。质控样可以是标准参考物质 (Standard Reference Material, SRM) 或 实验室自制质控样品。
⑤ 仪器校准与维护 (Instrument Calibration and Maintenance)：定期对分析仪器进行校准，使用标准溶液或标准物质建立仪器响应与待测物浓度之间的关系，保证仪器测量的准确性。同时，定期对仪器进行维护和保养，确保仪器处于良好运行状态。
⑥ 试剂与耗材控制 (Reagent and Consumable Control)：使用符合质量要求的试剂和耗材，对试剂进行检验和管理，避免使用过期或变质的试剂，减少试剂和耗材对分析结果的影响。
⑦ 人员操作规范化 (Standardized Operation Procedures)：制定详细的标准操作规程 (Standard Operation Procedure, SOP)，规范分析人员的操作行为，减少人为误差，提高分析结果的可靠性。
通过实施QA和QC，可以有效地保证环境分析数据的质量，为环境管理和决策提供科学可靠的依据。
7.2 环境样品采集与保存 (Environmental Sample Collection and Preservation)
7.2.1 环境样品采样的基本原则与方案设计 (Basic Principles and Sampling Plan Design for Environmental Sample Collection)
环境样品采样是环境分析的第一步，也是至关重要的一步。采样的质量直接影响分析结果的准确性和代表性。环境样品采样应遵循以下基本原则：
① 代表性 (Representativeness)：采集的样品应能真实、客观地反映被采样对象的总体特征和污染状况。为保证样品的代表性，需要根据采样目的、采样对象和污染分布特点，合理选择采样点、采样时间和采样方法。例如，河流断面水质监测，采样点应设置在能代表河流整体水质的断面位置，采样时间应考虑水文条件和污染排放规律，采样方法应能采集到具有代表性的水样。
② 完整性 (Integrity)：采集的样品应能完整地保留被采样对象中待测组分的原始组成和浓度。为保证样品的完整性，需要防止采样过程中的污染和损失，采取适当的样品保存措施，减少样品在运输和储存过程中发生物理、化学或生物变化。例如，采集挥发性有机物 (VOCs) 样品，应使用密闭容器，避免样品挥发损失；采集易分解的有机物样品，应加入稳定剂，冷藏或冷冻保存。
③ 准确性 (Accuracy)：采样过程应避免引入系统误差和随机误差，保证采样结果的准确性。为保证采样的准确性，需要规范采样操作，使用经过校准的采样仪器，进行空白采样和平行采样，监控采样过程，评估采样误差。例如，使用流量计准确控制采样体积，进行现场空白采样，评估采样过程中的污染。
④ 及时性 (Timeliness)：采样应及时，满足分析测试对样品新鲜度的要求。对于易变化的样品，应尽快进行分析，或采取有效的保存措施，延缓样品变化。例如，测定水中溶解氧 (DO)，应现场固定或尽快测定，避免溶解氧逸散或被消耗。
⑤ 安全性 (Safety)：采样过程应保障采样人员的安全，避免环境污染。在采样过程中，应遵守安全操作规程，穿戴防护用品，妥善处置废弃样品和采样器材，防止二次污染。例如，在污染场地采样，应穿戴防护服、口罩、手套等，防止接触有害物质；采样结束后，应将废弃样品和采样器材进行无害化处理。
采样方案设计 (Sampling Plan Design) 是保证采样质量的关键环节。一个完善的采样方案应包括以下内容：
① 采样目的 (Sampling Objective)：明确采样的具体目的，例如，是进行环境质量监测、污染源调查、还是环境风险评估？不同的采样目的，对采样方案的要求不同。
② 采样对象 (Sampling Object)：确定被采样对象的类型和范围，例如，是大气、水、土壤、生物、还是沉积物？是河流、湖泊、还是地下水？不同的采样对象，采样方法和采样点布设不同。
③ 采样点布设 (Sampling Point Layout)：根据采样目的、采样对象和污染分布特点，合理确定采样点的数量、位置和分布。采样点布设应能全面、客观地反映被采样对象的污染状况。采样点布设方法包括系统布点 (Systematic Sampling)、随机布点 (Random Sampling)、代表性布点 (Representative Sampling) 和 网格布点 (Grid Sampling) 等。
▮▮▮▮⚝ 系统布点：在均匀分布的采样对象中，按照预定的规则和间隔，有规律地设置采样点。适用于污染分布较均匀的区域，如大面积农田土壤采样、均匀排放的工业废气采样。
▮▮▮▮⚝ 随机布点：在采样对象范围内，随机选择采样点。适用于污染分布不均匀，但又难以确定污染源和污染规律的区域，如未知污染源的土壤采样、突发环境事件的应急采样。
▮▮▮▮⚝ 代表性布点：根据污染源位置、地形地貌、水文地质条件等因素，选择具有代表性的点位作为采样点。适用于污染分布受特定因素影响的区域，如污染源附近的土壤采样、河流入河口和出河口水质采样。
▮▮▮▮⚝ 网格布点：将采样对象区域划分为若干网格，在每个网格的中心或节点设置采样点。适用于大范围、污染分布复杂的区域，如区域土壤污染调查、城市大气环境质量监测。
④ 采样时间与频率 (Sampling Time and Frequency)：根据采样目的、污染变化规律和分析测试要求，确定采样时间和采样频率。采样时间应能反映污染状况的典型特征，采样频率应能满足监测污染变化趋势的需求。例如，河流水质监测，采样时间应考虑丰水期、枯水期和汛期，采样频率可以是每月、每周或每日。
⑤ 采样方法与技术 (Sampling Methods and Techniques)：根据采样对象、待测组分和分析方法的要求，选择合适的采样方法和采样技术。采样方法应能有效地采集到具有代表性的样品，采样技术应能保证采样过程的准确性和完整性。例如，大气采样可采用被动采样或主动采样，水样采样可采用表层水采样、深层水采样 或 混合水样采样，土壤采样可采用表层土壤采样 或 剖面土壤采样。
⑥ 样品量 (Sample Quantity)：根据分析测试项目和分析方法的要求，确定合理的样品量。样品量应满足分析测试的需求，并留有备份样品，以备复测或仲裁分析。例如，水样常规分析，样品量通常为1-2升；土壤样品分析，样品量通常为0.5-1公斤。
⑦ 采样容器与器材 (Sampling Containers and Equipment)：根据采样对象和待测组分的性质，选择合适的采样容器和采样器材。采样容器和器材应清洁、干燥、无污染，材质应不与待测组分发生反应或吸附。例如，采集有机污染物样品，应使用玻璃或聚四氟乙烯材质的采样容器，避免使用塑料容器。
⑧ 样品保存与运输 (Sample Preservation and Transportation)：根据样品的性质和分析测试要求，制定样品保存和运输方案，包括保存方法、保存时间、运输条件等，确保样品在运输和储存过程中质量稳定。例如，水样需冷藏或冷冻保存，土壤样品需阴凉干燥保存，挥发性有机物样品需低温密闭运输。
⑨ 质量控制与质量保证 (Quality Control and Quality Assurance)：在采样过程中，应采取质量控制措施，如现场空白采样、平行采样、采样仪器校准等，监控采样质量。同时，应建立质量保证体系，规范采样操作，记录采样信息，保证采样数据的可靠性。
⑩ 安全防护 (Safety Protection)：在采样过程中，应注意安全防护，保障采样人员的安全，避免环境污染。应评估采样现场的风险，制定安全操作规程，配备必要的防护用品，妥善处置废弃样品和采样器材。
7.2.2 大气样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Air Samples)
大气样品根据物理状态可分为气态污染物样品和颗粒物样品。大气采样方法根据采样方式可分为被动采样 (Passive Sampling) 和 主动采样 (Active Sampling)。
被动采样 是指利用扩散、渗透、重力沉降等自然过程，将空气中的污染物富集到采样器中，无需外加动力。被动采样器结构简单、体积小、无需电源、操作方便，适用于长期、大范围、低浓度的大气污染物监测。常用的被动采样器有扩散管采样器 (Diffusion Tube Sampler)、滤筒采样器 (Filter Pack Sampler) 和 沉降缸 (Dustfall Jar) 等。
⚝ 扩散管采样器：利用分子扩散原理，将空气中的气态污染物扩散到吸附剂上。扩散管采样器适用于NO₂、SO₂、O₃、VOCs 等气态污染物的采样。采样量与扩散系数、扩散管长度、采样时间和浓度梯度有关。
⚝ 滤筒采样器：利用重力沉降原理，收集空气中的总悬浮颗粒物 (TSP) 或 降尘 (Dustfall)。沉降缸是一种简单的滤筒采样器，常用于粗颗粒物的采样。
主动采样 是指利用采样泵等动力装置，将一定体积的空气抽入采样器，使污染物被吸收、吸附、过滤或冷凝等方式捕集。主动采样器采样效率高、采样量可控、可采集多种形态的污染物，适用于短期、高浓度、多种污染物的大气监测。常用的主动采样器有滤膜采样器 (Filter Sampler)、吸收瓶采样器 (Impinger Sampler)、吸附管采样器 (Adsorption Tube Sampler) 和 冷凝采样器 (Condenser Sampler) 等。
⚝ 滤膜采样器：利用滤膜过滤空气，捕集空气中的颗粒物。滤膜材质和孔径根据采样目的和颗粒物粒径范围选择。常用的滤膜材质有玻璃纤维滤膜、石英纤维滤膜、聚碳酸酯滤膜、聚四氟乙烯滤膜等。滤膜采样器可用于TSP、PM₁₀、PM₂.₅ 等颗粒物的采样。
⚝ 吸收瓶采样器：利用吸收液吸收空气中的气态污染物。吸收液的选择根据待测气态污染物的性质和分析方法确定。常用的吸收液有氢氧化钠溶液 (吸收酸性气体，如SO₂、HCl)、四氯化汞溶液 (吸收O₃)、活性炭悬浮液 (吸收VOCs) 等。吸收瓶采样器适用于SO₂、NO₂、O₃、HCl、NH₃ 等气态污染物的采样。
⚝ 吸附管采样器：利用吸附剂吸附空气中的气态或半挥发性污染物。吸附剂的选择根据待测污染物的性质和沸点确定。常用的吸附剂有活性炭、Tenax、XAD树脂、硅胶等。吸附管采样器适用于VOCs、PAHs、PCBs、农药 等有机污染物的采样。
⚝ 冷凝采样器：利用低温冷凝原理，将空气中的挥发性有机物冷凝捕集。冷凝采样器适用于高浓度VOCs 的采样，如工业废气、汽车尾气等。
大气颗粒物采样 主要采用滤膜采样器。根据采样目的和颗粒物粒径范围，选择合适的切割器 (Impactor) 和 滤膜。
⚝ 总悬浮颗粒物 (TSP) 采样：不使用切割器，直接采集空气中的所有颗粒物。
⚝ PM₁₀ 采样：使用PM₁₀ 切割器，只采集空气动力学直径小于等于10µm的颗粒物。
⚝ PM₂.₅ 采样：使用PM₂.₅ 切割器，只采集空气动力学直径小于等于2.5µm的颗粒物。
气态污染物采样 可采用吸收瓶采样器 或 吸附管采样器。
⚝ SO₂ 采样：通常采用吸收瓶采样器，吸收液为四氯化汞溶液或甲醛溶液。
⚝ NO₂ 采样：通常采用吸收瓶采样器，吸收液为盐酸萘乙二胺溶液。
⚝ O₃ 采样：通常采用吸收瓶采样器，吸收液为碘化钾溶液。
⚝ VOCs 采样：通常采用吸附管采样器，吸附剂为活性炭、Tenax 等。
采样体积的确定：主动采样需要确定合理的采样体积，以保证采集到足够量的污染物，满足分析测试的灵敏度要求。采样体积的计算公式为：
\[ V = Q \times t \]
其中，\( V \) 为采样体积 (L 或 m³)，\( Q \) 为采样流量 (L/min 或 m³/min)，\( t \) 为采样时间 (min)。采样流量和采样时间根据采样目的、污染物浓度和分析方法的检出限确定。
大气样品保存：大气样品采集后，应采取适当的保存措施，防止样品在运输和储存过程中发生变化。
⚝ 颗粒物样品：滤膜样品应干燥、避光、冷藏保存，防止吸湿、挥发和化学反应。滤膜样品通常在4℃冰箱中保存，保存时间不宜过长，一般为1-4周。
⚝ 气态污染物样品：吸收液样品应密闭、冷藏保存，防止挥发、分解和化学反应。吸收液样品保存时间根据污染物性质和吸收液类型确定，一般为数天至数周。吸附管样品应密封、冷藏保存，防止吸附剂失效和污染物挥发。吸附管样品保存时间根据吸附剂和污染物性质确定，一般为数周至数月。
7.2.3 水样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Water Samples)
水样品根据来源可分为地表水 (Surface Water) 样品、地下水 (Groundwater) 样品 和 污水 (Wastewater) 样品。水样品根据用途可分为饮用水 (Drinking Water) 样品、地表水环境质量监测样品、污染源监测样品 等。
水样品的类型：
⚝ 瞬时水样 (Grab Sample)：在某一时刻采集的水样，反映瞬时水质状况。适用于水质变化较慢或需要了解瞬时污染状况的情况。
⚝ 混合水样 (Composite Sample)：在一定时间内，在同一采样点采集多个瞬时水样，按照一定比例混合而成的水样，反映一定时间内平均水质状况。适用于水质变化较快或需要了解平均污染负荷的情况。混合水样可分为时间和比例混合水样。
▮▮▮▮⚝ 时间和比例混合水样 (Time-Proportional Composite Sample)：在固定时间间隔内，采集等体积的瞬时水样混合而成。
▮▮▮▮⚝ 流量比例混合水样 (Flow-Proportional Composite Sample)：根据流量变化，采集不等体积的瞬时水样混合而成，使混合水样能更准确地反映平均污染负荷。
⚝ 连续水样 (Continuous Sample)：连续不断采集的水样，反映水质的连续变化过程。适用于研究水质的动态变化规律或监测突发性污染事件。
采样点的选择：水采样点的选择应根据采样目的和水体特点确定。
⚝ 河流采样点：应选择在水流稳定、混合均匀的断面位置，避开支流汇入口、排污口、水工建筑物等局部影响区域。采样点数量根据河流宽度和污染状况确定，一般在河流断面中心、左右岸设置采样点。
⚝ 湖泊采样点：应选择在湖心、主要入湖河流口、出湖河流口、水质变化敏感区 等位置设置采样点。采样点数量根据湖泊面积和污染状况确定，一般在湖心、湖湾、湖岸设置采样点。
⚝ 水库采样点：应选择在水库坝前、库尾、主要入库河流口、取水口 等位置设置采样点。采样点数量根据水库规模和功能确定，一般在坝前、库中、库尾设置采样点。
⚝ 地下水采样点：应选择在地下水流方向的上游、下游、污染源附近 等位置设置采样点。采样点可以是水井、泉眼、钻孔 等。地下水采样前，应充分抽水，排除井管或钻孔内的滞留水，采集新鲜的地下水。
⚝ 污水采样点：应选择在排污口、污水处理厂进水口、出水口 等位置设置采样点。采样点数量根据排污口数量和污水处理工艺确定，一般在主要排污口、处理工艺的关键环节 设置采样点。
水样品的采集方法：
⚝ 表层水采样：用采样勺、采样桶 等工具，在水面下0.5米左右深度采集水样。适用于河流、湖泊、水库 等水深较浅的水体。
⚝ 深层水采样：用采水器 (如玻璃采水器、不锈钢采水器、有机玻璃采水器)，在预定深度采集水样。适用于湖泊、水库、海洋 等水深较深的水体。采水器应预先清洗干净，采样时缓慢下沉，到达预定深度后打开采水器，采集水样，然后缓慢提升。
⚝ 混合水样采样：可采用人工混合 或 自动混合 方式。人工混合 是指在不同时间或不同地点采集瞬时水样，在实验室人工混合。自动混合 是指使用自动采样器，按照预设程序自动采集和混合水样。
采样容器的选择：水采样容器的材质和容量根据待测组分和分析方法的要求选择。
⚝ 玻璃瓶：适用于有机污染物、重金属 等的采样。玻璃瓶化学稳定性好、不易吸附有机物，但易碎。
⚝ 聚乙烯瓶 (PE瓶)：适用于无机阴阳离子、营养盐 等的采样。PE瓶轻便、不易碎，但易吸附有机物。
⚝ 聚四氟乙烯瓶 (PTFE瓶)：适用于痕量有机污染物、重金属 等的采样。PTFE瓶化学惰性好、不易吸附污染物，但价格昂贵。
⚝ 棕色瓶：适用于光敏性污染物 的采样，如多环芳烃 (PAHs)、农药 等。棕色瓶可以减少光照，防止光化学反应。
水样品保存：水样品采集后，应采取适当的保存措施，防止样品在运输和储存过程中发生变化。水样品保存的目的是抑制生物活性、减缓化学反应、防止挥发损失。常用的水样品保存方法包括：
⚝ 冷藏 (Refrigeration)：将水样保存在4℃左右的冰箱中，可以抑制微生物活性，减缓生物降解和生物转化过程。冷藏是水样品最常用的保存方法，适用于大多数水质指标的保存。
⚝ 冷冻 (Freezing)：将水样冷冻至-20℃或更低温度，可以完全抑制微生物活性，长期保存水样。冷冻适用于某些有机污染物、重金属 等的保存，但不适用于溶解性气体、pH值、电导率 等指标的保存。
⚝ 加入化学保护剂 (Chemical Preservation)：根据待测组分的性质，加入适当的化学保护剂，稳定样品。常用的化学保护剂有：
▮▮▮▮⚝ 盐酸或硝酸 (HCl or HNO₃)：用于重金属 的保存，将pH值调至pH<2，防止重金属水解沉淀和吸附损失。
▮▮▮▮⚝ 氢氧化钠 (NaOH)：用于氰化物、硫化物 的保存，将pH值调至pH>12，防止氰化物和硫化物挥发和分解。
▮▮▮▮⚝ 甲醛 (Formaldehyde)：用于总磷、总氮 的保存，抑制微生物活性，防止营养盐转化。
▮▮▮▮⚝ 抗坏血酸 (Ascorbic Acid)：用于余氯 的保存，还原余氯，防止余氯继续氧化有机物。
▮▮▮▮⚝ 硫代硫酸钠 (Sodium Thiosulfate)：用于溶解氧 (DO) 的固定，与溶解氧反应生成稳定的化合物，防止溶解氧逸散或被消耗。
水样品的保存时间根据待测组分和保存方法确定。一般情况下，常规水质指标 (如pH值、电导率、溶解氧、BOD、COD、氨氮、总磷、总氮) 应尽快分析，最好在24小时内完成。重金属、有机污染物 等可冷藏或冷冻保存，保存时间可延长至数天至数周。
7.2.4 土壤样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Soil Samples)
土壤样品根据采样深度可分为表层土壤样品 和 剖面土壤样品。土壤采样方法根据采样目的和地形条件可分为随机采样、系统采样、代表性采样 等。
土壤采样点的布设：土壤采样点的布设应根据采样目的和污染分布特点确定。
⚝ 污染场地调查采样：应在污染源区、潜在污染区、敏感区 等位置设置采样点。采样点数量根据场地面积和污染复杂程度确定，一般采用网格布点 或 系统布点。
⚝ 农田土壤质量监测采样：应在具有代表性的农田地块 设置采样点。采样点数量根据地块面积和地形条件确定，一般采用随机布点 或 系统布点。
⚝ 区域土壤背景值调查采样：应选择在未受污染的自然区域 设置采样点。采样点数量根据区域面积和地形地貌确定，一般采用随机布点 或 系统布点。
表层土壤采样：采集地表以下0-20cm 或 0-30cm 的土壤样品，反映耕作层土壤 的污染状况。表层土壤采样方法包括：
⚝ 点采法：在采样点随机采集1-3个子样品，混合成一个代表性样品。适用于污染分布较均匀 的区域。
⚝ 对角线法：在采样点地块的对角线上，按照一定间隔采集5-10个子样品，混合成一个代表性样品。适用于长方形地块。
⚝ 蛇形法：在采样点地块内，按照蛇形路线，连续或间隔采集5-10个子样品，混合成一个代表性样品。适用于不规则形状地块。
⚝ 棋盘法：将采样点地块划分为若干小方格，在每个方格的中心采集1个子样品，混合成一个代表性样品。适用于污染分布较复杂 的区域。
剖面土壤采样：采集不同深度的土壤样品，反映土壤剖面 的污染分布状况。剖面土壤采样通常在土壤剖面 的不同层次 (如A层、B层、C层) 分别采集样品。剖面土壤采样适用于研究污染物在土壤中的垂直迁移 或 评估深层土壤污染。
采样工具的选择：土壤采样工具应清洁、干燥、无污染，材质应不与待测组分发生反应或吸附。常用的土壤采样工具包括：
⚝ 土壤采样铲 (Soil Spade)：用于表层土壤采样，采集松散土壤。
⚝ 土壤采样钻 (Soil Auger)：用于深层土壤采样 和 剖面土壤采样，采集柱状土壤。
⚝ 环刀 (Core Sampler)：用于采集原状土壤，保持土壤的自然结构，用于测定土壤的物理性质 (如容重、孔隙度)。
⚝ 不锈钢勺 (Stainless Steel Spoon)：用于混合土壤样品 和 转移土壤样品。
土壤样品保存：土壤样品采集后，应采取适当的保存措施，防止样品在运输和储存过程中发生变化。土壤样品保存的目的是抑制生物活性、减缓化学反应、防止挥发损失。常用的土壤样品保存方法包括：
⚝ 自然风干 (Air Drying)：将土壤样品摊开在清洁的塑料布或纸张上，在阴凉通风处自然风干至恒重。自然风干可以抑制微生物活性，便于研磨、过筛和储存。自然风干适用于大多数土壤理化性质和重金属 的分析，但不适用于挥发性有机物、氨氮、硝态氮 等指标的分析。
⚝ 冷冻干燥 (Freeze Drying)：将土壤样品在真空冷冻干燥机中冷冻干燥，去除水分。冷冻干燥可以最大限度地保留土壤样品的原始性质，适用于有机污染物、酶活性 等的分析。但冷冻干燥成本较高。
⚝ 冷藏 (Refrigeration)：将土壤样品保存在4℃左右的冰箱中，可以抑制微生物活性，减缓生物降解和生物转化过程。冷藏适用于某些有机污染物、有效态养分 等的短期保存。
⚝ 加入化学保护剂 (Chemical Preservation)：根据待测组分的性质，加入适当的化学保护剂，稳定样品。常用的化学保护剂有：
▮▮▮▮⚝ 甲苯 (Toluene)：用于挥发性有机物 (VOCs) 的保存，抑制微生物活性，减少挥发损失。
▮▮▮▮⚝ 磷酸二氢钾溶液 (KH₂PO₄ solution)：用于有效磷 的保存，固定有效磷，防止磷的形态转化。
土壤样品的保存时间根据待测组分和保存方法确定。一般情况下，土壤理化性质和重金属 可自然风干后长期保存。有机污染物 可冷冻干燥或冷藏保存，保存时间可延长至数月至数年。有效态养分、酶活性 等应尽快分析，或冷藏保存，保存时间不宜过长。
7.2.5 生物样品的采集与保存 (Collection and Preservation of Biological Samples)
生物样品包括植物样品 和 动物样品。生物样品采样目的是监测生物体内的污染物积累水平，评估污染物对生物体的毒害效应，或研究污染物在食物链中的传递。
生物样品的类型：
⚝ 植物样品：包括植物的地上部分 (叶、茎、花、果实) 和 地下部分 (根)。植物样品采样通常选择指示植物 或 优势种植物。
⚝ 动物样品：包括动物的组织器官 (肌肉、肝脏、肾脏、脂肪、血液、骨骼) 和 排泄物 (粪便、尿液)。动物样品采样通常选择指示动物 或 食物链中关键环节的动物。
生物样品的采样策略：生物样品采样应根据采样目的、生物种类、生物组织和污染物性质确定采样策略。
⚝ 指示生物选择：选择对特定污染物敏感 或 富集能力强 的生物作为指示生物。例如，苔藓植物 对大气重金属污染敏感，水生贝类 对水体有机污染物富集能力强。
⚝ 采样部位选择：根据污染物在生物体内的分布规律，选择合适的采样部位。例如，重金属 易在植物根系、动物肝脏和肾脏 中积累，脂溶性有机污染物 易在动物脂肪组织 中积累。
⚝ 采样数量确定：根据统计分析要求，确定合理的采样数量。采样数量应满足统计分析的显著性要求，并考虑生物个体的差异性。通常每个采样点采集多个生物个体，混合成一个代表性样品。
⚝ 采样时间选择：根据生物生长周期和污染物暴露时间，选择合适的采样时间。例如，植物样品 采样通常在植物生长旺盛期 或 成熟期 进行，动物样品 采样应考虑动物的年龄、性别、生理状态 等因素。
植物样品采样：
⚝ 地上部分采样：采集植物的叶片、茎秆、花果 等地上部分。采样时应避开病虫害、损伤、污染 的部位，选择生长健康、形态完整 的植物个体。采集的叶片应清洗干净，去除表面尘土和附着物。
⚝ 地下部分采样：采集植物的根系。采样时应小心挖掘，完整取出根系，去除根系表面的土壤，清洗干净。
动物样品采样：
⚝ 小型动物采样：如昆虫、蚯蚓、小型鱼类 等，可直接采集整个个体 作为样品。
⚝ 大型动物采样：如鸟类、哺乳动物、大型鱼类 等，需采集动物的组织器官 作为样品。动物组织器官采样应在解剖条件下 进行，使用解剖刀、镊子 等工具，无菌操作，快速分离 目标组织器官。常用的动物组织器官样品有肌肉、肝脏、肾脏、脂肪、血液、骨骼 等。
采样容器的选择：生物采样容器的材质和容量根据待测组分和样品类型选择。
⚝ 聚乙烯袋 (PE bag)：适用于植物样品、小型动物样品 的采样。PE袋轻便、不易碎，但易吸附有机物。
⚝ 玻璃瓶：适用于动物组织器官样品 的采样。玻璃瓶化学稳定性好、不易吸附有机物，但易碎。
⚝ 铝箔纸 (Aluminum Foil)：用于包裹动物组织器官样品，防止样品干燥和污染。
生物样品保存：生物样品采集后，应采取适当的保存措施，防止样品在运输和储存过程中发生变化。生物样品保存的目的是抑制生物活性、减缓生物降解和生物转化过程、防止水分损失。常用的生物样品保存方法包括：
⚝ 冷冻 (Freezing)：将生物样品冷冻至-20℃或更低温度，可以完全抑制生物活性，长期保存样品。冷冻是生物样品最常用的保存方法，适用于大多数生物样品 的保存。
⚝ 冷冻干燥 (Freeze Drying)：将生物样品在真空冷冻干燥机中冷冻干燥，去除水分。冷冻干燥可以最大限度地保留生物样品的原始性质，便于研磨、粉碎和长期储存。冷冻干燥适用于植物样品、动物组织样品 的保存。
⚝ 液氮冷冻 (Liquid Nitrogen Freezing)：将生物样品快速冷冻至液氮温度 (-196℃)，可以瞬间停止生物活性，最大限度地保留生物样品的生物活性物质 (如酶、DNA、RNA)。液氮冷冻适用于生物化学分析、分子生物学分析 等对样品质量要求极高的分析。
⚝ 福尔马林固定 (Formalin Fixation)：将生物样品浸泡在福尔马林溶液 中，固定生物组织，防止组织腐败。福尔马林固定适用于组织学分析、病理学分析 等。
生物样品的保存时间根据待测组分和保存方法确定。一般情况下，冷冻或冷冻干燥 可长期保存 生物样品。液氮冷冻 可超长期保存 生物样品。福尔马林固定 的生物样品可长期保存，但不适用于化学分析。
7.3 样品预处理技术 (Sample Pretreatment Techniques)
7.3.1 样品预处理的目的与基本原则 (Purposes and Basic Principles of Sample Pretreatment)
样品预处理 (Sample Pretreatment) 是指在分析测定之前，对采集的环境样品进行一系列物理、化学或生物化学处理 的过程。样品预处理的目的是消除基质干扰、富集待测物、提高分析灵敏度、改善分析选择性，使样品满足分析测定的要求。
样品预处理的主要目的包括：
① 消除基质干扰 (Eliminate Matrix Interferences)：环境样品成分复杂，基质效应显著。样品中除了待测物外，还含有大量的共存物质，如天然有机物、无机盐、悬浮颗粒等。这些物质可能对待测物的分析产生干扰，影响分析结果的准确性。样品预处理可以通过分离、净化 等手段，消除或减少基质干扰，提高分析的准确性和可靠性。例如，土壤样品中含有大量的腐殖质，会干扰有机污染物的萃取和色谱分析，需要通过净化步骤去除腐殖质。
② 富集待测物 (Enrich Analytes)：环境污染物浓度通常很低，常处于痕量或超痕量水平。直接分析可能无法满足分析方法的灵敏度要求。样品预处理可以通过浓缩、富集 等手段，提高待测物的浓度，使其达到分析方法的检出限以上，提高分析的灵敏度。例如，测定水样中痕量有机污染物，需要通过固相萃取 (SPE) 或 液液萃取 (LLE) 等方法进行富集。
③ 改善分析选择性 (Improve Analytical Selectivity)：某些分析方法的选择性不高，容易受到共存物质 的干扰。样品预处理可以通过分离、选择性萃取 等手段，分离待测物与干扰物质，提高分析方法的选择性，减少假阳性和假阴性结果。例如，测定复杂基质样品中的特定有机污染物，可以采用选择性萃取 或 色谱分离 等方法，分离待测物与基质干扰。
④ 改变样品形态 (Change Sample Form)：某些分析方法对样品形态有特定要求。例如，原子吸收光谱法 (AAS) 和 电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-OES) 要求样品为液态，气相色谱法 (GC) 要求样品为气态 或 挥发性液态。样品预处理可以通过溶解、消解、衍生化 等手段，改变样品形态，使其满足分析方法的要求。例如，测定土壤中重金属，需要将土壤样品消解 成液态，才能进行原子光谱分析。
样品预处理的基本原则：
① 代表性原则 (Representativeness Principle)：预处理过程应保证样品的代表性，预处理后的样品应能真实反映原始样品的组成和浓度。预处理过程应避免引入新的污染 或 造成待测物损失。例如，萃取过程应选择合适的萃取溶剂和萃取条件，保证待测物完全萃取，同时避免萃取基质干扰。
② 定量性原则 (Quantitativeness Principle)：预处理过程应保证待测物的定量转移，预处理后的样品中待测物的量应与原始样品中待测物的量成定量关系。预处理过程应避免造成待测物损失 或 发生化学反应。例如，浓缩过程应选择合适的浓缩方法和浓缩条件，避免待测物挥发损失 或 发生分解反应。
③ 选择性原则 (Selectivity Principle)：预处理过程应具有一定的选择性，能有效地分离待测物与基质干扰，提高分析方法的选择性。预处理方法应根据待测物和基质的性质选择，避免非选择性预处理 造成待测物损失 或 引入新的干扰。例如，固相萃取 (SPE) 可以根据吸附剂的选择性，选择性地富集 目标污染物，去除基质干扰。
④ 简便性原则 (Simplicity Principle)：预处理过程应操作简便、快速、高效，减少操作步骤和时间，提高分析效率。预处理方法应易于操作、自动化程度高，减少人为误差。例如，微波辅助萃取 (MAE) 和超声波萃取 (USE) 等快速萃取技术，可以缩短萃取时间，提高分析效率。
⑤ 经济性原则 (Economy Principle)：预处理过程应经济可行，降低分析成本。预处理方法应使用廉价、易得的试剂和材料，减少试剂消耗和废物产生，符合绿色化学 的理念。例如，固相微萃取 (SPME) 和膜萃取 (ME) 等微萃取技术，可以减少溶剂消耗，降低分析成本，减少环境污染。
7.3.2 萃取与浓缩技术 (Extraction and Concentration Techniques)
萃取 (Extraction) 是指利用溶剂 将样品中的待测物 从固相或液相基质 中分离出来 的过程。萃取是样品预处理中最常用的分离富集技术 之一。根据萃取过程的相态不同，萃取可分为液液萃取 (Liquid-Liquid Extraction, LLE) 和 固相萃取 (Solid-Phase Extraction, SPE)。
液液萃取 (LLE) 是指利用两种互不相溶的溶剂 (通常为水相和有机相)，根据待测物在两相中的溶解度差异，将待测物从水相转移到有机相 的过程。LLE是经典的萃取技术，适用于分离和富集非极性或中等极性的有机污染物。LLE的原理是分配定律 (Partition Law)，待测物在两相中的分配系数 \( K \) 为：
\[ K = \frac{C_{有机相}}{C_{水相}} \]
其中，\( C_{有机相} \) 和 \( C_{水相} \) 分别为待测物在有机相和水相中的浓度。分配系数 \( K \) 越大，待测物越容易被萃取到有机相。
常用的液液萃取方法包括：
⚝ 振荡萃取 (Shaking Extraction)：将水样和萃取溶剂加入分液漏斗 中，剧烈振荡 一段时间，使待测物充分转移到有机相，然后静置分层，分离有机相。振荡萃取操作简单、方便，但萃取效率较低、溶剂消耗量大。
⚝ 连续液液萃取 (Continuous Liquid-Liquid Extraction, CLLE)：利用萃取器 (如索氏萃取器、密度差萃取器)，连续不断地用新鲜溶剂萃取 水样中的待测物。CLLE萃取效率高、萃取完全，适用于萃取分配系数较小 的待测物，但萃取时间长、操作复杂。
⚝ 超声波辅助液液萃取 (Ultrasound-Assisted Liquid-Liquid Extraction, UALLE)：在超声波场 中进行液液萃取，利用超声波的空化效应，加速传质过程，提高萃取效率，缩短萃取时间。UALLE萃取效率高、速度快，但超声波能量不易控制，可能导致待测物分解。
⚝ 微波辅助液液萃取 (Microwave-Assisted Liquid-Liquid Extraction, MALLE)：在微波场 中进行液液萃取，利用微波的穿透性和选择性加热 特点，快速加热溶剂和样品，加速萃取过程。MALLE萃取速度快、溶剂消耗量少，但微波设备昂贵、操作复杂。
固相萃取 (SPE) 是指利用固相吸附剂 将样品中的待测物 从液相基质 中吸附富集，然后用洗脱溶剂 将待测物从吸附剂上洗脱下来 的过程。SPE是现代萃取技术，具有萃取效率高、选择性好、溶剂消耗量少、操作简便 等优点，广泛应用于水、土壤、生物样品 中有机污染物和无机污染物 的分离富集。
SPE的基本步骤包括：
① 活化 (Conditioning)：用少量溶剂 (如甲醇、乙腈) 活化吸附剂，去除吸附剂中的杂质，润湿吸附剂，使其处于最佳吸附状态。
② 上样 (Loading)：将样品通过吸附柱，使待测物吸附在吸附剂上，基质干扰物穿透吸附柱。上样速度应控制适当，保证待测物充分吸附。
③ 淋洗 (Washing)：用少量弱洗脱能力的溶剂 (如水、缓冲溶液) 淋洗吸附柱，进一步去除基质干扰物，保留待测物。淋洗溶剂的选择应兼顾去除干扰和保留待测物。
④ 洗脱 (Elution)：用少量强洗脱能力的溶剂 (如甲醇、乙腈、二氯甲烷) 洗脱吸附柱，将待测物从吸附剂上洗脱下来，收集洗脱液。洗脱溶剂的选择应保证待测物完全洗脱，同时减少溶剂用量。
⑤ 干燥与浓缩 (Drying and Concentration)：将洗脱液干燥 (如氮吹、旋转蒸发) 去除水分，然后用少量溶剂定容，得到浓缩后的样品。
常用的SPE吸附剂包括：
⚝ 硅胶基质吸附剂 (Silica-Based Adsorbents)：如C₁₈、C₈、硅胶、氨基硅胶、氰基硅胶 等。硅胶基质吸附剂种类多、选择性广、价格便宜，适用于分离和富集不同极性的有机污染物。C₁₈ 和 C₈ 吸附剂适用于非极性有机污染物，硅胶吸附剂适用于极性有机污染物，氨基硅胶和氰基硅胶吸附剂适用于中等极性有机污染物。
⚝ 聚合物基质吸附剂 (Polymer-Based Adsorbents)：如聚苯乙烯-二乙烯苯 (PS-DVB) 树脂、聚丙烯酸酯 (PA) 树脂、N-乙烯吡咯烷酮 (NVP) 聚合物 等。聚合物基质吸附剂pH适用范围广、吸附容量大、机械强度高，适用于分离和富集极性较强或分子量较大的有机污染物。PS-DVB 树脂适用于非极性有机污染物，PA 树脂适用于极性有机污染物，NVP 聚合物适用于强极性有机污染物。
⚝ 活性炭吸附剂 (Activated Carbon Adsorbents)：如石墨化炭黑 (GCB)、碳纳米管 (CNTs) 等。活性炭吸附剂吸附容量大、吸附能力强，适用于分离和富集非极性有机污染物，如多环芳烃 (PAHs)、二噁英 等。GCB 适用于平面型有机污染物，CNTs 适用于富集和分离多种有机污染物。
⚝ 分子印迹聚合物 (Molecularly Imprinted Polymers, MIPs)：根据待测物的分子结构 设计合成的具有特定识别能力的聚合物。MIPs 具有高选择性、高富集能力，适用于分离和富集特定目标污染物。
浓缩 (Concentration) 是指减少样品体积，提高待测物浓度 的过程。浓缩是样品预处理中常用的富集技术 之一。常用的浓缩方法包括：
⚝ 蒸发浓缩 (Evaporation Concentration)：利用加热 或 减压 的方式，蒸发溶剂，减少样品体积，提高待测物浓度。蒸发浓缩操作简单、方便，但易造成挥发性待测物损失。常用的蒸发浓缩装置有旋转蒸发仪 (Rotary Evaporator)、氮吹仪 (Nitrogen Evaporator) 等。
⚝ 氮吹浓缩 (Nitrogen Blow-Down Concentration)：利用氮气流 吹扫样品表面，加速溶剂挥发，减少样品体积，提高待测物浓度。氮吹浓缩速度快、操作简便，适用于挥发性较差的待测物。
⚝ 冷冻浓缩 (Freeze Concentration)：利用冷冻 的方式，将样品中的水分冻结成冰，去除冰晶，减少样品体积，提高待测物浓度。冷冻浓缩温度低、损失少，适用于热不稳定或挥发性待测物 的浓缩。
⚝ 膜浓缩 (Membrane Concentration)：利用半透膜 的选择透过性，去除样品中的水分或小分子物质，保留待测物，实现浓缩。膜浓缩操作简便、能耗低，适用于大分子有机物或无机离子 的浓缩。常用的膜浓缩技术有反渗透 (Reverse Osmosis, RO)、超滤 (Ultrafiltration, UF) 等。
7.3.3 净化与分离技术 (Clean-up and Separation Techniques)
净化 (Clean-up) 是指去除样品中基质干扰物 的过程，使待测物与干扰物分离，提高分析方法的选择性和准确性。净化是样品预处理中重要的步骤 之一，尤其对于复杂基质样品 (如土壤、生物样品) 的分析，净化是必不可少的。常用的净化技术包括：
⚝ 硅胶柱层析 (Silica Gel Column Chromatography)：利用硅胶 作为固定相，根据不同组分在硅胶上的吸附能力差异，实现分离和净化。硅胶柱层析适用于分离和净化非极性或中等极性的有机污染物，如多环芳烃 (PAHs)、多氯联苯 (PCBs)、农药 等。常用的洗脱溶剂为石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯 等。
⚝ 氧化铝柱层析 (Alumina Column Chromatography)：利用氧化铝 作为固定相，根据不同组分在氧化铝上的吸附能力差异，实现分离和净化。氧化铝柱层析适用于分离和净化极性有机污染物，如酚类化合物、胺类化合物 等。氧化铝柱层析还可用于去除样品中的色素和极性杂质。常用的洗脱溶剂为石油醚、苯、乙醚、甲醇 等。
⚝ 凝胶渗透色谱 (Gel Permeation Chromatography, GPC)：利用凝胶 作为固定相，根据分子大小差异 实现分离和净化。GPC 适用于去除样品中的大分子基质干扰物，如腐殖质、蛋白质、脂类 等。GPC 常用于土壤、生物样品 中有机污染物 的净化。常用的凝胶为交联聚苯乙烯凝胶 (如Bio-Beads S-X)，洗脱溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃 等。
⚝ Florisil柱层析 (Florisil Column Chromatography)：利用Florisil (硅酸镁) 作为固定相，根据不同组分在Florisil上的吸附能力差异，实现分离和净化。Florisil柱层析适用于分离和净化极性农药、多氯联苯 (PCBs) 等。常用的洗脱溶剂为石油醚、乙醚、二氯甲烷 等。
⚝ 活性炭柱层析 (Activated Carbon Column Chromatography)：利用活性炭 作为固定相，根据不同组分在活性炭上的吸附能力差异，实现分离和净化。活性炭柱层析适用于去除样品中的色素、多环芳烃 (PAHs)、二噁英 等。常用的洗脱溶剂为甲苯、二氯甲烷 等。
分离 (Separation) 是指将样品中的不同组分 分开的过程，使待测物与其他组分分离，提高分析方法的选择性和灵敏度。分离技术是样品预处理和分析测定中重要的技术 之一。常用的分离技术包括：
⚝ 色谱分离 (Chromatographic Separation)：利用色谱柱 作为分离介质，根据不同组分在流动相和固定相之间的分配系数差异，实现分离。色谱分离是最常用的分离技术，具有分离效率高、选择性好、应用范围广 等优点。常用的色谱分离技术有气相色谱 (Gas Chromatography, GC)、液相色谱 (Liquid Chromatography, LC)、离子色谱 (Ion Chromatography, IC) 等。
⚝ 电泳分离 (Electrophoretic Separation)：利用电场 驱动带电粒子 在电泳介质 中迁移，根据不同组分的迁移速度差异，实现分离。电泳分离适用于分离带电粒子，如离子、蛋白质、核酸 等。常用的电泳分离技术有毛细管电泳 (Capillary Electrophoresis, CE)、凝胶电泳 (Gel Electrophoresis) 等。
⚝ 膜分离 (Membrane Separation)：利用膜 的选择透过性，分离不同大小或性质的组分。膜分离操作简便、能耗低、无相变，适用于分离和浓缩大分子物质或离子。常用的膜分离技术有超滤 (Ultrafiltration, UF)、纳滤 (Nanofiltration, NF)、反渗透 (Reverse Osmosis, RO)、电渗析 (Electrodialysis, ED) 等。
7.4 常用的环境分析仪器与方法 (Commonly Used Environmental Analytical Instruments and Methods)
7.4.1 光谱分析法 (Spectroscopic Analysis Methods)
光谱分析法 (Spectroscopic Analysis Methods) 是基于物质与电磁辐射 相互作用产生的光谱，进行定性和定量分析 的方法。光谱分析法具有灵敏度高、选择性好、分析速度快、样品用量少 等优点，广泛应用于环境分析中无机污染物和有机污染物 的测定。常用的光谱分析法包括：
① 紫外-可见分光光度法 (Ultraviolet-Visible Spectrophotometry, UV-Vis)：基于物质对紫外光和可见光 的吸收特性 进行分析的方法。UV-Vis 适用于测定具有紫外-可见吸收的物质，如有色物质、共轭不饱和有机物、某些金属离子络合物 等。UV-Vis 操作简单、仪器便宜，广泛应用于水质分析、大气污染物监测 等领域。例如，测定水中硝酸盐、亚硝酸盐、总磷、总氮、COD 等指标，大气中二氧化硫、二氧化氮、臭氧 等气体污染物。
② 荧光分光光度法 (Fluorescence Spectrophotometry, FS)：基于物质的荧光特性 进行分析的方法。荧光是指物质吸收光辐射后，发射出波长比吸收光长的光辐射 的现象。FS 具有灵敏度高、选择性好 的优点，适用于测定具有荧光特性的物质，如多环芳烃 (PAHs)、维生素、某些金属离子络合物 等。FS 广泛应用于水质分析、食品分析、生物分析 等领域。例如，测定水中多环芳烃 (PAHs)、荧光增白剂、维生素B₂ 等。
③ 红外光谱法 (Infrared Spectroscopy, IR)：基于物质对红外光 的吸收特性 进行分析的方法。IR 适用于测定有机化合物的官能团，进行有机物结构鉴定 和 定量分析。IR 具有快速、无损 的优点，广泛应用于有机化学、材料科学、环境科学 等领域。例如，分析大气中温室气体 (CO₂, CH₄, N₂O)，土壤中有机质，水体中石油类 等。
④ 原子吸收光谱法 (Atomic Absorption Spectrometry, AAS)：基于气态自由原子 对特征波长辐射 的吸收特性 进行定量分析 的方法。AAS 适用于测定金属元素，具有灵敏度高、选择性好、操作简便 等优点，广泛应用于环境监测、食品分析、地质勘探 等领域。例如，测定水、土壤、生物样品中重金属 (Cd, Pb, Cr, Hg, As) 等。
⑤ 原子荧光光谱法 (Atomic Fluorescence Spectrometry, AFS)：基于气态自由原子 吸收特征波长辐射 后，发射出荧光 的特性进行定量分析 的方法。AFS 具有灵敏度更高、干扰更少 的优点，适用于测定易生成气态氢化物元素，如As, Hg, Se, Sb, Bi, Te, Sn, Ge, Pb 等。AFS 在痕量元素分析 方面具有优势，广泛应用于环境监测、食品安全、临床医学 等领域。例如，测定水、土壤、生物样品中痕量砷、汞、硒 等。
⑥ 电感耦合等离子体发射光谱法 (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry, ICP-OES)：基于样品在高频电磁场作用下产生的电感耦合等离子体 (ICP) 中，激发态原子或离子 跃迁回基态时发射出特征波长辐射 的特性进行定量和定性分析 的方法。ICP-OES 具有灵敏度高、检出限低、基质效应小、可同时测定多种元素 等优点，广泛应用于环境监测、地质勘探、材料分析 等领域。例如，测定水、土壤、大气颗粒物中多种金属元素和非金属元素。
⑦ 电感耦合等离子体质谱法 (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)：将ICP-OES 的光源与质谱仪联用，利用质谱仪 检测ICP 中产生的离子，进行定量和定性分析 的方法。ICP-MS 具有灵敏度极高、检出限极低、同位素分析能力强 等优点，是痕量元素和同位素分析 的最灵敏方法 之一，广泛应用于环境监测、地球化学、核工业、生物医学 等领域。例如，测定水、土壤、生物样品中超痕量金属元素、稀土元素、同位素比值 等。
7.4.2 色谱分析法 (Chromatographic Analysis Methods)
色谱分析法 (Chromatographic Analysis Methods) 是利用色谱柱 作为分离介质，根据不同组分在流动相和固定相之间的分配系数差异，实现分离、定性和定量分析 的方法。色谱分析法具有分离效率高、选择性好、灵敏度高、应用范围广 等优点，是环境分析中最常用的分离分析技术 之一。常用的色谱分析法包括：
① 气相色谱法 (Gas Chromatography, GC)：以气体 作为流动相，固定相 可以是固体吸附剂 或 涂渍在惰性载体上的液态固定液。GC 适用于分离和分析挥发性有机化合物，如挥发性有机物 (VOCs)、农药、多氯联苯 (PCBs) 等。GC 具有分离效率高、灵敏度高、分析速度快 等优点，广泛应用于大气监测、水质分析、食品安全 等领域。常用的检测器有火焰离子化检测器 (FID)、电子捕获检测器 (ECD)、质谱检测器 (MS) 等。
② 液相色谱法 (Liquid Chromatography, LC)：以液体 作为流动相，固定相 可以是固体吸附剂 或 化学键合在载体上的固定相。LC 适用于分离和分析非挥发性或热不稳定有机化合物，如多环芳烃 (PAHs)、农药、酚类化合物、药物、蛋白质、核酸 等。LC 具有应用范围广、选择性好、灵敏度高 等优点，广泛应用于水质分析、食品分析、药物分析、生物化学 等领域。常用的检测器有紫外检测器 (UV)、荧光检测器 (FLD)、电化学检测器 (ECD)、质谱检测器 (MS) 等。
③ 离子色谱法 (Ion Chromatography, IC)：是液相色谱法 的一种特殊形式，专门用于分离和分析离子。IC 以离子交换树脂 作为固定相，以淋洗液 作为流动相，根据不同离子在离子交换树脂上的保留行为差异，实现分离。IC 适用于测定水、大气、土壤样品中无机阴阳离子，如氟离子、氯离子、硝酸根离子、硫酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子 等。IC 具有灵敏度高、选择性好、可同时测定多种离子 等优点，广泛应用于环境监测、饮用水分析、化工分析 等领域。常用的检测器有电导检测器 (Conductivity Detector)、电化学检测器 (Electrochemical Detector) 等.
7.4.3 质谱分析法 (Mass Spectrometric Analysis Methods)
质谱分析法 (Mass Spectrometric Analysis Methods, MS) 是基于离子在磁场或电场中运动轨迹的差异，按质荷比 (m/z) 分离离子，进行定性和定量分析 的方法。质谱分析法具有灵敏度极高、选择性极好、可提供分子结构信息、可进行同位素分析 等优点，是环境分析中最强大的分析技术 之一。质谱分析法通常与色谱分离技术联用，形成色谱-质谱联用技术，如气相色谱-质谱联用 (GC-MS) 和 液相色谱-质谱联用 (LC-MS)。
质谱仪 (Mass Spectrometer) 的基本组成部分包括：
① 离子源 (Ion Source)：将样品分子电离成离子 的装置。离子源的类型根据样品性质和分析目的选择。常用的离子源有：
▮▮▮▮⚝ 电子轰击离子源 (Electron Ionization, EI)：利用高能电子轰击 样品分子，使其电离成正离子。EI 离子源通用性好、碎片离子丰富，适用于气相色谱联用，提供分子结构信息。
▮▮▮▮⚝ 化学电离离子源 (Chemical Ionization, CI)：利用反应离子 与样品分子发生离子-分子反应，使其电离成正离子或负离子。CI 离子源软电离、碎片离子少，适用于确定分子量。
▮▮▮▮⚝ 电喷雾离子源 (Electrospray Ionization, ESI)：将样品溶液喷雾 成带电液滴，在电场和加热 作用下，液滴溶剂挥发，离子释放到气相。ESI 离子源软电离、适用于极性或离子型化合物、可产生多电荷离子，适用于液相色谱联用，分析大分子生物分子。
▮▮▮▮⚝ 大气压化学电离离子源 (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI)：在大气压下，利用电晕放电 产生反应离子，与样品分子发生离子-分子反应，使其电离成正离子或负离子。APCI 离子源软电离、适用于中等极性或非极性化合物、耐污染能力强，适用于液相色谱联用，分析农药、环境污染物。
▮▮▮▮⚝ 基质辅助激光解吸电离离子源 (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI)：将样品与基质 混合，用激光照射，基质吸收激光能量，将样品分子解吸和电离。MALDI 离子源软电离、适用于大分子生物分子、可产生单电荷离子，适用于生物质谱分析。
② 质量分析器 (Mass Analyzer)：将不同质荷比的离子 分开的装置。质量分析器的类型决定了质谱仪的分辨率、灵敏度和质量范围。常用的质量分析器有：
▮▮▮▮⚝ 四极杆质量分析器 (Quadrupole Mass Analyzer)：利用射频电场和直流电场 控制离子运动轨迹，扫描质量范围，检测不同质荷比的离子。四极杆质量分析器结构简单、价格便宜、扫描速度快，是最常用的质量分析器。
▮▮▮▮⚝ 飞行时间质量分析器 (Time-of-Flight Mass Analyzer, TOF)：利用离子在无场区飞行时间与质荷比的关系 分离离子。TOF 质量分析器分辨率高、质量范围宽、灵敏度高，适用于高分子量化合物分析。
▮▮▮▮⚝ 离子阱质量分析器 (Ion Trap Mass Analyzer)：利用射频电场 将离子囚禁在阱内，通过改变电场参数，扫描质量范围，检测不同质荷比的离子。离子阱质量分析器灵敏度高、可进行多级质谱分析 (MSⁿ)，适用于结构鉴定和复杂样品分析。
▮▮▮▮⚝ 磁 sector 质量分析器 (Magnetic Sector Mass Analyzer)：利用磁场 控制离子运动轨迹，聚焦离子束，分离不同质荷比的离子。磁 sector 质量分析器分辨率高、准确度高，适用于高精度质量测定和同位素分析。
▮▮▮▮⚝ 傅里叶变换离子回旋共振质量分析器 (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Analyzer, FT-ICR)：利用强磁场 将离子囚禁在离子回旋共振池内，通过测量离子回旋频率，精确测定离子质荷比。FT-ICR 质量分析器分辨率极高、质量准确度极高，是最高分辨率的质谱仪，适用于复杂混合物分析和精确质量测定。
③ 检测器 (Detector)：将离子信号 转换为电信号 的装置。常用的检测器有电子倍增器 (Electron Multiplier)、法拉第筒 (Faraday Cup) 等。
气相色谱-质谱联用 (GC-MS) 是将气相色谱仪 与 质谱仪 联用，利用气相色谱的分离能力 和 质谱的定性定量能力，进行复杂样品分析 的技术。GC-MS 适用于分析挥发性或半挥发性有机化合物，如挥发性有机物 (VOCs)、多环芳烃 (PAHs)、农药、多氯联苯 (PCBs)、二噁英 等。GC-MS 具有分离效率高、灵敏度高、定性能力强 等优点，是环境分析中最常用的分析技术 之一。
液相色谱-质谱联用 (LC-MS) 是将液相色谱仪 与 质谱仪 联用，利用液相色谱的分离能力 和 质谱的定性定量能力，进行复杂样品分析 的技术。LC-MS 适用于分析非挥发性或热不稳定有机化合物，如多环芳烃 (PAHs)、农药、酚类化合物、药物、内分泌干扰物 (EDCs)、全氟化合物 (PFAS) 等。LC-MS 具有应用范围广、灵敏度高、定性能力强 等优点，是环境分析中越来越重要的分析技术。
7.4.4 电化学分析法 (Electrochemical Analysis Methods)
电化学分析法 (Electrochemical Analysis Methods) 是基于电化学原理，利用电极 作为传感器，测量电化学参数 (如电位、电流、电导率)，进行定性和定量分析 的方法。电化学分析法具有操作简便、快速、灵敏、成本低 等优点，广泛应用于环境监测、水质分析、生物分析 等领域。常用的电化学分析法包括：
① pH 计 (pH Meter)：利用pH 敏感电极 (如玻璃电极) 测量溶液的pH 值。pH 值是水质分析 的重要指标，反映水体的酸碱性。pH 计操作简单、快速，广泛应用于水质监测、土壤分析、化学实验 等领域。
② 电导率仪 (Conductivity Meter)：测量溶液的电导率。电导率反映溶液中离子浓度 的大小，是水质分析 的重要指标，反映水体的矿化度 和 盐度。电导率仪操作简单、快速，广泛应用于水质监测、工业过程控制 等领域。
③ 离子选择性电极 (Ion Selective Electrode, ISE)：对特定离子 具有选择性响应 的电极。ISE 可以直接测量溶液中特定离子的浓度，具有选择性好、灵敏度高、操作简便 等优点，广泛应用于环境监测、临床医学、农业分析 等领域。常用的 ISE 有氟离子选择性电极、氯离子选择性电极、硝酸根离子选择性电极、钾离子选择性电极、钙离子选择性电极 等。例如，测定饮用水中氟离子、氯离子、硝酸根离子 等。
④ 极谱法 (Polarography)：利用滴汞电极 作为工作电极，测量电流-电压曲线，进行定性和定量分析 的方法。极谱法适用于测定可还原或可氧化物质，如重金属离子、溶解氧、有机物 等。极谱法灵敏度高、选择性好，广泛应用于环境监测、电化学研究 等领域。
⑤ 伏安法 (Voltammetry)：与极谱法 类似，也是测量电流-电压曲线，但工作电极 可以是多种固体电极 (如玻碳电极、金电极、铂电极)。伏安法应用范围更广，可以测定多种电活性物质，如重金属离子、有机物、生物分子 等。常用的伏安法有循环伏安法 (Cyclic Voltammetry, CV)、线性扫描伏安法 (Linear Sweep Voltammetry, LSV)、差分脉冲伏安法 (Differential Pulse Voltammetry, DPV) 等。伏安法在电化学分析、传感器研制 等领域具有重要应用。
7.4.5 生物分析方法 (Bioanalytical Methods)
生物分析方法 (Bioanalytical Methods) 是利用生物组分 (如酶、抗体、细胞、微生物、DNA) 作为识别元件，检测和分析环境污染物 的方法。生物分析方法具有灵敏度高、选择性好、操作简便、成本低 等优点，是环境监测中新兴的分析技术。常用的生物分析方法包括：
① 生物传感器 (Biosensor)：将生物识别元件 与 信号转换器 集成在一起的分析器件。生物传感器可以快速、灵敏、实时 地检测环境污染物。根据生物识别元件的不同，生物传感器可分为酶传感器、抗体传感器、细胞传感器、微生物传感器、DNA 传感器 等。根据信号转换器的不同，生物传感器可分为电化学生物传感器、光学生物传感器、压电生物传感器、热生物传感器 等。例如，酶传感器 可用于检测有机磷农药、重金属离子，抗体传感器 可用于检测农药、兽药、生物毒素，微生物传感器 可用于检测BOD、毒性物质。
② 酶联免疫吸附测定 (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)：利用抗原-抗体特异性反应 和 酶的催化作用，进行定性和定量分析 的免疫分析方法。ELISA 具有灵敏度高、选择性好、操作简便、可高通量分析 等优点，广泛应用于环境监测、食品安全、临床诊断 等领域。ELISA 常用于检测农药、兽药、生物毒素、内分泌干扰物 (EDCs) 等。
③ 生物毒性测试 (Bioassay)：利用生物体 (如微生物、藻类、水蚤、鱼类) 对污染物 的毒性反应，进行环境样品毒性评价 的方法。生物毒性测试可以综合反映样品中多种污染物的联合毒性效应，是环境风险评估 的重要工具。常用的生物毒性测试方法有发光细菌法、藻类抑制法、水蚤急性毒性试验、鱼类急性毒性试验 等。例如，发光细菌法 可用于快速筛选水和土壤样品的毒性，水蚤急性毒性试验 和 鱼类急性毒性试验 可用于评价水体污染物的生态风险。
8. 环境毒理学与生态毒理学 (Environmental Toxicology and Ecotoxicology)
本章介绍环境毒理学 (Environmental Toxicology) 和生态毒理学 (Ecotoxicology) 的基本概念、毒性作用机制、毒性评价方法、风险评估与管理，以及生态风险评估。
8.1 环境毒理学概述 (Overview of Environmental Toxicology)
介绍环境毒理学的定义、研究范畴、学科发展历程及其在环境保护中的作用。
8.1.1 环境毒理学的定义与范畴 (Definition and Scope of Environmental Toxicology)
明确环境毒理学的定义，阐述其研究对象、研究内容和学科特点，以及在环境保护中的作用。
环境毒理学是一门研究环境污染物对人类健康和生物体产生有害效应及其机制的学科。它是一门交叉学科，融合了毒理学 (Toxicology)、环境科学 (Environmental Science)、化学 (Chemistry)、生物学 (Biology)、药理学 (Pharmacology) 和医学 (Medicine) 等多个学科的知识和方法。
① 环境毒理学的定义 (Definition of Environmental Toxicology)
环境毒理学可以定义为：研究环境中存在的化学、物理或生物因素对生物体，特别是对人类健康产生毒性作用的学科。它关注污染物从环境暴露到生物效应产生的全过程，旨在揭示环境污染物的毒性机制，评估其健康风险，并为环境保护和人类健康提供科学依据。
② 环境毒理学的研究对象 (Research Objects of Environmental Toxicology)
环境毒理学的研究对象主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 环境污染物 (Environmental Pollutants)：指存在于环境介质（大气、水、土壤、食物等）中，并可能对生物体产生有害影响的化学物质、物理因素（如辐射、噪声）和生物因子（如病原微生物）。环境污染物种类繁多，包括重金属 (Heavy Metals)、持久性有机污染物 (Persistent Organic Pollutants, POPs)、农药 (Pesticides)、挥发性有机物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)、新兴污染物 (Emerging Pollutants) 等。
▮▮▮▮ⓑ 生物体 (Organisms)：环境毒理学研究污染物对各种生物体的毒性效应，重点关注人类健康，但也包括野生动物、植物和微生物等，因为生态系统的健康最终也会影响人类。研究对象涵盖从分子、细胞、组织、器官到个体、种群乃至生态系统的各个层次。
▮▮▮▮ⓒ 毒性效应 (Toxic Effects)：指污染物对生物体产生的各种有害反应，包括急性毒性 (Acute Toxicity)、慢性毒性 (Chronic Toxicity)、致癌性 (Carcinogenicity)、致畸性 (Teratogenicity)、致突变性 (Mutagenicity)、神经毒性 (Neurotoxicity)、免疫毒性 (Immunotoxicity)、内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption) 等。
③ 环境毒理学的研究内容 (Research Contents of Environmental Toxicology)
环境毒理学的研究内容主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 污染物在环境中的存在、迁移与转化 (Occurrence, Migration, and Transformation of Pollutants in the Environment)：研究污染物的来源、排放、在环境介质中的分布、迁移途径和转化过程，了解生物暴露的途径和水平。
▮▮▮▮ⓑ 污染物进入生物体的途径与体内过程 (Pathways of Pollutants Entering Organisms and In Vivo Processes)：研究污染物通过呼吸道、消化道、皮肤等途径进入生物体的过程，以及在生物体内的吸收 (Absorption)、分布 (Distribution)、代谢 (Metabolism) 和排泄 (Excretion) 过程，即 ADME 过程。
▮▮▮▮ⓒ 污染物与生物体靶分子的相互作用机制 (Interaction Mechanisms between Pollutants and Biological Target Molecules)：研究污染物在分子水平上与生物体内靶分子（如蛋白质、酶、DNA、受体等）的相互作用机制，揭示毒性效应产生的分子基础。
▮▮▮▮ⓓ 污染物对生物体各层次的毒性效应 (Toxic Effects of Pollutants at Different Levels of Organisms)：研究污染物对分子、细胞、组织、器官、个体乃至种群的毒性效应，以及不同毒性效应的特征和评价方法。
▮▮▮▮ⓔ 剂量-反应关系 (Dose-Response Relationship)：研究污染物剂量与生物体反应之间的关系，建立剂量-反应模型，为毒性评价和风险评估提供依据。
▮▮▮▮ⓕ 毒性评价方法与指标 (Toxicity Assessment Methods and Indicators)：开发和应用各种毒性评价方法，包括体内 (In Vivo) 实验、体外 (In Vitro) 实验、计算毒理学 (Computational Toxicology) 方法等，确定毒性评价指标，如 LD50 (半数致死剂量, Median Lethal Dose)、NOAEL (未观察到有害作用剂量, No Observed Adverse Effect Level)、LOAEL (最低观察到有害作用剂量, Lowest Observed Adverse Effect Level) 等。
▮▮▮▮ⓖ 风险评估与管理 (Risk Assessment and Management)：基于毒性评价和暴露评估，进行环境健康风险评估，预测污染物对人群健康的潜在危害，并提出风险管理策略，为政府决策和环境保护提供科学支持。
④ 环境毒理学的学科特点 (Characteristics of Environmental Toxicology)
▮▮▮▮ⓐ 交叉性与综合性 (Interdisciplinary and Comprehensive)：环境毒理学是一门典型的交叉学科，涉及化学、生物学、医学、环境科学等多个领域，需要综合运用各学科的理论和方法。
▮▮▮▮ⓑ 复杂性与系统性 (Complexity and Systematic)：环境污染问题往往涉及多种污染物的复合暴露，毒性效应的产生机制复杂，需要从系统生物学的角度进行研究。
▮▮▮▮ⓒ 预防性与保护性 (Preventive and Protective)：环境毒理学的最终目标是预防环境污染对人类健康造成的危害，保护人群健康和环境安全。
▮▮▮▮ⓓ 社会性与政策性 (Social and Policy-oriented)：环境毒理学研究结果直接关系到公共健康和社会福祉，为环境政策制定和环境管理提供科学依据，具有重要的社会意义和政策导向。
⑤ 环境毒理学在环境保护中的作用 (Role of Environmental Toxicology in Environmental Protection)
▮▮▮▮ⓐ 识别和评估环境健康风险 (Identification and Assessment of Environmental Health Risks)：环境毒理学通过研究污染物的毒性，识别潜在的环境健康风险，评估污染物对人群健康的危害程度。
▮▮▮▮ⓑ 为环境标准制定提供科学依据 (Providing Scientific Basis for Environmental Standard Setting)：环境毒理学研究的剂量-反应关系和毒性评价数据，是制定环境质量标准、污染物排放标准和职业接触限值的重要科学依据。
▮▮▮▮ⓒ 指导污染控制和管理 (Guiding Pollution Control and Management)：环境毒理学研究揭示的毒性机制和风险评估结果，可以为污染控制技术研发、污染治理措施制定和环境管理政策实施提供科学指导。
▮▮▮▮ⓓ 促进公众健康保护 (Promoting Public Health Protection)：环境毒理学研究成果有助于提高公众对环境健康风险的认识，促进个人防护措施的采取，最终实现保护公众健康的目标。
总而言之，环境毒理学是环境保护领域不可或缺的重要组成部分，它通过深入研究环境污染物的毒性作用，为环境保护决策提供科学支撑，为人类健康保驾护航。
8.1.2 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxic Action)
讲解毒物进入生物体的途径、毒物的体内过程（吸收、分布、代谢、排泄）、毒物与靶分子的相互作用、毒性效应的分子机制。
毒性作用机制 (Mechanisms of Toxic Action) 是指毒物 (Toxicant) 从进入生物体到产生毒性效应的完整过程和分子机理。理解毒性作用机制是环境毒理学研究的核心内容，有助于深入认识污染物对生物体的危害，为预防和治疗中毒提供理论基础。
① 毒物进入生物体的途径 (Pathways of Toxicants Entering Organisms)
毒物进入生物体的途径主要有以下几种：
▮▮▮▮ⓐ 呼吸道吸入 (Inhalation)：大气污染物，如颗粒物 (Particulate Matter, PM)、气态污染物（如二氧化硫 (Sulfur Dioxide, SO2)、氮氧化物 (Nitrogen Oxides, NOx)、挥发性有机物 (VOCs) 等），可以通过呼吸道进入人体。这是职业暴露和环境暴露的重要途径。
▮▮▮▮ⓑ 消化道摄入 (Ingestion)：通过饮水、食物链富集、误食等途径，污染物可以经消化道进入生物体。例如，受污染的水和食物、土壤中的污染物可能通过植物吸收进入食物链，最终被人或动物摄入。
▮▮▮▮ⓒ 皮肤接触吸收 (Dermal Absorption)：某些污染物，特别是脂溶性污染物，可以通过皮肤直接吸收进入体内。例如，农药、有机溶剂等可能通过皮肤接触进入人体。
▮▮▮▮ⓓ 注射 (Injection)：在某些特殊情况下，如医疗注射、意外事故等，污染物可能通过注射途径直接进入血液循环。
② 毒物的体内过程 (In Vivo Processes of Toxicants) - ADME 过程
毒物进入生物体后，会经历一系列复杂的体内过程，通常称为 ADME 过程，即吸收 (Absorption)、分布 (Distribution)、代谢 (Metabolism) 和排泄 (Excretion)。
▮▮▮▮ⓐ 吸收 (Absorption)：指毒物从暴露部位进入血液循环的过程。吸收效率受毒物性质（如分子量、脂溶性、水溶性）、暴露途径、生物体生理状态等多种因素影响。例如，脂溶性毒物更容易通过细胞膜吸收。
▮▮▮▮ⓑ 分布 (Distribution)：指毒物通过血液循环输送到全身各组织器官的过程。毒物在体内的分布是不均匀的，往往在某些特定器官或组织中富集，这与毒物的理化性质、血液循环、组织屏障等因素有关。例如，脂溶性毒物容易分布到富含脂肪的组织，重金属可能在骨骼、肝脏、肾脏等器官富集。
▮▮▮▮ⓒ 代谢 (Metabolism)：也称为生物转化 (Biotransformation)，指生物体通过酶系统将外源性化合物（包括毒物）进行化学修饰的过程。代谢的目的是将毒物转化为极性更强、更易于排泄的代谢产物。代谢过程通常分为两个阶段：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 第一阶段反应 (Phase I Reactions)：主要包括氧化 (Oxidation)、还原 (Reduction)、水解 (Hydrolysis) 等反应，通常由细胞色素P450酶系 (Cytochrome P450, CYP450) 参与，引入或暴露极性基团，使毒物极性增加。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 第二阶段反应 (Phase II Reactions)：也称为结合反应 (Conjugation Reactions)，是将第一阶段反应产物或原毒物与内源性物质（如葡萄糖醛酸、硫酸、谷胱甘肽等）结合，形成结合物 (Conjugates)，进一步增加极性，更易于排泄。
需要注意的是，代谢过程并非总是解毒过程 (Detoxification)。有些毒物经过代谢后，毒性反而增强，称为生物活化 (Bioactivation) 或代谢活化。例如，多环芳烃 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 经过代谢活化后，可能转化为具有致癌性的环氧化物或二醇环氧化物。
▮▮▮▮ⓓ 排泄 (Excretion)：指生物体将毒物及其代谢产物排出体外的过程。主要的排泄途径包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 肾脏排泄 (Renal Excretion)：通过尿液排出，是水溶性毒物及其代谢产物的主要排泄途径。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 肝脏-胆汁排泄 (Hepatic-Biliary Excretion)：通过胆汁分泌到肠道，随粪便排出，是分子量较大、脂溶性较强的毒物及其代谢产物的重要排泄途径。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 肺脏排泄 (Pulmonary Excretion)：挥发性毒物，如挥发性有机溶剂，可以通过呼吸道以气体形式排出。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 其他排泄途径：如乳汁、汗液、唾液、毛发等，但通常排泄量较少。
③ 毒物与靶分子的相互作用 (Interaction between Toxicants and Target Molecules)
毒物产生毒性效应的分子机制，通常是由于毒物与生物体内特定的靶分子 (Target Molecules) 发生相互作用。靶分子可以是蛋白质 (Proteins)、酶 (Enzymes)、核酸 (Nucleic Acids, DNA, RNA)、脂质 (Lipids)、受体 (Receptors) 等生物大分子。毒物与靶分子的相互作用方式多种多样，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 非特异性相互作用 (Non-specific Interactions)：毒物与细胞膜、蛋白质等生物大分子发生非特异性结合，改变其物理化学性质，导致细胞功能紊乱。例如，某些有机溶剂可能溶解细胞膜脂质，破坏膜的完整性。
▮▮▮▮ⓑ 特异性相互作用 (Specific Interactions)：毒物与特定的靶分子发生特异性结合，改变靶分子的结构和功能，从而引发毒性效应。特异性相互作用是毒性作用机制研究的重点，主要包括以下几种类型：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 酶抑制 (Enzyme Inhibition)：毒物与酶的活性中心或变构位点结合，抑制酶的活性，干扰正常的代谢途径。例如，有机磷农药抑制乙酰胆碱酯酶 (Acetylcholinesterase, AChE) 的活性，导致神经递质乙酰胆碱 (Acetylcholine, ACh) 积累，引起神经毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 受体激动或拮抗 (Receptor Agonism or Antagonism)：毒物可以模拟内源性配体 (Ligand) 与受体结合，激活受体，产生激动效应 (Agonism)；或者与受体结合，阻止内源性配体结合，阻断受体信号传递，产生拮抗效应 (Antagonism)。例如，二噁英 (Dioxins) 可以激活芳香烃受体 (Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR)，引起一系列毒性效应；内分泌干扰物 (Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs) 可以模拟或拮抗内源性激素的作用，干扰内分泌系统功能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 核酸损伤 (Nucleic Acid Damage)：某些毒物可以直接与DNA或RNA反应，导致核酸损伤，如 DNA 加合物形成 (DNA Adduct Formation)、DNA 链断裂 (DNA Strand Breakage)、碱基修饰 (Base Modification) 等。核酸损伤可能导致基因突变 (Gene Mutation)、染色体畸变 (Chromosome Aberration)，甚至诱发癌症 (Cancer)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 氧化应激 (Oxidative Stress)：某些毒物可以诱导生物体内产生过量的活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 或活性氮 (Reactive Nitrogen Species, RNS)，导致氧化应激。氧化应激可以损伤细胞内的各种生物大分子，如脂质过氧化 (Lipid Peroxidation)、蛋白质氧化 (Protein Oxidation)、DNA 氧化损伤 (DNA Oxidative Damage) 等，引起细胞功能障碍和损伤。
④ 毒性效应的分子机制 (Molecular Mechanisms of Toxic Effects)
毒物与靶分子相互作用后，会启动一系列分子事件链，最终导致毒性效应的产生。毒性效应的分子机制复杂多样，与毒物的性质、靶分子类型、生物体生理状态等多种因素有关。常见的毒性效应分子机制包括：
▮▮▮▮ⓐ 细胞功能障碍 (Cellular Dysfunction)：毒物干扰细胞正常的生理功能，如能量代谢障碍、离子平衡失调、信号转导异常、细胞通讯障碍等。
▮▮▮▮ⓑ 细胞损伤 (Cellular Damage)：毒物直接或间接损伤细胞结构，如细胞膜损伤、细胞器损伤（如线粒体损伤、内质网应激）、细胞骨架破坏等。
▮▮▮▮ⓒ 细胞死亡 (Cell Death)：严重的细胞损伤可能导致细胞死亡，包括坏死 (Necrosis) 和凋亡 (Apoptosis) 等不同类型的细胞死亡。
▮▮▮▮ⓓ 基因毒性 (Genotoxicity)：毒物损伤遗传物质 DNA，导致基因突变、染色体畸变等，可能引起遗传性疾病或癌症。
▮▮▮▮ⓔ 表观遗传改变 (Epigenetic Alterations)：毒物可以引起表观遗传修饰 (Epigenetic Modifications) 的改变，如 DNA 甲基化 (DNA Methylation)、组蛋白修饰 (Histone Modification)、非编码 RNA 调控异常等，影响基因表达，导致毒性效应。
▮▮▮▮ⓕ 炎症反应 (Inflammatory Response)：某些毒物可以激活免疫系统，诱发炎症反应，慢性炎症可能导致组织损伤和疾病。
▮▮▮▮ⓖ 免疫毒性 (Immunotoxicity)：毒物可以抑制或增强免疫系统功能，导致免疫功能紊乱，增加感染风险或自身免疫性疾病风险。
▮▮▮▮ⓗ 内分泌干扰 (Endocrine Disruption)：内分泌干扰物 (EDCs) 可以干扰内分泌系统功能，影响激素合成、分泌、转运、代谢和作用，导致生殖发育、神经系统、免疫系统等多种毒性效应。
理解毒性作用机制对于环境毒理学研究至关重要。通过深入研究毒性作用机制，可以更准确地评估环境健康风险，开发更有效的毒性检测方法，并为预防和治疗环境污染引起的疾病提供科学依据。
8.1.3 剂量-反应关系与毒性评价 (Dose-Response Relationship and Toxicity Assessment)
介绍剂量-反应关系的概念、类型、剂量-反应曲线，以及急性毒性、慢性毒性、致癌性、致畸性、致突变性等毒性评价指标和方法。
剂量-反应关系 (Dose-Response Relationship) 是毒理学 (Toxicology) 的核心概念之一，描述了生物体暴露于不同剂量 (Dose) 的毒物后，产生的生物学反应 (Response) 之间的关系。毒性评价 (Toxicity Assessment) 是基于剂量-反应关系，评估毒物对生物体潜在危害程度的过程。
① 剂量-反应关系的概念 (Concept of Dose-Response Relationship)
剂量-反应关系是指在一定范围内，生物体对毒物的反应强度或发生率，随毒物剂量增加而呈现规律性变化的现象。剂量是决定毒性效应大小的关键因素， “剂量决定毒性 (Dose makes the poison)” 是毒理学的重要原则。
② 剂量-反应关系的类型 (Types of Dose-Response Relationship)
剂量-反应关系可以根据反应的性质和特点，分为以下几种类型：
▮▮▮▮ⓐ 量反应 (Graded Response)：指反应的强度在一定范围内呈连续性变化的反应，如酶活性抑制率、血压变化幅度、体重减轻程度等。量反应的强度与剂量呈正相关，剂量越大，反应强度越强。
▮▮▮▮ⓑ 质反应 (Quantal Response)：指反应的性质为“有”或“无”的反应，如死亡、肿瘤发生、畸形发生等。质反应通常用发生率或概率来表示，剂量越大，发生率越高。
▮▮▮▮ⓒ 阈值剂量 (Threshold Dose)：对于某些毒物，在一定剂量范围内，生物体不表现出明显的毒性效应，只有当剂量超过某一特定值时，才开始出现毒性效应。这个特定值称为阈值剂量。阈值剂量是传统毒理学的重要概念，认为存在一个“安全剂量” (Safe Dose) 或“容许剂量” (Tolerable Dose) 。但对于某些毒性效应，如致癌性、内分泌干扰效应等，可能不存在明显的阈值剂量，即使极低剂量也可能产生效应，即“无阈值效应” (Non-threshold Effect)。
▮▮▮▮ⓓ 非线性剂量-反应关系 (Non-linear Dose-Response Relationship)：在剂量-反应曲线中，反应与剂量之间不是简单的线性关系，而是呈现曲线变化。大多数毒物的剂量-反应关系是非线性的，可能呈现 S 形曲线、U 形曲线、倒 U 形曲线等。
▮▮▮▮ⓔ U 形剂量-反应关系 (U-shaped Dose-Response Relationship)：某些物质，如必需营养素、内源性激素等，在剂量过低或过高时，都可能产生不良效应，而在适宜剂量范围内，则对生物体有益。这种剂量-反应关系呈现 U 形曲线。例如，维生素 A 缺乏或过量都可能对健康有害，适量补充则有益健康。
▮▮▮▮ⓕ 激素兴奋效应 (Hormesis)：指某些毒物在极低剂量时，反而表现出刺激生物生长或增强生物功能的效应，而在较高剂量时则表现出抑制或毒性效应。这种剂量-反应关系呈现倒 U 形曲线。激素兴奋效应在环境毒理学中受到越来越多的关注，特别是对于内分泌干扰物等低剂量效应的研究。
③ 剂量-反应曲线 (Dose-Response Curve)
剂量-反应曲线是以剂量为横坐标，反应强度或发生率为纵坐标绘制的曲线，直观地反映了剂量-反应关系。剂量-反应曲线是毒性评价的重要工具，可以用于：
▮▮▮▮ⓐ 确定毒性强度 (Determining Toxicity Potency)：剂量-反应曲线越陡峭，表示毒物的毒性越强；曲线越平缓，表示毒性越弱。
▮▮▮▮ⓑ 估算毒性参数 (Estimating Toxicity Parameters)：通过剂量-反应曲线，可以估算各种毒性参数，如 LD50、EC50 (半数效应浓度, Median Effective Concentration)、NOAEL、LOAEL 等。
▮▮▮▮ⓒ 预测安全剂量 (Predicting Safe Dose)：基于剂量-反应曲线，可以外推预测安全剂量或容许剂量，为风险评估和标准制定提供依据。
④ 毒性评价指标与方法 (Toxicity Assessment Indicators and Methods)
毒性评价旨在全面、系统地评估毒物对生物体的潜在危害。根据毒性效应的性质和特点，毒性评价可以分为多种类型，常用的毒性评价指标和方法包括：
▮▮▮▮ⓐ 急性毒性 (Acute Toxicity)：指生物体一次或短期内（通常为 24 小时或更短时间）暴露于高剂量毒物后，在短时间内（通常为 14 天）表现出的毒性效应。急性毒性评价主要用于确定毒物的急性毒性强度，常用的指标是 LD50 (半数致死剂量) 和 LC50 (半数致死浓度, Median Lethal Concentration)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ LD50 (半数致死剂量)：指在规定时间内，使受试动物死亡率达到 50% 的毒物剂量。LD50 值越小，表示毒物的急性毒性越强。LD50 通常以 mg/kg 体重表示。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ LC50 (半数致死浓度)：指在规定时间内，使水生生物或其他受试生物死亡率达到 50% 的毒物浓度。LC50 通常以 mg/L 或 μg/L 表示。
▮▮▮▮ⓑ 慢性毒性 (Chronic Toxicity)：指生物体长期（通常为数月或数年）暴露于低剂量毒物后，逐渐表现出的毒性效应。慢性毒性评价主要用于评估毒物的长期危害，常用的指标包括 NOAEL (未观察到有害作用剂量) 和 LOAEL (最低观察到有害作用剂量)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ NOAEL (未观察到有害作用剂量)：指在实验观察范围内，未观察到与暴露相关的有害作用的最高剂量。NOAEL 常被用作安全剂量或容许剂量的基础。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ LOAEL (最低观察到有害作用剂量)：指在实验观察范围内，观察到与暴露相关的有害作用的最低剂量。
▮▮▮▮ⓒ 致癌性 (Carcinogenicity)：指毒物诱发癌症的能力。致癌性评价是毒理学的重要内容，常用的方法包括动物致癌实验、体外细胞转化实验、基因毒性实验等。
▮▮▮▮ⓓ 致畸性 (Teratogenicity)：指毒物导致胎儿或后代发生结构或功能畸形的能力。致畸性评价主要关注妊娠期暴露对后代发育的影响，常用的方法包括动物生殖毒性实验、胚胎干细胞毒性实验等。
▮▮▮▮ⓔ 致突变性 (Mutagenicity)：指毒物诱发基因突变或染色体畸变的能力。致突变性评价主要用于评估毒物的遗传毒性，常用的方法包括 Ames 试验 (细菌回复突变试验, Bacterial Reverse Mutation Assay)、染色体畸变试验、微核试验等。
▮▮▮▮ⓕ 神经毒性 (Neurotoxicity)：指毒物对神经系统产生的毒性效应，包括神经行为改变、神经病理损伤、神经递质系统紊乱等。神经毒性评价常用的方法包括神经行为学测试、神经病理学检查、神经电生理学检测等。
▮▮▮▮ⓖ 免疫毒性 (Immunotoxicity)：指毒物对免疫系统产生的毒性效应，包括免疫抑制、免疫增强、自身免疫反应等。免疫毒性评价常用的方法包括免疫功能测试、免疫细胞分析、细胞因子检测等。
▮▮▮▮ⓗ 内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption)：指毒物干扰内分泌系统功能的能力。内分泌干扰效应评价主要关注毒物对激素合成、分泌、转运、代谢和作用的影响，常用的方法包括受体结合试验、体内激素水平测定、生殖发育毒性实验等。
▮▮▮▮ⓘ 体外毒性试验 (In Vitro Toxicity Tests)：利用细胞、组织、器官等体外模型，进行毒性评价的方法。体外毒性试验具有快速、经济、高通量、减少动物使用等优点，在毒性筛选、机制研究和替代动物实验方面发挥重要作用。
▮▮▮▮ⓙ 计算毒理学 (Computational Toxicology)：利用计算机技术和数学模型，预测毒物毒性、研究毒性机制的方法。计算毒理学可以加速毒性评价过程，降低实验成本，并为毒性机制研究提供新的思路。
毒性评价是环境毒理学研究的重要组成部分，为环境健康风险评估、环境标准制定和污染控制管理提供科学依据。随着科学技术的不断发展，毒性评价方法也在不断创新和完善，朝着更快速、更灵敏、更全面、更经济的方向发展。
8.2 生态毒理学 (Ecotoxicology)
介绍生态毒理学的定义、研究范畴、生态毒性效应、生态风险评估与管理。
8.2.1 生态毒理学的定义与范畴 (Definition and Scope of Ecotoxicology)
明确生态毒理学的定义，阐述其研究对象、研究内容和学科特点，以及在生态环境保护中的作用。
生态毒理学是一门研究环境污染物对生态系统及其组成部分产生有害效应及其机制的学科。它是毒理学 (Toxicology) 在生态学 (Ecology) 领域的延伸和发展，旨在揭示污染物对生态环境的危害，为生态环境保护和可持续发展提供科学依据。
① 生态毒理学的定义 (Definition of Ecotoxicology)
生态毒理学可以定义为：研究污染物对生态系统结构和功能、生物种群、群落以及个体生物产生有害效应的学科。它关注污染物在生态系统中的行为、生物有效性、生态毒性效应及其机制，以及生态风险评估和管理。
② 生态毒理学的研究对象 (Research Objects of Ecotoxicology)
生态毒理学的研究对象主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 环境污染物 (Environmental Pollutants)：与环境毒理学类似，生态毒理学也关注各种环境污染物，包括化学污染物、物理污染物和生物污染物。但生态毒理学更侧重于研究那些对生态系统具有显著影响的污染物，如持久性有机污染物 (POPs)、重金属 (Heavy Metals)、农药 (Pesticides)、营养盐 (Nutrients)、酸雨 (Acid Rain)、温室气体 (Greenhouse Gases) 等。
▮▮▮▮ⓑ 生态系统及其组成部分 (Ecosystems and their Components)：生态毒理学的研究对象涵盖生态系统的各个层次，从个体生物 (Individual Organisms)、种群 (Populations)、生物群落 (Communities) 到整个生态系统 (Ecosystems)。研究对象包括各种生物类群，如植物 (Plants)、动物 (Animals)、微生物 (Microorganisms) 等，以及生态系统的非生物组分，如土壤 (Soil)、水体 (Water Bodies)、大气 (Atmosphere) 等。
▮▮▮▮ⓒ 生态毒性效应 (Ecotoxic Effects)：指污染物对生态系统及其组成部分产生的各种有害影响，包括个体生物的生理生化改变、种群数量和结构变化、群落组成和功能改变、生态系统结构和功能破坏等。生态毒性效应具有层次性和复杂性，需要从生态系统的整体角度进行研究。
③ 生态毒理学的研究内容 (Research Contents of Ecotoxicology)
生态毒理学的研究内容主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 污染物在生态系统中的行为与归趋 (Behavior and Fate of Pollutants in Ecosystems)：研究污染物在生态系统中的迁移、转化、积累和降解过程，了解污染物在不同环境介质和生物体之间的分配和循环规律。
▮▮▮▮ⓑ 污染物的生物有效性 (Bioavailability of Pollutants)：研究污染物在生态系统中被生物体吸收、利用和产生效应的程度。生物有效性受污染物形态、环境条件和生物体生理状态等多种因素影响。
▮▮▮▮ⓒ 生态毒性效应的类型与机制 (Types and Mechanisms of Ecotoxic Effects)：研究污染物对生态系统不同层次产生的毒性效应，揭示生态毒性效应的发生机制，包括分子机制、细胞机制、生理机制、种群机制、群落机制和生态系统机制等。
▮▮▮▮ⓓ 生态毒性评价方法与指标 (Ecotoxicity Assessment Methods and Indicators)：开发和应用各种生态毒性评价方法，包括单物种毒性试验 (Single-Species Toxicity Tests)、多物种毒性试验 (Multi-Species Toxicity Tests)、微宇宙试验 (Microcosm Tests)、中宇宙试验 (Mesocosm Tests)、野外调查与监测 (Field Surveys and Monitoring) 等，确定生态毒性评价指标，如生长抑制率、繁殖力下降、种群密度变化、群落结构改变、生态系统功能紊乱等。
▮▮▮▮ⓔ 生态风险评估与管理 (Ecological Risk Assessment and Management)：基于生态毒性评价和暴露评估，进行生态风险评估，预测污染物对生态系统可能造成的危害，并提出生态风险管理策略，为生态环境保护和管理提供科学支持。
▮▮▮▮ⓕ 生态修复与生态恢复 (Ecological Remediation and Ecological Restoration)：研究污染生态系统的修复技术和生态恢复策略，促进受损生态系统的恢复和重建。
④ 生态毒理学的学科特点 (Characteristics of Ecotoxicology)
▮▮▮▮ⓐ 生态学视角 (Ecological Perspective)：生态毒理学从生态系统的整体角度研究污染物的影响，关注污染物对生态系统结构和功能的长期、累积效应，以及生态系统各组分之间的相互作用。
▮▮▮▮ⓑ 层次性与复杂性 (Hierarchical and Complex)：生态毒性效应具有层次性，从个体生物到生态系统，不同层次的效应表现不同，机制也更加复杂。生态系统本身就是一个复杂的系统，污染物的影响往往是多因素、多途径、多层次的。
▮▮▮▮ⓒ 长期性与累积性 (Long-term and Cumulative)：许多生态毒性效应是长期、慢性暴露的结果，具有累积性，需要长期监测和研究才能显现。
▮▮▮▮ⓓ 环境相关性 (Environmentally Relevant)：生态毒理学研究强调环境相关性，关注污染物在实际环境条件下的行为和效应，研究结果更贴近实际生态环境问题。
▮▮▮▮ⓔ 保护生态系统健康 (Protecting Ecosystem Health)：生态毒理学的最终目标是保护生态系统健康和生态服务功能，维护生物多样性，实现生态可持续发展。
⑤ 生态毒理学在生态环境保护中的作用 (Role of Ecotoxicology in Ecological Environmental Protection)
▮▮▮▮ⓐ 识别和评估生态风险 (Identification and Assessment of Ecological Risks)：生态毒理学通过研究污染物的生态毒性，识别潜在的生态风险，评估污染物对生态系统可能造成的危害程度。
▮▮▮▮ⓑ 为生态环境标准制定提供科学依据 (Providing Scientific Basis for Ecological Environmental Standard Setting)：生态毒理学研究的生态毒性数据，是制定生态环境质量标准、污染物排放标准和生态风险控制指标的重要科学依据。
▮▮▮▮ⓒ 指导生态环境保护和管理 (Guiding Ecological Environmental Protection and Management)：生态毒理学研究揭示的生态毒性机制和风险评估结果，可以为生态环境保护规划、污染控制措施制定和生态环境管理政策实施提供科学指导。
▮▮▮▮ⓓ 促进生态修复和生态恢复 (Promoting Ecological Remediation and Ecological Restoration)：生态毒理学研究成果可以为污染生态系统的修复技术研发和生态恢复策略制定提供科学支持，促进受损生态系统的恢复和重建。
总而言之，生态毒理学是生态环境保护领域的核心学科之一，它通过深入研究污染物对生态系统的毒性作用，为生态环境保护决策提供科学支撑，为维护生态系统健康和实现可持续发展做出重要贡献。
8.2.2 生态毒性效应 (Ecotoxic Effects)
讲解污染物对个体、种群、群落、生态系统等不同生态层次的毒性效应，如生物富集、生物放大、生态系统结构和功能改变等。
生态毒性效应 (Ecotoxic Effects) 是指污染物对生态系统及其组成部分产生的各种有害影响。生态毒性效应具有层次性，可以从个体生物、种群、群落到生态系统等不同生态层次进行研究。
① 个体水平的生态毒性效应 (Ecotoxic Effects at the Individual Level)
污染物对个体生物产生的毒性效应，主要包括生理、生化、行为等方面的改变：
▮▮▮▮ⓐ 生理毒性效应 (Physiological Toxic Effects)：污染物可能影响个体生物的生长发育、繁殖、免疫、内分泌等生理功能。例如，污染物可能抑制植物生长、降低动物繁殖力、损害免疫系统、干扰内分泌系统等。
▮▮▮▮ⓑ 生化毒性效应 (Biochemical Toxic Effects)：污染物可能干扰个体生物的生化代谢过程，如酶活性抑制、氧化应激、能量代谢紊乱、DNA 损伤等。例如，重金属可能抑制酶活性，有机污染物可能诱导氧化应激，农药可能干扰神经递质系统。
▮▮▮▮ⓒ 行为毒性效应 (Behavioral Toxic Effects)：污染物可能改变个体生物的行为模式，如觅食行为、逃避行为、社会行为、繁殖行为等。行为改变可能影响个体生物的生存和繁殖，进而影响种群和群落。例如，农药可能影响昆虫的飞行和觅食行为，重金属可能影响鱼类的游泳和逃避行为。
② 种群水平的生态毒性效应 (Ecotoxic Effects at the Population Level)
污染物对种群产生的毒性效应，主要表现为种群数量、结构和动态的变化：
▮▮▮▮ⓐ 种群数量下降 (Population Decline)：污染物可能导致种群死亡率升高、出生率降低，从而导致种群数量下降。种群数量下降可能威胁物种生存，甚至导致物种灭绝。
▮▮▮▮ⓑ 种群结构改变 (Population Structure Change)：污染物可能影响种群的年龄结构、性别比例、遗传多样性等，导致种群结构失衡。例如，内分泌干扰物可能导致鱼类性别比例失调，农药可能选择性杀死某些年龄段的个体。
▮▮▮▮ⓒ 种群动态变化 (Population Dynamics Change)：污染物可能改变种群的增长率、波动幅度、周期性变化等动态特征，影响种群的稳定性和可持续性。
③ 群落水平的生态毒性效应 (Ecotoxic Effects at the Community Level)
污染物对生物群落产生的毒性效应，主要表现为群落组成、结构和功能的变化：
▮▮▮▮ⓐ 群落组成改变 (Community Composition Change)：污染物可能导致群落中某些物种消失或数量减少，另一些物种数量增加或入侵，从而改变群落的物种组成和多样性。例如，酸雨可能导致湖泊中对酸敏感的鱼类和水生昆虫消失，耐酸藻类和微生物增加。
▮▮▮▮ⓑ 群落结构改变 (Community Structure Change)：污染物可能影响群落的营养结构、功能群结构、空间结构等，导致群落结构简化或复杂化。例如，富营养化可能导致水生群落中藻类大量繁殖，浮游动物和鱼类群落结构改变。
▮▮▮▮ⓒ 群落功能改变 (Community Function Change)：污染物可能影响群落的生态功能，如初级生产力、分解速率、养分循环、能量流动等。群落功能改变可能影响生态系统的稳定性和服务功能。例如，重金属污染可能抑制土壤微生物活性，降低土壤分解速率和养分循环效率。
④ 生态系统水平的生态毒性效应 (Ecotoxic Effects at the Ecosystem Level)
污染物对生态系统产生的毒性效应，主要表现为生态系统结构和功能的整体性变化：
▮▮▮▮ⓐ 生态系统结构破坏 (Ecosystem Structure Disruption)：污染物可能破坏生态系统的食物网结构、营养级结构、空间结构等，导致生态系统结构简化或紊乱。例如，森林砍伐和污染可能导致森林生态系统结构破坏，生物多样性丧失。
▮▮▮▮ⓑ 生态系统功能紊乱 (Ecosystem Function Disorder)：污染物可能干扰生态系统的物质循环、能量流动、信息传递等功能，导致生态系统功能紊乱或退化。例如，温室气体排放导致全球气候变化，影响全球生态系统的功能和稳定性。
▮▮▮▮ⓒ 生态系统服务功能丧失 (Loss of Ecosystem Services)：生态系统服务功能是指生态系统为人类提供的各种有益服务，如清洁空气和水、食物和纤维、气候调节、文化娱乐等。污染物可能导致生态系统服务功能丧失或下降，影响人类福祉。例如，水污染可能导致饮用水源地水质下降，湿地破坏可能导致洪水调蓄功能丧失。
⑤ 重要的生态毒性效应类型 (Important Types of Ecotoxic Effects)
▮▮▮▮ⓐ 生物富集 (Bioaccumulation)：指生物体从环境介质（如水、土壤、空气）或食物中吸收污染物，导致体内污染物浓度高于环境浓度的现象。生物富集是脂溶性、难降解污染物的重要特征，如持久性有机污染物 (POPs)、重金属等。
▮▮▮▮ⓑ 生物放大 (Biomagnification)：也称食物链放大 (Food Chain Magnification)，指污染物在食物链中逐级传递和积累，导致高营养级生物体内污染物浓度高于低营养级生物的现象。生物放大是生物富集的进一步发展，可能导致食物链顶端生物（如猛禽、大型肉食动物）体内污染物浓度达到极高水平，产生严重的毒性效应。典型的生物放大污染物包括 DDT、甲基汞 (Methylmercury) 等。
▮▮▮▮ⓒ 内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption)：某些污染物，如内分泌干扰物 (EDCs)，可以干扰野生动物的内分泌系统功能，影响激素合成、分泌、转运、代谢和作用，导致生殖发育、免疫、神经等多种生态毒性效应。野生动物的内分泌干扰效应受到越来越多的关注，如鱼类雌性化、鸟类繁殖力下降、爬行动物性别比例失调等。
▮▮▮▮ⓓ 生态系统富营养化 (Eutrophication)：指水体中氮、磷等营养盐浓度过高，导致藻类和浮游植物过度繁殖，水质恶化，溶解氧下降，水生生物死亡的现象。富营养化是水体污染的重要类型，主要由农业径流、生活污水和工业废水排放引起。
▮▮▮▮ⓔ 酸化 (Acidification)：指环境酸化，如酸雨、土壤酸化、水体酸化等。酸化主要由大气污染物（如二氧化硫、氮氧化物）排放引起，可能导致森林衰退、湖泊酸化、土壤肥力下降、生物多样性丧失等生态毒性效应。
▮▮▮▮ⓕ 臭氧层破坏 (Ozone Layer Depletion)：指平流层臭氧层浓度下降，导致紫外线辐射增强的现象。臭氧层破坏主要由人类活动排放的消耗臭氧层物质 (Ozone Depleting Substances, ODSs)，如氯氟烃 (Chlorofluorocarbons, CFCs) 引起，可能导致植物生长受抑制、动物免疫力下降、皮肤癌发病率升高、生态系统生产力下降等生态毒性效应。
理解生态毒性效应的类型和机制，对于评估生态风险、制定生态环境保护措施至关重要。生态毒性效应研究需要从生态系统的整体角度出发，综合考虑污染物在生态系统中的行为、生物有效性和生态毒性效应，才能更全面、准确地评估污染物对生态环境的危害。
8.2.3 生态风险评估与管理 (Ecological Risk Assessment and Management)
介绍生态风险评估的概念、步骤（问题界定、分析阶段、风险表征、风险管理），以及生态风险管理策略。
生态风险评估 (Ecological Risk Assessment, ERA) 是指评估污染物或其他环境压力因子对生态系统或其组成部分可能造成的负面影响的科学过程。生态风险管理 (Ecological Risk Management, ERM) 是指在生态风险评估的基础上，制定和实施降低或消除生态风险的策略和措施。生态风险评估与管理是生态毒理学的重要应用领域，为生态环境保护决策提供科学依据。
① 生态风险评估的概念 (Concept of Ecological Risk Assessment)
生态风险评估是一个结构化的科学过程，旨在系统地识别、评估和表征污染物或其他环境压力因子对生态系统可能造成的负面影响。生态风险评估的目标是为决策者提供关于生态风险的信息，以便制定合理的风险管理策略。
② 生态风险评估的步骤 (Steps of Ecological Risk Assessment)
生态风险评估通常包括以下四个主要步骤：
▮▮▮▮ⓐ 问题界定 (Problem Formulation)：是生态风险评估的第一步，旨在明确评估的目的、范围、评估对象、环境压力因子、受体 (Receptor) 和评估终点 (Assessment Endpoint)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 评估目的 (Purpose of Assessment)：明确生态风险评估要解决的具体问题，如评估某种污染物对特定生态系统的风险，为制定污染控制措施提供依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 评估范围 (Scope of Assessment)：确定生态风险评估的空间范围（如特定区域、流域、生态系统）和时间范围（如短期、长期）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 评估对象 (Assessment Object)：确定生态风险评估的具体对象，如特定物种、种群、群落、生态系统或生态服务功能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 环境压力因子 (Environmental Stressor)：识别和描述可能对评估对象产生负面影响的环境压力因子，通常是污染物，也可能是物理干扰（如栖息地破坏、气候变化）或生物干扰（如外来物种入侵）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 受体 (Receptor)：识别和描述可能受到环境压力因子影响的生物或生态系统组分，如特定物种、功能群、生态系统过程。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 评估终点 (Assessment Endpoint)：明确生态风险评估的具体指标，是受体受到环境压力因子影响后可能发生的、可测量的生态学变化。评估终点应具有生态学意义、社会价值和可操作性。例如，鱼类种群数量下降、湿地功能丧失、生物多样性降低等。
▮▮▮▮ⓑ 分析阶段 (Analysis Phase)：是生态风险评估的核心步骤，包括暴露评估 (Exposure Assessment) 和效应评估 (Effects Assessment)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 暴露评估 (Exposure Assessment)：旨在描述受体暴露于环境压力因子的途径、强度、频率和持续时间。暴露评估需要收集和分析环境监测数据、污染物排放数据、环境模型模拟结果等，确定受体的暴露途径（如食物链、水体、土壤）、暴露浓度、暴露频率和持续时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 效应评估 (Effects Assessment)：旨在评估环境压力因子对受体可能产生的生态毒性效应，建立剂量-反应关系或浓度-效应关系。效应评估需要收集和分析生态毒理学数据，如单物种毒性试验、多物种毒性试验、野外调查数据等，确定环境压力因子对受体的毒性强度、效应类型和效应阈值。
▮▮▮▮ⓒ 风险表征 (Risk Characterization)：是将暴露评估和效应评估的结果整合，定量或定性地描述生态风险的特征和程度。风险表征通常采用风险商 (Risk Quotient, RQ) 或概率风险评估 (Probabilistic Risk Assessment) 等方法。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 风险商法 (Risk Quotient Method)：将预测的环境暴露浓度 (Predicted Environmental Concentration, PEC) 与预测的无效应浓度 (Predicted No Effect Concentration, PNEC) 进行比较，计算风险商 RQ = PEC/PNEC。RQ > 1 表示存在潜在的生态风险，RQ 值越大，风险越高；RQ ≤ 1 表示风险较低或可接受。PNEC 通常基于毒性试验数据，如 NOEC (未观察到效应浓度, No Observed Effect Concentration) 或 EC50，并考虑安全系数 (Assessment Factor) 进行估算。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 概率风险评估 (Probabilistic Risk Assessment)：利用概率统计方法，综合考虑暴露和效应的不确定性，定量评估生态风险的概率分布。概率风险评估可以更全面、准确地表征生态风险，但需要更多的数据和复杂的模型。
▮▮▮▮ⓓ 风险管理 (Risk Management)：是生态风险评估的最后一步，旨在基于风险表征的结果，制定和实施降低或消除生态风险的策略和措施。风险管理是一个决策过程，需要综合考虑生态风险、经济成本、社会效益、技术可行性等因素。
③ 生态风险管理策略 (Ecological Risk Management Strategies)
生态风险管理策略可以分为以下几类：
▮▮▮▮ⓐ 预防策略 (Prevention Strategies)：从源头控制生态风险，如减少污染物排放、推广清洁生产技术、限制有害物质使用、保护自然栖息地等。预防策略是最根本、最有效的风险管理方法。
▮▮▮▮ⓑ 控制策略 (Control Strategies)：降低已存在的生态风险，如污染治理、生态修复、栖息地恢复、外来物种控制等。控制策略适用于已发生或正在发生的生态风险。
▮▮▮▮ⓒ 适应策略 (Adaptation Strategies)：适应不可避免的生态风险，如气候变化适应、生物多样性保护、生态系统管理等。适应策略适用于难以预防或控制的长期、 глобальные 风险。
▮▮▮▮ⓓ 应急策略 (Emergency Strategies)：应对突发性生态风险事件，如环境污染事故、自然灾害等。应急策略包括应急预案制定、应急响应措施、灾后恢复等。
生态风险管理是一个持续改进的过程，需要不断监测、评估和调整风险管理策略，以适应环境变化和新的风险挑战。有效的生态风险管理需要科学的风险评估、合理的风险决策、有效的风险沟通和公众参与，共同保护生态环境，实现可持续发展。
8.3 环境污染物毒性案例分析 (Case Studies of Environmental Pollutant Toxicity)
选择典型环境污染物（如重金属、持久性有机污染物、农药、新兴污染物），分析其毒性作用机制、环境效应和生态风险。
8.3.1 重金属的毒性案例分析 (Case Studies of Heavy Metal Toxicity)
以汞 (Mercury, Hg)、镉 (Cadmium, Cd)、铅 (Lead, Pb)、砷 (Arsenic, As) 等重金属为例，分析其毒性作用机制、环境污染案例和生态风险。
重金属 (Heavy Metals) 是指密度大于 4.5 g/cm³ 的金属元素，通常包括汞、镉、铅、砷、铬 (Chromium, Cr)、铜 (Copper, Cu)、锌 (Zinc, Zn)、镍 (Nickel, Ni) 等。重金属广泛存在于环境中，既有天然来源（如地质风化、火山爆发），也有人为来源（如工业排放、农业活动、交通运输）。由于其持久性、生物富集性和毒性，重金属污染已成为全球性的环境问题。
① 汞 (Mercury, Hg)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：汞主要以甲基汞 (Methylmercury, MeHg) 的形式在生物体内富集和放大，具有极强的神经毒性 (Neurotoxicity)。甲基汞可以穿过血脑屏障 (Blood-Brain Barrier) 和胎盘屏障 (Placental Barrier)，损害中枢神经系统 (Central Nervous System, CNS) 和发育神经系统。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 与巯基 (-SH) 结合 (Binding to Sulfhydryl Groups)：汞离子 (Hg²⁺) 和甲基汞具有很强的亲硫性，可以与蛋白质和酶中的巯基结合，导致蛋白质变性和酶活性抑制。神经系统中许多酶，如谷胱甘肽过氧化物酶 (Glutathione Peroxidase, GPx)、过氧化氢酶 (Catalase, CAT)、超氧化物歧化酶 (Superoxide Dismutase, SOD) 等，都含有巯基，易受汞的抑制，导致氧化应激和神经损伤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 钙离子通道干扰 (Interference with Calcium Ion Channels)：甲基汞可以干扰神经细胞的钙离子通道功能，影响神经递质释放和神经信号传递。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 线粒体功能障碍 (Mitochondrial Dysfunction)：汞可以损害线粒体功能，抑制线粒体呼吸链酶活性，导致能量代谢障碍和细胞凋亡。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 水俣病 (Minamata Disease)：20 世纪 50-60 年代，日本水俣湾地区爆发了震惊世界的水俣病事件。当地居民长期食用被甲基汞污染的鱼贝类，导致甲基汞中毒。患者出现神经系统症状，如感觉障碍、运动失调、语言障碍、智力下降、甚至死亡。水俣病是典型的甲基汞食物链放大和神经毒性案例。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 金矿开采汞污染 (Mercury Pollution from Gold Mining)：全球小规模金矿开采 (Artisanal and Small-Scale Gold Mining, ASGM) 是人为汞排放的重要来源。金矿开采过程中使用汞进行金的提取，造成汞污染。汞通过大气沉降、水体径流等途径进入环境，威胁人类健康和生态系统。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：汞污染对水生生态系统和陆地生态系统都构成严重风险。甲基汞在水生食物链中放大，威胁鱼类、鸟类、哺乳动物等高营养级生物。汞污染还可能影响植物生长、土壤微生物活性和生态系统功能。
② 镉 (Cadmium, Cd)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：镉主要通过消化道和呼吸道进入人体，在肾脏、肝脏、骨骼等器官富集，具有肾毒性 (Nephrotoxicity)、骨毒性 (Osteotoxicity) 和致癌性 (Carcinogenicity)。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 钙离子竞争 (Calcium Ion Competition)：镉离子 (Cd²⁺) 可以与钙离子 (Ca²⁺) 竞争，干扰钙离子在生物体内的正常生理功能，如骨骼代谢、神经信号传递、肌肉收缩等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 氧化应激 (Oxidative Stress)：镉可以诱导氧化应激，产生过量的活性氧 (ROS)，损伤细胞内的生物大分子，导致细胞损伤和凋亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 金属硫蛋白诱导 (Metallothionein Induction)：镉可以诱导金属硫蛋白 (Metallothionein, MT) 的合成。MT 是一种富含巯基的蛋白质，可以结合镉，起到一定的解毒作用。但长期暴露于镉，MT 的过度诱导也可能导致镉在肾脏等器官的积累，加重肾毒性。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 痛痛病 (Itai-Itai Disease)：20 世纪初，日本富山县神通川流域爆发了痛痛病事件。当地居民长期饮用和食用被镉污染的水稻，导致镉中毒。患者出现骨骼疼痛、骨质疏松、肾功能衰竭等症状，疼痛剧烈，故称为痛痛病。痛痛病是典型的镉污染和骨毒性案例。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 工业镉排放污染 (Cadmium Pollution from Industrial Emissions)：工业生产，如有色金属冶炼、电池制造、颜料生产等，是镉排放的重要来源。工业镉排放可能污染大气、水体和土壤，威胁人类健康和生态环境。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：镉污染对陆地生态系统和水生生态系统都构成风险。镉在土壤中积累，可能被植物吸收，通过食物链进入动物体内。镉对植物生长有抑制作用，对水生生物具有急性毒性和慢性毒性。
③ 铅 (Lead, Pb)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：铅主要通过呼吸道和消化道进入人体，在骨骼、血液、神经系统等组织器官富集，具有神经毒性 (Neurotoxicity)、血液毒性 (Hematotoxicity) 和发育毒性 (Developmental Toxicity)。儿童对铅的毒性更敏感。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 酶抑制 (Enzyme Inhibition)：铅离子 (Pb²⁺) 可以抑制多种酶的活性，如 δ-氨基-γ-酮戊酸脱水酶 (δ-Aminolevulinic Acid Dehydratase, ALAD)、铁螯合酶 (Ferrochelatase) 等，干扰血红素合成，导致贫血。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 钙离子通道干扰 (Interference with Calcium Ion Channels)：铅可以干扰钙离子通道功能，影响神经递质释放和神经信号传递，导致神经毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 氧化应激 (Oxidative Stress)：铅可以诱导氧化应激，损伤神经细胞和血管内皮细胞，导致神经损伤和心血管疾病。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 儿童铅中毒 (Childhood Lead Poisoning)：儿童对铅的吸收率高于成人，且神经系统发育尚未成熟，对铅毒性更敏感。儿童铅中毒主要来源于含铅油漆、含铅汽油、含铅水管、铅污染土壤等。儿童铅中毒可能导致智力下降、行为障碍、发育迟缓等神经发育毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 含铅汽油污染 (Lead Pollution from Leaded Gasoline)：20 世纪，含铅汽油的使用是大气铅污染的主要来源。汽车尾气排放的铅颗粒污染大气和土壤，威胁人群健康。随着无铅汽油的推广使用，大气铅污染得到有效控制。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：铅污染对陆地生态系统和城市生态系统都构成风险。铅在土壤中积累，可能被植物吸收，通过食物链进入动物体内。铅对植物生长有抑制作用，对野生动物具有神经毒性和生殖毒性。城市环境中，铅污染可能影响土壤动物、鸟类和小型哺乳动物。
④ 砷 (Arsenic, As)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：砷主要以无机砷 (Inorganic Arsenic, iAs) 的形式存在，包括三价砷 (Arsenite, As³⁺) 和五价砷 (Arsenate, As⁵⁺)。无机砷具有极强的毒性，是人类已知的致癌物 (Carcinogen)。砷主要通过饮水和食物进入人体，具有肝毒性 (Hepatotoxicity)、皮肤毒性 (Dermatotoxicity)、神经毒性 (Neurotoxicity) 和致癌性。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 酶抑制 (Enzyme Inhibition)：三价砷 (As³⁺) 可以与酶中的巯基结合，抑制酶活性，特别是丙酮酸脱氢酶 (Pyruvate Dehydrogenase, PDH) 和 α-酮戊二酸脱氢酶 (α-Ketoglutarate Dehydrogenase, α-KGDH) 等能量代谢关键酶，导致能量代谢障碍。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 氧化应激 (Oxidative Stress)：砷可以诱导氧化应激，产生过量的活性氧 (ROS)，损伤细胞内的生物大分子，导致细胞损伤和凋亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ DNA 损伤 (DNA Damage)：砷可以引起 DNA 损伤，包括 DNA 链断裂、DNA 加合物形成、碱基修饰等，导致基因突变和染色体畸变，诱发癌症。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 饮用水砷污染 (Arsenic Contamination in Drinking Water)：全球许多地区存在饮用水砷污染问题，特别是亚洲、拉丁美洲和非洲的一些国家。地下水砷污染主要来源于地质背景，如含砷矿物溶解。长期饮用高砷水可能导致慢性砷中毒，引起皮肤病变、心血管疾病、神经系统疾病和癌症。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 燃煤型砷中毒 (Arsenic Poisoning from Coal Burning)：中国贵州省燃煤污染型砷中毒事件是典型的燃煤砷污染案例。当地居民长期燃烧高砷煤，导致室内空气和食物砷污染，引起慢性砷中毒，出现皮肤癌、肺癌等疾病。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：砷污染对陆地生态系统和水生生态系统都构成风险。砷在土壤中积累，可能被植物吸收，通过食物链进入动物体内。砷对植物生长有抑制作用，对水生生物具有急性毒性和慢性毒性。砷污染还可能影响土壤微生物群落结构和功能。
重金属污染是复杂而严峻的环境问题，需要从源头控制重金属排放，加强环境监测和风险评估，开展污染场地修复和生态恢复，共同应对重金属污染带来的挑战。
8.3.2 持久性有机污染物 (POPs) 的毒性案例分析 (Case Studies of Persistent Organic Pollutants (POPs) Toxicity)
以滴滴涕 (DDT)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英 (Dioxins) 等 POPs 为例，分析其毒性作用机制、环境污染案例和生态风险。
持久性有机污染物 (Persistent Organic Pollutants, POPs) 是一类具有持久性 (Persistence)、生物富集性 (Bioaccumulation)、长距离迁移性 (Long-range Transport) 和高毒性 (Toxicity) 的有机污染物。POPs 广泛存在于环境中，对人类健康和生态环境构成严重威胁。斯德哥尔摩公约 (Stockholm Convention) 列出了首批 12 种 POPs，称为“Dirty Dozen”，包括农药类 (如 DDT、氯丹 (Chlordane)、灭蚁灵 (Mirex))、工业化学品类 (如多氯联苯 (PCBs)) 和副产物类 (如二噁英 (Dioxins)、呋喃 (Furans))。
① 滴滴涕 (DDT, Dichlorodiphenyltrichloroethane)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：DDT 是一种有机氯农药，具有神经毒性 (Neurotoxicity) 和内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption)。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 钠离子通道干扰 (Interference with Sodium Ion Channels)：DDT 可以干扰神经细胞膜钠离子通道的关闭，导致神经细胞持续兴奋，引起神经毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 内分泌干扰 (Endocrine Disruption)：DDT 及其代谢产物 DDE (Dichlorodiphenyldichloroethylene) 具有雌激素样活性 (Estrogenic Activity) 和抗雄激素活性 (Anti-androgenic Activity)，可以干扰内分泌系统功能，影响生殖发育。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ DDT 农药广泛使用 (Widespread Use of DDT Pesticide)：DDT 曾被广泛用于农业生产和疾病媒介控制，如疟疾防治。DDT 的大量使用导致全球范围的环境污染，土壤、水体、大气、生物体中都检测到 DDT 残留。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 鸟类蛋壳变薄 (Eggshell Thinning in Birds)：DDT 及其代谢产物 DDE 在鸟类体内富集，干扰钙代谢，导致鸟类蛋壳变薄，易于破裂，繁殖失败。猛禽，如游隼 (Peregrine Falcon)、秃鹰 (Bald Eagle) 等，受 DDT 影响尤为严重，种群数量大幅下降。鸟类蛋壳变薄是 DDT 生态毒性的典型案例。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：DDT 污染对陆地生态系统和水生生态系统都构成风险。DDT 在食物链中放大，威胁鸟类、鱼类、哺乳动物等高营养级生物。DDT 的内分泌干扰效应可能影响野生动物的生殖发育和种群数量。
② 多氯联苯 (PCBs, Polychlorinated Biphenyls)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：PCBs 是一类工业化学品，具有多种毒性效应，包括类二噁英毒性 (Dioxin-like Toxicity)、神经毒性 (Neurotoxicity)、免疫毒性 (Immunotoxicity)、内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption) 和致癌性 (Carcinogenicity)。其毒性机制复杂，主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 芳香烃受体 (AhR) 激活 (Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) Activation)：某些共平面 PCB 同系物 (Coproplanar PCBs) 具有类二噁英毒性，可以激活芳香烃受体 (AhR)，启动一系列基因表达变化，导致肝脏毒性、免疫毒性、发育毒性等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 内分泌干扰 (Endocrine Disruption)：PCBs 可以干扰甲状腺激素 (Thyroid Hormone, TH) 和性激素 (Sex Hormones) 的作用，影响内分泌系统功能，导致生殖发育、神经发育和代谢紊乱。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 氧化应激 (Oxidative Stress)：PCBs 可以诱导氧化应激，损伤细胞内的生物大分子，导致细胞损伤和凋亡。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ PCBs 工业生产和应用 (Industrial Production and Application of PCBs)：PCBs 曾被广泛用于变压器油、电容器、润滑油、油漆、塑料等工业产品。PCBs 的生产和使用导致全球范围的环境污染，土壤、沉积物、水体、大气、生物体中都检测到 PCBs 残留。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 哈德逊河 PCBs 污染 (Hudson River PCB Contamination)：美国哈德逊河 (Hudson River) 曾遭受严重的 PCBs 污染，由通用电气公司 (General Electric) 的工厂排放造成。PCBs 在哈德逊河沉积物和鱼类中富集，威胁生态系统和人类健康。哈德逊河 PCBs 污染是典型的工业 PCBs 污染案例。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：PCBs 污染对水生生态系统和陆地生态系统都构成风险。PCBs 在食物链中放大，威胁鱼类、鸟类、哺乳动物等高营养级生物。PCBs 的类二噁英毒性、神经毒性、免疫毒性和内分泌干扰效应可能对野生动物产生多种危害，影响种群健康和生态系统功能。
③ 二噁英 (Dioxins, Polychlorinated Dibenzo-p-dioxins, PCDDs) 和 呋喃 (Furans, Polychlorinated Dibenzofurans, PCDFs)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：二噁英和呋喃是一类非有意产生的 POPs，通常作为工业生产过程的副产物产生，如垃圾焚烧、氯气漂白、化学品生产等。二噁英和呋喃具有极强的毒性，特别是 2,3,7,8-四氯二苯并二噁英 (2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin, TCDD)，被认为是毒性最强的化学物质之一。其毒性机制主要通过激活芳香烃受体 (AhR) 实现：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 芳香烃受体 (AhR) 激活 (Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) Activation)：二噁英和呋喃可以高亲和力地结合并激活芳香烃受体 (AhR)，AhR 激活后与 AhR 核转运蛋白 (ARNT) 形成复合物，进入细胞核，与 DNA 上的二噁英反应元件 (Dioxin Responsive Element, DRE) 结合，调控一系列基因的表达，导致多种毒性效应，包括肝脏毒性、免疫毒性、发育毒性、生殖毒性、内分泌干扰效应和致癌性。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 橙剂事件 (Agent Orange Incident)：越南战争期间，美军在越南喷洒了大量橙剂 (Agent Orange)，橙剂中含有高浓度的 2,3,7,8-TCDD 二噁英。橙剂污染导致越南人民和美军士兵遭受严重的健康危害，包括癌症、出生缺陷、免疫系统疾病等。橙剂事件是典型的二噁英污染和人类健康危害案例。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 垃圾焚烧二噁英排放 (Dioxin Emissions from Waste Incineration)：垃圾焚烧是二噁英排放的重要来源。不完全燃烧的有机物和含氯物质在高温条件下反应，可能生成二噁英和呋喃。现代垃圾焚烧技术，如高温焚烧、烟气净化等，可以有效减少二噁英排放。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：二噁英和呋喃污染对陆地生态系统和水生生态系统都构成风险。二噁英和呋喃在食物链中放大，威胁鸟类、鱼类、哺乳动物等高营养级生物。二噁英和呋喃的 AhR 激活毒性可能对野生动物产生多种危害，影响种群健康和生态系统功能。
POPs 污染是全球性的环境挑战，需要国际合作，共同控制和消除 POPs 污染，保护人类健康和生态环境。斯德哥尔摩公约的实施，推动了全球 POPs 管理和控制的进程。
8.3.3 农药的毒性案例分析 (Case Studies of Pesticide Toxicity)
以有机氯农药 (Organochlorine Pesticides)、有机磷农药 (Organophosphorus Pesticides)、氨基甲酸酯农药 (Carbamate Pesticides) 等为例，分析其毒性作用机制、环境污染案例和生态风险。
农药 (Pesticides) 是指用于防治农业病虫草害和其他有害生物的化学物质或生物制剂。农药在农业生产中发挥重要作用，但也可能对人类健康和生态环境产生负面影响。根据化学结构和作用机制，农药可以分为多种类型，如有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯农药、拟除虫菊酯农药 (Pyrethroid Pesticides)、新烟碱类农药 (Neonicotinoid Pesticides) 等。
① 有机氯农药 (Organochlorine Pesticides)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：有机氯农药是一类持久性有机污染物 (POPs)，具有神经毒性 (Neurotoxicity)、内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption) 和免疫毒性 (Immunotoxicity)。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 钠离子通道干扰 (Interference with Sodium Ion Channels)：与 DDT 类似，某些有机氯农药可以干扰神经细胞膜钠离子通道的关闭，导致神经细胞持续兴奋，引起神经毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ GABA 受体拮抗 (GABA Receptor Antagonism)：某些有机氯农药，如氯丹 (Chlordane)、林丹 (Lindane) 等，可以拮抗 γ-氨基丁酸 (Gamma-Aminobutyric Acid, GABA) 受体，干扰抑制性神经递质 GABA 的作用，导致神经兴奋性增高，引起惊厥等神经毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 内分泌干扰 (Endocrine Disruption)：某些有机氯农药具有雌激素样活性 (Estrogenic Activity) 或抗雄激素活性 (Anti-androgenic Activity)，可以干扰内分泌系统功能，影响生殖发育。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 有机氯农药广泛使用和残留 (Widespread Use and Residue of Organochlorine Pesticides)：有机氯农药曾被广泛用于农业生产，如 DDT、六六六 (BHC, Benzene Hexachloride)、氯丹、狄氏剂 (Dieldrin) 等。由于其持久性和生物富集性，有机氯农药在环境中长期残留，污染土壤、水体、生物体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 野生动物有机氯农药中毒 (Organochlorine Pesticide Poisoning in Wildlife)：有机氯农药在食物链中放大，威胁鸟类、鱼类、哺乳动物等高营养级生物。猛禽有机氯农药中毒导致蛋壳变薄、繁殖失败，是典型的生态毒性案例。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：有机氯农药污染对陆地生态系统和水生生态系统都构成风险。有机氯农药的持久性、生物富集性和毒性，使其对生态环境产生长期、广泛的影响。
② 有机磷农药 (Organophosphorus Pesticides)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：有机磷农药是一类急性毒性较高的农药，主要通过抑制乙酰胆碱酯酶 (Acetylcholinesterase, AChE) 活性，导致神经递质乙酰胆碱 (Acetylcholine, ACh) 积累，引起胆碱能神经中毒症状。其毒性机制主要为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 乙酰胆碱酯酶 (AChE) 抑制 (Acetylcholinesterase (AChE) Inhibition)：有机磷农药可以与 AChE 活性中心的丝氨酸残基结合，使 AChE 磷酸化，抑制 AChE 活性。AChE 是分解神经递质 ACh 的酶，AChE 活性受抑制导致 ACh 在神经突触间隙积累，持续刺激胆碱能受体，引起胆碱能神经功能亢进，出现一系列中毒症状，如瞳孔缩小、流涎、支气管痉挛、肌肉震颤、惊厥、呼吸麻痹等。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 有机磷农药中毒事件 (Organophosphorus Pesticide Poisoning Incidents)：有机磷农药急性中毒事件时有发生，包括农药生产、使用过程中的意外暴露，以及误食、自杀等故意中毒。有机磷农药中毒可导致严重的胆碱能神经中毒症状，甚至死亡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 鸟类有机磷农药中毒 (Organophosphorus Pesticide Poisoning in Birds)：鸟类可能因误食有机磷农药颗粒或接触喷洒农药的植物、昆虫而中毒。有机磷农药中毒可导致鸟类神经功能紊乱、运动失调、死亡。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：有机磷农药主要表现为急性毒性，对非靶标生物，如鸟类、鱼类、蜜蜂等，具有较高的急性毒性风险。有机磷农药在环境中降解较快，持久性相对较低，但其广泛使用和高急性毒性仍可能对生态环境产生显著影响。
③ 氨基甲酸酯农药 (Carbamate Pesticides)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：氨基甲酸酯农药的作用机制与有机磷农药类似，也是通过抑制乙酰胆碱酯酶 (AChE) 活性，导致胆碱能神经中毒症状。但氨基甲酸酯农药与 AChE 的结合是可逆的，毒性持续时间相对较短，急性毒性通常低于有机磷农药。其毒性机制主要为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 乙酰胆碱酯酶 (AChE) 抑制 (Acetylcholinesterase (AChE) Inhibition)：氨基甲酸酯农药可以与 AChE 活性中心的丝氨酸残基结合，使 AChE 氨基甲酰化，抑制 AChE 活性。但氨基甲酰化酶是可逆的，酶活性可以逐渐恢复。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 氨基甲酸酯农药中毒事件 (Carbamate Pesticide Poisoning Incidents)：氨基甲酸酯农药中毒事件也时有发生，中毒症状与有机磷农药中毒类似，但通常较轻，恢复较快。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 蜜蜂氨基甲酸酯农药中毒 (Carbamate Pesticide Poisoning in Bees)：蜜蜂对某些氨基甲酸酯农药，如西维因 (Carbaryl)、涕灭威 (Aldicarb) 等，非常敏感。蜜蜂接触氨基甲酸酯农药可能导致神经功能紊乱、飞行能力下降、蜂群崩溃。
▮▮▮▮ⓒ 生态风险 (Ecological Risks)：氨基甲酸酯农药主要表现为急性毒性，对非靶标生物，如蜜蜂、鸟类、鱼类等，具有一定的急性毒性风险。氨基甲酸酯农药在环境中降解较快，持久性较低，但其广泛使用和对某些生物的高敏感性仍可能对生态环境产生影响。
农药的合理使用和科学管理至关重要。应推广高效、低毒、低残留农药，减少农药使用量，采用综合防治措施，降低农药对人类健康和生态环境的风险。
8.3.4 新兴污染物的毒性案例分析 (Case Studies of Emerging Pollutant Toxicity)
以内分泌干扰物 (EDCs)、药物和个人护理品 (PPCPs)、微塑料 (Microplastics) 等新兴污染物为例，分析其毒性作用机制、环境效应和潜在风险。
新兴污染物 (Emerging Pollutants, EPs) 是指近年来才被人们认识到其环境危害，但尚未被纳入常规环境监测和管理体系的污染物。新兴污染物种类繁多，来源广泛，环境行为复杂，毒性效应和风险尚不完全清楚，但已引起广泛关注。常见的新兴污染物包括内分泌干扰物 (EDCs)、药物和个人护理品 (PPCPs)、微塑料 (Microplastics)、纳米材料 (Nanomaterials)、全氟化合物 (Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS) 等。
① 内分泌干扰物 (EDCs, Endocrine Disrupting Chemicals)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：内分泌干扰物 (EDCs) 是一类能够干扰内分泌系统功能的化学物质，可以模拟、拮抗或干扰内源性激素的作用，影响激素合成、分泌、转运、代谢和作用，导致生殖发育、神经系统、免疫系统、代谢系统等多种毒性效应。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 激素受体相互作用 (Hormone Receptor Interactions)：EDCs 可以模拟内源性激素，与激素受体结合，激活受体，产生激动效应 (Agonism)；或者与激素受体结合，阻止内源性激素结合，阻断受体信号传递，产生拮抗效应 (Antagonism)。例如，双酚 A (Bisphenol A, BPA) 具有雌激素样活性，可以激活雌激素受体 (Estrogen Receptor, ER)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 激素合成和代谢干扰 (Interference with Hormone Synthesis and Metabolism)：EDCs 可以干扰激素合成酶或代谢酶的活性，影响内源性激素的合成和代谢，导致激素水平紊乱。例如，多氯联苯 (PCBs) 可以干扰甲状腺激素合成酶活性，影响甲状腺激素水平。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 激素转运和信号转导干扰 (Interference with Hormone Transport and Signal Transduction)：EDCs 可以干扰激素在血液中的转运蛋白结合，或干扰激素受体下游的信号转导通路，影响激素作用。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 双酚 A (BPA) 广泛暴露 (Widespread Exposure to Bisphenol A (BPA))：BPA 是一种广泛使用的工业化学品，用于生产聚碳酸酯塑料 (Polycarbonate Plastic) 和环氧树脂 (Epoxy Resin)。BPA 可以从塑料制品中迁移释放，通过食物、饮水、空气、皮肤接触等途径进入人体，广泛暴露于人群。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 野生动物内分泌干扰效应 (Endocrine Disruption Effects in Wildlife)：EDCs 污染对野生动物产生多种内分泌干扰效应，如鱼类雌性化、两栖动物性腺发育异常、鸟类繁殖力下降、爬行动物性别比例失调、哺乳动物生殖器官畸形等。
▮▮▮▮ⓒ 潜在风险 (Potential Risks)：EDCs 的内分泌干扰效应可能对人类健康和野生动物产生长期、潜在的风险，特别是对发育期个体，如胎儿、婴幼儿、儿童，可能产生更严重的危害。EDCs 的低剂量效应、混合暴露效应和跨代效应也值得关注。
② 药物和个人护理品 (PPCPs, Pharmaceuticals and Personal Care Products)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：药物和个人护理品 (PPCPs) 是一类广泛使用的化学物质，包括处方药、非处方药、化妆品、洗涤剂、防晒霜、香水等。PPCPs 通过生活污水、医疗废水、制药废水等途径进入环境，具有生物活性，可能对非靶标生物产生药理学效应或毒性效应。其毒性机制复杂，与 PPCPs 的种类和作用靶点有关，例如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 药理学效应 (Pharmacological Effects)：某些 PPCPs，如抗生素、激素类药物、精神活性药物等，即使在环境浓度下，也可能对非靶标生物产生药理学效应，如抗生素耐药性传播、内分泌干扰、行为改变等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 毒性效应 (Toxic Effects)：某些 PPCPs 在较高浓度下，可能对非靶标生物产生直接毒性，如细胞毒性、遗传毒性、发育毒性等。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 抗生素耐药性传播 (Antibiotic Resistance Spread)：抗生素在环境中的存在，可能促进细菌抗生素耐药性的产生和传播。环境中的耐药基因 (Antibiotic Resistance Genes, ARGs) 可以通过水平基因转移 (Horizontal Gene Transfer) 在不同细菌之间传播，威胁人类和动物健康。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 避孕药雌激素污染 (Estrogenic Contamination from Contraceptive Pills)：避孕药中的合成雌激素，如炔雌醇 (Ethinylestradiol, EE2)，通过生活污水进入水体，可能导致鱼类雌性化等内分泌干扰效应。
▮▮▮▮ⓒ 潜在风险 (Potential Risks)：PPCPs 在环境中的长期、低浓度暴露，可能对生态系统和人类健康产生潜在风险。PPCPs 的混合暴露效应、生物转化产物的毒性、抗生素耐药性传播等问题值得关注。
③ 微塑料 (Microplastics)
▮▮▮▮ⓐ 毒性作用机制 (Mechanisms of Toxicity)：微塑料 (Microplastics, MPs) 是指粒径小于 5 mm 的塑料碎片，广泛存在于环境中，来源复杂，包括塑料垃圾降解、工业塑料微珠、合成纤维脱落等。微塑料本身可能具有一定的毒性，更重要的是，微塑料可以吸附环境中的污染物，成为污染物的载体，增加生物暴露风险。其毒性机制主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 物理损伤 (Physical Damage)：微塑料可能被生物体摄食，造成消化道堵塞、组织损伤、营养吸收障碍等物理损伤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 化学毒性 (Chemical Toxicity)：微塑料本身可能含有塑料单体、添加剂等化学物质，具有一定的化学毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 污染物载体效应 (Pollutant Vector Effect)：微塑料可以吸附环境中的持久性有机污染物 (POPs)、重金属等，增加生物暴露风险，促进污染物在食物链中传递。
▮▮▮▮ⓑ 环境污染案例 (Environmental Pollution Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 海洋微塑料污染 (Marine Microplastic Pollution)：海洋微塑料污染日益严重，几乎遍布全球海洋，从表层水体到深海沉积物，从极地到赤道。海洋生物，如浮游动物、鱼类、海鸟、海洋哺乳动物等，都可能摄食微塑料。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 陆地微塑料污染 (Terrestrial Microplastic Pollution)：陆地环境中也存在广泛的微塑料污染，土壤、淡水、大气、生物体中都检测到微塑料。农业塑料薄膜、污水灌溉、污泥施用等是陆地微塑料污染的重要来源。
▮▮▮▮ⓒ 潜在风险 (Potential Risks)：微塑料污染对生态系统和人类健康可能产生长期、潜在的风险。微塑料的生物富集效应、食物链传递效应、污染物载体效应、纳米化效应等问题值得深入研究。微塑料对人类健康的潜在风险也开始受到关注，如微塑料通过食物链进入人体、微塑料吸附的污染物释放等。
新兴污染物是当前环境化学和环境毒理学研究的热点和难点。需要加强新兴污染物的环境监测、毒性评价、风险评估和控制管理，应对新兴污染物带来的环境挑战。
9. 绿色化学与环境可持续发展 (Green Chemistry and Environmental Sustainability)
本章介绍绿色化学的基本原则、环境可持续发展的理念、清洁生产、循环经济、环境友好材料与技术，以及环境管理与政策。
9.1 绿色化学基本原则与实践 (Basic Principles and Practices of Green Chemistry)
介绍绿色化学的定义、12项基本原则、绿色化学在化工生产、环境污染控制中的应用。
9.1.1 绿色化学的定义与12项基本原则 (Definition and 12 Principles of Green Chemistry)
明确绿色化学的定义，详细解读预防污染、原子经济性、低毒化学品、安全溶剂与助剂、节能设计、可再生原料、减少衍生物、催化、可降解设计、实时监控、安全化学、事故预防等12项绿色化学基本原则。
绿色化学 (Green Chemistry)，又称作环境友好化学、清洁化学或可持续化学，是一门致力于设计化学产品和过程，从而减少或消除有害物质的使用和产生的化学理念和实践体系。其核心目标是在化学的源头就预防污染，实现环境、经济和社会效益的统一。绿色化学不仅仅关注末端治理，更强调从分子设计层面减少化学过程和产品对环境和健康的负面影响。
绿色化学的基石是其12项基本原则，这些原则为化学家和工程师在设计、开发和实施更环保的化学品和工艺时提供了指导框架。这12项原则并非相互排斥，而是一个相互关联、相互促进的整体，共同指向构建可持续化学的未来。
① 预防污染 (Prevention)：“预防胜于治理” 是绿色化学最根本的原则。与其在废物产生后进行处理，不如从一开始就避免废物的产生。这意味着在化学过程设计之初，就应充分考虑如何最大限度地减少或消除副产物和废弃物的产生。例如，优化反应路线，提高反应的选择性和转化率，从而减少不必要的物质消耗和废物排放。
② 原子经济性 (Atom Economy)：“物尽其用” 是原子经济性原则的核心思想。它强调在化学反应设计中，应最大限度地将反应物中的所有原子都转移到最终产品中，实现原子利用率的最大化。原子经济性可以用以下公式进行简单计算：
\[ \text{原子经济性} = \frac{\text{目标产物的分子量}}{\text{所有反应物分子量之和}} \times 100\% \]
高原子经济性的反应，例如加成反应和重排反应，比低原子经济性的反应，例如取代反应和消除反应，更符合绿色化学的要求。
③ 低毒化学品 (Less Hazardous Chemical Syntheses)：“安全第一” 是低毒化学品原则的出发点。在化学品设计和合成过程中，应尽可能使用和产生对人类健康和环境毒性较小的物质。这意味着要充分了解化学品的毒理学性质，选择毒性较低的原料和试剂，并设计更安全的合成路线，避免产生高毒性的中间体和副产物。例如，使用生物酶催化反应，可以避免使用有毒的金属催化剂和有机溶剂。
④ 安全溶剂与助剂 (Safer Solvents and Auxiliaries)：“绿色溶剂” 是安全溶剂与助剂原则的关键。溶剂和助剂在许多化学过程中是不可或缺的，但传统的有机溶剂往往具有挥发性、毒性和易燃性。绿色化学提倡尽可能避免使用溶剂和助剂，或使用无毒、无害、可回收的绿色溶剂和助剂，如水、乙醇、超临界二氧化碳等。选择合适的溶剂不仅可以提高反应效率，还可以显著降低环境风险。
⑤ 节能设计 (Design for Energy Efficiency)：“节能减排” 是节能设计原则的目标。化学过程通常需要消耗大量的能量，能源消耗不仅增加成本，还会导致温室气体排放。绿色化学鼓励在常温常压下进行化学反应，或设计更节能的反应条件，如采用微波、光化学、超声波等新型反应技术，以减少能源消耗和环境影响。
⑥ 可再生原料 (Use of Renewable Feedstocks)：“取之不竭” 是可再生原料原则的愿景。传统的化学工业主要依赖于化石燃料等不可再生资源。绿色化学提倡使用可再生资源作为原料，如生物质、植物油、淀粉、纤维素等，以减少对不可再生资源的依赖，实现资源的可持续利用。生物质原料不仅来源广泛，而且具有碳中和的潜力，有助于应对气候变化。
⑦ 减少衍生物 (Reduce Derivatives)：“简洁高效” 是减少衍生物原则的精髓。在有机合成中，为了实现特定的化学转化，常常需要引入保护基、衍生化等步骤，这些步骤不仅增加了反应步骤，还产生了额外的废物。绿色化学提倡尽可能减少或避免使用衍生化步骤，设计更简洁、直接的合成路线，提高合成效率，减少废物产生。例如，利用催化剂的选择性，可以直接实现目标官能团的转化，避免不必要的保护和脱保护步骤。
⑧ 催化 (Catalysis)：“催化加速” 是催化原则的优势。催化剂可以在化学反应中显著提高反应速率和选择性，同时自身不被消耗。绿色化学强调使用催化剂，特别是高效、高选择性的催化剂，如酶催化剂、金属有机催化剂、纳米催化剂等，以替代传统的化学计量试剂。催化反应不仅可以提高反应效率，还可以减少试剂用量，降低废物产生，实现清洁生产。
⑨ 可降解设计 (Design for Degradation)：“寿终正寝” 是可降解设计原则的期望。化学产品在使用寿命结束后，应能够安全、快速地降解为无害的物质，避免在环境中长期积累造成污染。绿色化学提倡在产品设计阶段就考虑其可降解性，选择易降解的材料，设计易降解的化学结构，如生物降解塑料、可降解农药等，以减少持久性污染物的产生。
⑩ 实时监控 (Real-time Analysis for Pollution Prevention)：“防微杜渐” 是实时监控原则的意义。在化学过程进行过程中，应采用实时的、在线的分析监控技术，及时监测反应进程和废物产生情况，以便及时调整工艺参数，优化反应条件，减少或消除污染物的产生。实时监控技术可以帮助实现过程控制的智能化和精细化，提高生产效率和环保水平。
⑪ 安全化学 (Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention)：“安全至上” 是安全化学原则的底线。化学过程和化学品的安全是绿色化学的重要组成部分。绿色化学提倡设计更安全的化学过程和化学品，尽可能减少化学事故的风险。例如，选择不易燃、不易爆、低挥发性的原料和溶剂，设计本质安全的反应工艺，采用微反应器等安全技术，以保障生产安全和环境保护。
⑫ 事故预防 (Accident Prevention)：“未雨绸缪” 是事故预防原则的警示。即使采用了最安全的化学过程和化学品，也无法完全排除事故发生的可能性。绿色化学强调在化学过程设计和操作中，要充分考虑潜在的事故风险，采取有效的预防措施，如建立完善的安全管理体系、加强员工安全培训、配备必要的安全防护设备等，以最大限度地降低事故发生的概率和危害。
这12项原则共同构成了绿色化学的理论基础和实践指南，它们相互关联、相互支撑，共同推动化学工业向更加清洁、安全、可持续的方向发展。绿色化学不仅仅是一门科学，更是一种理念，一种责任，一种对未来可持续发展的承诺。
9.1.2 绿色化学在化工生产中的应用 (Applications of Green Chemistry in Chemical Production)
介绍绿色化学在化工合成路线设计、反应条件优化、溶剂选择、催化剂开发等方面的应用案例。
绿色化学的12项原则在化工生产的各个环节都具有重要的指导意义和应用价值。从合成路线设计、反应条件优化，到溶剂选择和催化剂开发，绿色化学理念的融入，可以显著提升化工生产的清洁化和可持续化水平。
① 绿色合成路线设计：传统的化工合成路线往往步骤繁琐、原子经济性低、废物产生量大。绿色化学提倡设计简洁、高效、原子经济性高的合成路线。例如，在药物合成领域，传统的布洛芬 (Ibuprofen) 合成路线包含6个步骤，原子经济性较低，而BASF公司开发的绿色合成路线仅有3个步骤，原子经济性显著提高，废物产生量大幅减少。这种绿色合成路线的改进，不仅降低了生产成本，也减少了环境污染。
② 反应条件优化：传统的化工反应常常需要在高温、高压或强酸、强碱等苛刻条件下进行，能耗高、安全风险大。绿色化学提倡温和反应条件，如常温、常压、中性pH等。例如，利用生物酶催化反应，可以在温和条件下实现高选择性的化学转化，避免使用高温高压，降低能耗和安全风险。又如，微波、超声波等新型反应技术的应用，可以显著缩短反应时间，提高反应效率，降低能源消耗。
③ 绿色溶剂选择：有机溶剂是化工生产中不可或缺的物质，但传统的有机溶剂如苯、氯仿等具有毒性、挥发性和易燃性。绿色化学提倡使用绿色溶剂，如水、乙醇、超临界二氧化碳、离子液体、生物基溶剂等。例如，水是一种理想的绿色溶剂，无毒、廉价、易得，但许多有机反应在水中溶解性差。通过开发水相催化剂、相转移催化剂等技术，可以实现许多有机反应在水相中高效进行。超临界二氧化碳具有无毒、无残留、易分离等优点，已在萃取、分离、反应等领域得到广泛应用。
④ 绿色催化剂开发：催化剂是绿色化学的核心工具之一。绿色化学提倡开发高效、高选择性、可回收的绿色催化剂，以替代传统的化学计量试剂。例如，生物酶催化剂具有高选择性、高活性、反应条件温和等优点，已在医药、食品、化工等领域得到广泛应用。非均相催化剂易于分离和回收，可以实现催化剂的循环利用，减少废物产生。纳米催化剂具有比表面积大、活性位点多、催化效率高等优点，是绿色催化剂的研究热点。
⑤ 生物质原料利用：化石燃料是不可再生资源，其过度使用导致能源危机和环境污染。绿色化学提倡利用可再生生物质资源作为化工原料，如纤维素、淀粉、植物油、木质素等。生物质资源来源广泛、储量丰富、可再生，是替代化石燃料的理想选择。例如，利用生物质发酵生产生物乙醇，可以替代汽油作为燃料；利用植物油生产生物柴油，可以替代柴油；利用纤维素生产生物基塑料，可以替代石油基塑料。生物质资源的利用，不仅可以减少对化石燃料的依赖，还可以实现碳中和，应对气候变化。
⑥ 连续流反应技术：传统的釜式反应器存在传热传质效率低、反应时间长、安全风险高等问题。连续流反应技术具有传热传质效率高、反应时间短、安全风险低、易于自动化控制等优点，符合绿色化学的要求。连续流反应器可以实现反应过程的连续化、自动化和精细化控制，提高生产效率，降低能耗和废物产生。连续流反应技术已在精细化工、医药化工、材料化工等领域得到广泛应用。
⑦ 工业共生与废物资源化：传统的化工生产模式往往是线性模式，即“资源-产品-废物”的单向流动，导致资源浪费和环境污染。工业共生和废物资源化是循环经济的重要组成部分，也是绿色化学的重要实践。工业共生是指不同企业之间通过物质、能量和信息的交换与共享，形成互利共赢的生态网络，实现资源的高效利用和废物的最小化排放。废物资源化是指将生产过程中产生的废物转化为有用的资源，实现废物的循环利用。例如，化工企业可以将生产过程中产生的废酸、废碱、废溶剂等进行回收和再生利用，减少废物排放，降低生产成本。
通过上述应用案例可以看出，绿色化学理念和技术在化工生产中具有广阔的应用前景和巨大的潜力。随着绿色化学技术的不断发展和完善，化工生产将朝着更加清洁、高效、可持续的方向发展，为构建绿色低碳循环发展的经济体系做出重要贡献。
9.1.3 绿色化学在环境污染控制中的应用 (Applications of Green Chemistry in Environmental Pollution Control)
介绍绿色化学在污染源头减排、清洁生产工艺开发、环境友好材料开发等方面的应用案例。
绿色化学不仅应用于化工生产过程的改进，在环境污染控制领域也发挥着越来越重要的作用。绿色化学强调从源头减排，通过设计更清洁的生产工艺和更环境友好的材料，从根本上减少污染物的产生和排放。
① 污染源头减排：传统的污染控制方法主要集中在末端治理，即在污染物产生后进行处理。绿色化学提倡污染源头减排，从生产过程的源头减少污染物的产生。例如，在农药生产领域，传统的有机氯农药具有持久性、生物富集性和毒性，对环境和健康造成严重危害。绿色化学推动开发和应用绿色农药，如生物农药、植物源农药、低毒高效农药等，从源头上减少农药污染。又如，在印染行业，传统的印染工艺产生大量废水，污染严重。绿色化学推动开发无水染色、少水染色等清洁印染技术，从源头上减少废水产生。
② 清洁生产工艺开发：清洁生产是绿色化学在工业生产中的具体体现。清洁生产是指在产品生产的全过程，采用预防污染的策略，不断改进设计、生产和服务，减少对人类和环境的风险。绿色化学为清洁生产工艺的开发提供了理论指导和技术支撑。例如，在造纸行业，传统的造纸工艺采用氯漂白，产生二噁英等有毒有害物质。绿色化学推动开发无氯漂白、氧漂白等清洁漂白技术，减少二噁英的产生。又如，在皮革行业，传统的皮革鞣制工艺采用铬鞣剂，产生重金属污染。绿色化学推动开发无铬鞣制、植物鞣制等清洁鞣制技术，减少重金属污染。
③ 环境友好材料开发：传统的材料如塑料、橡胶等，难以降解，造成白色污染。绿色化学推动开发环境友好材料，如可降解塑料、生物基材料、生态建材、环境净化材料等。可降解塑料可以在自然环境中快速降解为无害物质，减少塑料污染。生物基材料以可再生生物质为原料，具有资源可再生、环境友好的优点。生态建材采用天然材料或工业废弃物为原料，具有节能、环保、健康的特点。环境净化材料具有吸附、降解、催化等功能，可以用于空气净化、水净化、土壤修复等领域。例如，活性炭、分子筛、纳米材料等环境净化材料，可以有效去除水和空气中的污染物。
④ 绿色修复技术应用：传统的环境修复技术如物理化学修复技术，往往成本高、二次污染风险大。绿色化学推动应用绿色修复技术，如植物修复、微生物修复、生物炭修复等。植物修复利用植物吸收、富集、降解土壤和水体中的污染物，具有成本低、环境友好、景观效果好等优点。微生物修复利用微生物的代谢作用降解污染物，具有高效、彻底、原位修复等优点。生物炭修复利用生物炭吸附、固定土壤中的污染物，具有成本低、效果持久、土壤改良等优点。这些绿色修复技术，不仅可以有效修复污染环境，还可以实现生态恢复和可持续利用。
⑤ 绿色分析监测技术开发：环境分析监测是环境保护的基础。传统的环境分析监测方法往往需要使用大量的有机溶剂和化学试剂，产生二次污染。绿色化学推动开发绿色分析监测技术，如微萃取技术、固相微萃取、无溶剂萃取、在线监测技术、生物传感器技术等。这些绿色分析监测技术，可以减少试剂用量、降低能耗、减少废物产生，实现分析过程的绿色化。例如，固相微萃取技术利用固相吸附剂富集样品中的待测物，无需使用大量的有机溶剂，操作简便、灵敏度高。生物传感器技术利用生物活性物质对特定污染物进行识别和检测，具有灵敏度高、选择性好、实时在线监测等优点。
绿色化学在环境污染控制领域的应用，体现了其预防为主、源头治理的理念。通过开发和应用绿色化学技术，可以从根本上减少污染物的产生和排放，实现环境保护与经济发展的双赢，为构建美丽中国和实现可持续发展目标做出重要贡献。
9.2 环境可持续发展理念与战略 (Concepts and Strategies of Environmental Sustainability)
介绍环境可持续发展的定义、核心理念、基本原则、战略目标和实现途径。
9.2.1 环境可持续发展的定义与核心理念 (Definition and Core Concepts of Environmental Sustainability)
明确环境可持续发展的定义，阐述其核心理念（代际公平、共同但有区别的责任、预防原则、污染者付费原则等）。
环境可持续发展 (Environmental Sustainability) 是指在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力的发展模式。它强调经济发展、社会进步与环境保护的协调统一，追求人与自然和谐共生，实现经济、社会和环境的三重底线 (Triple Bottom Line) 的平衡。环境可持续发展不仅仅关注环境保护，更是一种综合性的发展观，它涵盖了经济、社会和环境的各个方面，旨在实现经济繁荣、社会公平和环境优美的可持续未来。
环境可持续发展的核心理念是多维度的，主要包括以下几个方面：
① 代际公平 (Intergenerational Equity)：“前人栽树，后人乘凉” 是代际公平理念的生动体现。代际公平是指当代人在利用自然资源和环境资源时，应充分考虑后代人的需求和利益，不应过度消耗资源，不应破坏环境，要为后代人留下可持续发展的资源基础和环境空间。代际公平是环境可持续发展的伦理基础，它要求我们不仅要关注自身的发展，更要对后代人负责，确保他们也能享有清洁的空气、洁净的水源、肥沃的土地和丰富的生物多样性。
② 共同但有区别的责任 (Common but Differentiated Responsibilities, CBDR)：“能力越大，责任越大” 是共同但有区别的责任原则的精髓。CBDR原则承认所有国家在环境保护方面都负有共同责任，但由于各国发展水平、历史责任、能力等方面的差异，发达国家和发展中国家应承担不同的责任。发达国家在环境保护方面应承担更大的责任，包括提供资金、技术支持，帮助发展中国家实现可持续发展。发展中国家应根据自身能力，积极参与全球环境治理，走绿色低碳发展道路。CBDR原则体现了国际合作和公平正义的精神，是全球环境治理的重要原则。
③ 预防原则 (Precautionary Principle)：“防患于未然” 是预防原则的核心思想。预防原则是指当一项活动或政策可能对环境或人类健康造成严重或不可逆转的损害时，即使科学上尚未完全证实其危害性，也应采取预防措施，避免或减少损害的发生。预防原则强调在环境风险不确定性的情况下，应采取审慎的态度，避免盲目发展，防止环境灾难的发生。例如，对于新兴污染物，即使对其环境和健康风险尚未完全明确，也应加强监测和管理，采取预防措施，防止其对环境和健康造成潜在危害。
④ 污染者付费原则 (Polluter Pays Principle, PPP)：“谁污染，谁治理” 是污染者付费原则的通俗解释。PPP原则是指污染者应承担治理污染、修复环境的责任和费用。PPP原则旨在将环境成本内部化，促使污染者减少污染排放，提高资源利用效率，推动绿色发展。PPP原则是环境经济政策的重要工具，可以通过排污收费、环境税等经济手段，促使企业主动减少污染排放，保护环境。
⑤ 可持续消费与生产 (Sustainable Consumption and Production, SCP)：“绿色生活，绿色生产” 是SCP理念的概括。SCP是指在整个产品生命周期内，从资源开采、生产、消费到废物处理，最大限度地减少资源消耗和环境污染，实现经济、社会和环境效益的协调统一。SCP包括可持续消费和可持续生产两个方面。可持续消费是指消费者在满足自身需求的同时，选择环境友好的产品和服务，减少浪费，节约资源。可持续生产是指生产者采用清洁生产技术，提高资源利用效率，减少污染排放，生产环境友好的产品。SCP是实现环境可持续发展的重要途径，需要政府、企业、消费者和社会各界的共同努力。
⑥ 生态系统服务价值 (Ecosystem Services Value)：“绿水青山就是金山银山” 体现了生态系统服务价值的理念。生态系统服务是指人类从生态系统获得的各种惠益，包括供给服务（如食物、水、木材）、调节服务（如气候调节、水净化、空气净化）、文化服务（如景观美学、休闲娱乐）和支持服务（如养分循环、土壤形成）。生态系统服务是人类生存和发展的基础，具有巨大的经济、社会和环境价值。环境可持续发展强调保护生态系统，维护生态系统服务功能，实现生态系统服务价值的可持续利用。
这些核心理念相互关联、相互支撑，共同构成了环境可持续发展的理论框架。理解和践行这些核心理念，是推动环境可持续发展，构建人与自然生命共同体的关键。
9.2.2 环境可持续发展的基本原则与战略目标 (Basic Principles and Strategic Goals of Environmental Sustainability)
介绍环境可持续发展的基本原则（经济可行性、社会公平性、环境协调性），以及战略目标（资源节约、环境保护、生态文明建设等）。
环境可持续发展是一个复杂的系统工程，需要遵循一定的基本原则，并设定明确的战略目标，才能有效地推进和实现。
环境可持续发展的基本原则通常被概括为三大支柱，即经济可行性 (Economic Viability)、社会公平性 (Social Equity) 和 环境协调性 (Environmental Soundness)。这三大支柱相互依存、相互促进，共同支撑着环境可持续发展的实现。
① 经济可行性 (Economic Viability)：“发展是硬道理”，经济发展是社会进步的基础，也是实现环境可持续发展的重要保障。经济可行性原则强调，环境可持续发展必须是经济上可行的，能够促进经济的持续增长和繁荣。这意味着，环境保护措施和可持续发展战略，不能以牺牲经济发展为代价，而应与经济发展相协调，实现环境保护与经济发展的双赢。例如，发展循环经济、绿色产业，既可以减少环境污染，又可以创造新的经济增长点，提高经济效益。
② 社会公平性 (Social Equity)：“共同富裕”，社会公平是社会和谐稳定的基石，也是环境可持续发展的重要组成部分。社会公平性原则强调，环境可持续发展必须是社会上公平的，能够促进社会公平正义，改善人民生活水平，缩小贫富差距。这意味着，环境保护措施和可持续发展战略，不能加剧社会不公，而应惠及所有社会群体，特别是弱势群体，保障他们的环境权益和发展机会。例如，在环境治理过程中，要充分考虑弱势群体的利益，避免环境污染向贫困地区转移，实现环境正义。
③ 环境协调性 (Environmental Soundness)：“人与自然和谐共生”，环境保护是环境可持续发展的核心内容，也是经济发展和社会进步的基础。环境协调性原则强调，环境可持续发展必须是环境上协调的，能够保护生态环境，维护生态平衡，实现人与自然和谐共生。这意味着，经济发展和社会进步，不能以破坏环境为代价，而应与环境保护相协调，实现经济、社会和环境的良性循环。例如，加强生态环境保护，防治环境污染，保护生物多样性，建设生态文明，是实现环境协调性的重要举措。
环境可持续发展的战略目标是多层次、多方面的，但其核心目标可以概括为以下几个方面：
① 资源节约 (Resource Conservation)：“开源节流”，资源是人类生存和发展的基础，资源节约是环境可持续发展的首要目标。资源节约包括节约自然资源和能源资源。节约自然资源，就是要提高资源利用效率，减少资源消耗，延长资源使用寿命。节约能源资源，就是要提高能源利用效率，发展可再生能源，减少化石能源消耗，降低碳排放。资源节约是实现绿色低碳发展，应对资源约束和气候变化挑战的关键。
② 环境保护 (Environmental Protection)：“保护绿水青山”，良好的生态环境是人类生存和发展的基本条件，环境保护是环境可持续发展的核心目标。环境保护包括防治环境污染，改善环境质量，保护生态系统，维护生态平衡。防治环境污染，就是要减少大气、水、土壤等环境污染，保障人民群众身体健康。改善环境质量，就是要提高环境质量，创造优美宜居的环境。保护生态系统，就是要保护森林、草原、湿地、海洋等生态系统，维护生态系统功能。维护生态平衡，就是要保护生物多样性，防止生态系统退化。环境保护是实现人与自然和谐共生，建设美丽中国的根本保障。
③ 生态文明建设 (Ecological Civilization Construction)：“建设美丽中国”，生态文明是人类文明发展的新形态，生态文明建设是环境可持续发展的更高目标。生态文明建设是指以尊重自然、顺应自然、保护自然为价值导向，以资源节约、环境保护为基本国策，以绿色发展、循环发展、低碳发展为基本途径，建设人与自然和谐共生的现代化社会。生态文明建设涵盖了经济、政治、文化、社会、生态文明建设的各个方面，是实现中华民族永续发展的根本大计。
④ 应对气候变化 (Climate Change Mitigation and Adaptation)：“应对全球挑战”，气候变化是全球面临的最严峻的环境挑战之一，应对气候变化是环境可持续发展的紧迫任务。应对气候变化包括减缓气候变化和适应气候变化两个方面。减缓气候变化，就是要减少温室气体排放，控制全球温升，实现碳达峰、碳中和目标。适应气候变化，就是要提高应对气候变化不利影响的能力，减少气候变化带来的风险和损失。应对气候变化是构建人类命运共同体，实现全球可持续发展的共同责任。
⑤ 生物多样性保护 (Biodiversity Conservation)：“保护地球生命共同体”，生物多样性是地球生命的基础，也是人类生存和发展的重要保障。生物多样性保护是环境可持续发展的重要内容。生物多样性保护包括保护物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性。保护生物多样性，就是要防止物种灭绝，保护珍稀濒危物种，维护生态系统功能，保障生态安全。生物多样性保护是维护地球生态平衡，实现人与自然和谐共生的重要举措。
这些战略目标相互联系、相互促进，共同构成了环境可持续发展的宏伟蓝图。实现这些战略目标，需要全社会共同努力，需要政府、企业、公众的积极参与，需要科技创新、制度创新、政策创新，才能最终实现环境可持续发展的愿景。
9.2.3 环境可持续发展的实现途径 (Approaches to Achieve Environmental Sustainability)
探讨技术创新、制度创新、政策引导、公众参与、国际合作等环境可持续发展的实现途径。
环境可持续发展是一个系统性、长期性的过程，需要多方面的协同努力，才能有效地推进和实现。其实现途径是多元的，主要包括以下几个方面：
① 技术创新 (Technological Innovation)：“科技是第一生产力”，技术创新是推动环境可持续发展的核心动力。技术创新可以提高资源利用效率，减少污染排放，开发环境友好型产品和技术，为环境可持续发展提供技术支撑。技术创新包括绿色技术创新和环境技术创新。绿色技术创新是指在产品设计、生产、消费和废弃物处理等环节，采用绿色化学、绿色制造、循环经济等理念和技术，实现资源节约、环境保护和经济效益的统一。环境技术创新是指开发和应用各种环境污染防治技术、生态修复技术、环境监测技术等，解决环境问题，改善环境质量。例如，发展可再生能源技术、节能技术、清洁生产技术、污染治理技术、生态修复技术等，都是技术创新的重要方向。
② 制度创新 (Institutional Innovation)：“制度是根本保障”，制度创新是推动环境可持续发展的制度保障。制度创新可以完善环境法律法规，健全环境管理体制，创新环境经济政策，为环境可持续发展提供制度框架。制度创新包括环境法律法规创新、环境管理体制创新和环境经济政策创新。环境法律法规创新是指完善环境保护法律体系，提高法律的有效性和执行力，为环境保护提供法律保障。环境管理体制创新是指健全环境管理机构，完善环境监管制度，提高环境管理能力和水平。环境经济政策创新是指运用经济手段，激励企业和公众参与环境保护，推动绿色发展。例如，完善排污许可制度、环境影响评价制度、生态补偿制度、环境税收制度等，都是制度创新的重要内容。
③ 政策引导 (Policy Guidance)：“政策是风向标”，政策引导是推动环境可持续发展的重要手段。政府可以通过制定和实施一系列环境政策，引导企业和公众的行为，推动环境可持续发展。政策引导包括环境规制政策、环境经济政策和环境社会政策。环境规制政策是指通过法律法规、标准等强制性手段，约束企业和公众的环境行为，减少污染排放。环境经济政策是指通过经济激励和约束机制，引导企业和公众参与环境保护，如排污收费、环境税收、生态补偿、绿色金融等。环境社会政策是指通过宣传教育、公众参与、信息公开等手段，提高公众的环境意识和参与度，营造良好的社会氛围。例如，实施碳达峰、碳中和行动方案、打好污染防治攻坚战、推动绿色发展等，都是政策引导的重要体现。
④ 公众参与 (Public Participation)：“人民是主体”，公众参与是推动环境可持续发展的社会基础。公众是环境保护的主体，公众的环保意识和参与度，直接影响环境可持续发展的成效。公众参与包括环境信息公开、环境公众监督和环境公众教育。环境信息公开是指政府和企业应及时公开环境信息，保障公众的知情权。环境公众监督是指公众有权监督政府和企业的环境行为，举报环境违法行为。环境公众教育是指加强环境宣传教育，提高公众的环境意识和环保素养，培养公众的绿色生活方式。例如，开展环保宣传活动、组织环保志愿者活动、建立环境信息公开平台、畅通环境信访渠道等，都是公众参与的重要形式。
⑤ 国际合作 (International Cooperation)：“全球命运与共”，环境问题是全球性问题，需要国际社会共同应对。国际合作是推动环境可持续发展的必要条件。国际合作包括环境外交、技术合作和资金合作。环境外交是指通过国际谈判和对话，达成国际环境公约和协议，共同应对全球环境挑战。技术合作是指发达国家向发展中国家提供环境技术援助，帮助发展中国家提高环境保护能力。资金合作是指发达国家向发展中国家提供环境资金支持，帮助发展中国家实现可持续发展目标。例如，参与联合国气候变化框架公约、生物多样性公约、防治荒漠化公约等国际环境公约，开展清洁能源技术合作、污染治理技术合作、生态保护技术合作等，都是国际合作的重要内容。
⑥ 绿色生活方式 (Green Lifestyle)：“从我做起”，绿色生活方式是环境可持续发展的个人行动。每个人的生活方式都对环境产生影响，选择绿色生活方式，可以减少资源消耗和环境污染，为环境可持续发展做出贡献。绿色生活方式包括节约资源、绿色消费、垃圾分类、低碳出行等。节约资源，就是要节约用水、节约用电、节约粮食、节约纸张等。绿色消费，就是要购买环境友好型产品，减少过度消费和浪费性消费。垃圾分类，就是要将垃圾分类投放，提高垃圾资源化利用率。低碳出行，就是要选择公共交通、自行车、步行等低碳出行方式，减少私家车使用。绿色生活方式是每个人都可以参与的环境保护行动，积少成多，聚沙成塔，共同推动环境可持续发展。
这些实现途径相互联系、相互作用，共同构成了环境可持续发展的行动框架。只有综合运用这些途径，协同发力，才能有效地推进环境可持续发展，实现人与自然和谐共生的美好愿景。
9.3 清洁生产与循环经济 (Cleaner Production and Circular Economy)
介绍清洁生产的定义、基本原则、实施步骤、关键技术，以及循环经济的理念、模式、发展路径。
9.3.1 清洁生产的定义、原则与实施 (Definition, Principles, and Implementation of Cleaner Production)
明确清洁生产的定义，阐述其基本原则（预防为主、全过程控制、资源节约、减污增效），以及清洁生产审核的步骤和方法。
清洁生产 (Cleaner Production, CP) 是指将综合预防的环境策略持续应用于生产过程、产品和服务，以提高资源利用效率，减少污染产生，降低对人类和环境的风险。清洁生产的核心理念是预防为主，源头治理，它强调从生产过程的源头减少污染物的产生，而不是在末端进行治理。清洁生产不仅关注环境保护，更是一种提高企业竞争力的有效途径，它可以降低生产成本，提高产品质量，改善企业形象，实现经济效益、环境效益和社会效益的统一。
清洁生产的基本原则主要包括以下几个方面：
① 预防为主 (Prevention First)：“防患于未然”，预防为主是清洁生产最核心的原则。清洁生产强调从生产过程的源头减少污染物的产生，而不是在末端进行治理。这意味着，在产品设计、工艺选择、设备选型、原料采购等各个环节，都要充分考虑环境保护因素，采取预防措施，避免或减少污染物的产生。例如，采用低毒、无毒的原料替代有毒有害原料，采用清洁能源替代化石能源，采用先进的生产工艺和设备，提高资源利用效率，减少废物产生。
② 全过程控制 (Process-Integrated Approach)：“全程把控”，全过程控制是清洁生产的重要方法。清洁生产强调对产品生产的全过程进行控制，从原料采购、生产过程、产品包装、运输、销售、使用到废弃物处理，都要进行环境管理，实现全过程的清洁化。这意味着，要对生产过程的各个环节进行分析和评估，找出污染产生的环节和原因，采取相应的清洁生产措施，减少污染物的产生和排放。例如，优化工艺流程，减少物料损耗，回收利用副产品和废弃物，改进包装设计，减少包装材料的使用。
③ 资源节约 (Resource Efficiency)：“节约集约利用资源”，资源节约是清洁生产的重要目标。清洁生产强调提高资源利用效率，减少资源消耗，实现资源的循环利用。资源节约包括节约能源、节约原材料、节约水资源等。提高资源利用效率，可以降低生产成本，减少环境污染，提高企业竞争力。例如，采用节能设备，优化能源管理，提高能源利用效率；采用节水工艺，循环利用水资源，减少水资源消耗；采用先进的生产工艺和设备，提高原材料利用率，减少物料损耗。
④ 减污增效 (Pollution Reduction and Efficiency Improvement)：“一举两得”，减污增效是清洁生产的综合效益。清洁生产不仅可以减少污染物的产生和排放，还可以提高生产效率，降低生产成本，提高产品质量，改善企业形象。清洁生产追求环境效益、经济效益和社会效益的统一。例如，采用清洁生产技术，可以减少污染物排放，改善环境质量；同时，可以降低原材料消耗，减少能源消耗，提高生产效率，降低生产成本，提高产品质量，增强企业竞争力。
清洁生产审核 (Cleaner Production Audit, CPA) 是企业实施清洁生产的重要手段和方法。清洁生产审核是指按照一定的程序和方法，对企业的生产过程、产品和服务进行全面分析和评估，找出污染产生的原因和环节，提出并实施清洁生产方案，实现污染预防和资源节约的目标。清洁生产审核通常包括以下步骤：
① 准备阶段 (Planning and Organization)：成立清洁生产审核小组，明确审核范围和目标，制定审核计划，进行员工培训和宣传。
② 预评估阶段 (Pre-assessment)：收集企业的基本信息、生产工艺信息、环境信息、管理信息等，进行初步的环境风险评估和清洁生产潜力分析，确定重点审核环节和重点污染物。
③ 评估阶段 (Assessment)：对重点审核环节进行详细的物料平衡分析、能量平衡分析、污染源分析、环境影响评价等，找出污染产生的原因和环节，识别清洁生产机会。
④ 方案产生与筛选阶段 (Option Generation and Selection)：针对识别出的清洁生产机会，提出各种清洁生产方案，包括无/低费方案、中/高费方案，对方案进行技术可行性、经济可行性和环境效益评估，筛选出可行的清洁生产方案。
⑤ 方案实施阶段 (Implementation)：制定清洁生产方案实施计划，落实责任分工，组织实施清洁生产方案，进行方案实施效果监测和评估。
⑥ 持续改进阶段 (Sustained Improvement)：总结清洁生产审核的经验和教训，建立清洁生产管理体系，持续改进清洁生产绩效，实现清洁生产的常态化和制度化。
清洁生产审核是一个循环往复、持续改进的过程。企业应定期开展清洁生产审核，不断挖掘清洁生产潜力，持续改进清洁生产绩效，实现可持续发展。
9.3.2 清洁生产的关键技术 (Key Technologies for Cleaner Production)
介绍低消耗、低排放、资源综合利用、废物资源化、无害化处理等清洁生产关键技术。
清洁生产的实现，离不开各种关键技术的支撑。清洁生产技术涵盖了生产过程的各个环节，主要包括以下几个方面：
① 低消耗技术 (Low Consumption Technologies)：“节约资源，降低消耗”，低消耗技术是指采用先进的工艺和设备，提高资源利用效率，降低资源消耗的技术。低消耗技术包括节能技术、节水技术、节材技术等。
▮▮▮▮⚝ 节能技术 (Energy Saving Technologies)：节能技术是指采用先进的节能设备和工艺，提高能源利用效率，降低能源消耗的技术。例如，采用高效电机、变频调速、余热回收、热泵技术、能量系统优化等节能技术，可以显著降低能源消耗。
▮▮▮▮⚝ 节水技术 (Water Saving Technologies)：节水技术是指采用先进的节水工艺和设备，提高水资源利用效率，降低水资源消耗的技术。例如，采用循环冷却水系统、中水回用系统、膜分离技术、无水或少水工艺等节水技术，可以显著降低水资源消耗。
▮▮▮▮⚝ 节材技术 (Material Saving Technologies)：节材技术是指采用先进的工艺和设备，提高原材料利用率，减少物料损耗的技术。例如，采用精密加工技术、优化工艺流程、减少边角料、回收利用废旧材料等节材技术，可以显著降低原材料消耗。
② 低排放技术 (Low Emission Technologies)：“减少排放，清洁生产”，低排放技术是指采用先进的工艺和设备，减少污染物产生和排放的技术。低排放技术包括清洁生产工艺技术、污染控制技术等。
▮▮▮▮⚝ 清洁生产工艺技术 (Cleaner Production Process Technologies)：清洁生产工艺技术是指采用清洁的生产工艺，从源头减少污染物产生和排放的技术。例如，采用绿色化学合成路线、生物酶催化技术、连续流反应技术、无溶剂或少溶剂工艺等清洁生产工艺技术，可以显著减少污染物产生和排放。
▮▮▮▮⚝ 污染控制技术 (Pollution Control Technologies)：污染控制技术是指采用先进的污染治理设备和技术，对生产过程中产生的污染物进行治理和控制，使其达标排放的技术。例如，采用除尘技术、脱硫脱硝技术、废水处理技术、废气处理技术、固废处理技术等污染控制技术，可以有效控制污染物排放。
③ 资源综合利用技术 (Integrated Resource Utilization Technologies)：“变废为宝，循环利用”，资源综合利用技术是指将生产过程中产生的副产品、废弃物等资源化利用的技术。资源综合利用技术包括废物资源化技术、副产品综合利用技术等。
▮▮▮▮⚝ 废物资源化技术 (Waste-to-Resource Technologies)：废物资源化技术是指将生产过程中产生的废弃物，如废渣、废液、废气、废热等，经过处理和加工，转化为有用的资源或产品，实现废物的循环利用。例如，将工业废渣制成建材、将废塑料回收再生、将废油脂制成生物柴油、将废热用于供暖等，都是废物资源化的典型应用。
▮▮▮▮⚝ 副产品综合利用技术 (By-product Utilization Technologies)：副产品综合利用技术是指将生产过程中产生的副产品，经过分离、提纯、加工等处理，转化为有用的产品，提高资源利用效率，增加经济效益。例如，将化工生产中的副产盐酸、副产硫酸等进行回收利用，生产其他化工产品；将农副产品加工中的副产品，如秸秆、糠麸等，用于生产生物质能源、生物质材料等。
④ 废物无害化处理技术 (Waste Minimization and Harmless Treatment Technologies)：“安全处置，减少危害”，废物无害化处理技术是指对生产过程中产生的无法资源化利用的废物，进行无害化处理，减少其对环境和健康的危害的技术。废物无害化处理技术包括减量化技术、稳定化技术、无害化处置技术等。
▮▮▮▮⚝ 减量化技术 (Waste Minimization Technologies)：减量化技术是指通过改进生产工艺、优化管理等措施，从源头减少废物产生量的技术。例如，采用清洁生产工艺、优化物料管理、推行精细化管理等，可以有效减少废物产生量。
▮▮▮▮⚝ 稳定化技术 (Stabilization Technologies)：稳定化技术是指将废物中的有害成分转化为稳定、无害的形态，降低其环境风险的技术。例如，采用固化、稳定化、钝化等技术，将重金属废物、危险废物等进行稳定化处理，减少其迁移性和毒性。
▮▮▮▮⚝ 无害化处置技术 (Harmless Disposal Technologies)：无害化处置技术是指对无法资源化利用和稳定化处理的废物，进行安全、无害化处置的技术。例如，采用安全填埋、焚烧、热解等技术，对生活垃圾、工业废物等进行无害化处置，减少其对环境和健康的危害。
这些关键技术是清洁生产的重要支撑，企业应根据自身的生产特点和污染情况，选择合适的清洁生产技术，实施清洁生产，实现可持续发展。
9.3.3 循环经济的理念与模式 (Concepts and Models of Circular Economy)
介绍循环经济的定义、核心理念（资源循环利用、废物最小化、生态设计），以及循环经济的典型模式（3R原则、工业生态学、生态工业园区等）。
循环经济 (Circular Economy, CE) 是一种与传统线性经济模式（“资源-生产-消费-废弃”）相对立的新型经济发展模式。循环经济以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源化 (3R)” 为原则，旨在最大限度地减少资源消耗和废物产生，实现经济发展与环境保护的协调统一。循环经济不仅是一种经济模式，更是一种可持续发展的理念和战略，它强调经济、环境和社会效益的协同提升，构建资源节约型、环境友好型社会。
循环经济的核心理念主要包括以下几个方面：
① 资源循环利用 (Resource Cycling)：“物尽其用，循环往复”，资源循环利用是循环经济最核心的理念。循环经济强调将资源在经济系统中进行循环利用，减少对原生资源的开采和消耗，延长资源的使用寿命。资源循环利用包括物质循环利用和能量循环利用。物质循环利用是指将生产和消费过程中产生的废弃物，经过回收、加工、再生等处理，重新作为资源投入到生产和消费环节，实现物质的闭环流动。能量循环利用是指将生产和消费过程中产生的余热、余压等能量，进行回收利用，提高能源利用效率，减少能源消耗。
② 废物最小化 (Waste Minimization)：“源头减量，减少排放”，废物最小化是循环经济的重要目标。循环经济强调从源头减少废物的产生，通过清洁生产、绿色设计等措施，减少生产和消费过程中的废物产生量。对于无法避免产生的废物，要尽可能进行资源化利用，减少最终处置量。废物最小化不仅可以减少环境污染，还可以节约资源，降低生产成本。
③ 生态设计 (Eco-design)：“绿色设计，环境友好”，生态设计是循环经济的重要手段。生态设计是指在产品设计阶段，就充分考虑产品的环境影响，从产品的全生命周期角度，优化产品设计，减少产品对环境的负面影响。生态设计包括产品轻量化设计、产品模块化设计、产品可拆卸设计、产品可回收设计、产品可降解设计等。生态设计可以提高产品的资源利用效率，延长产品的使用寿命，方便产品的回收和再利用，减少产品废弃后的环境污染。
循环经济的典型模式主要包括以下几种：
① 3R原则 (3R Principles)：“减量化、再利用、资源化”，3R原则是循环经济的基本原则和行动指南。3R原则包括 Reduce (减量化)、Reuse (再利用) 和 Recycle (资源化) 三个方面。
▮▮▮▮⚝ Reduce (减量化)：减量化是指从源头减少资源消耗和废物产生。例如，采用清洁生产工艺，提高资源利用效率，减少物料损耗；推行绿色消费，减少过度消费和浪费性消费；推广简约包装，减少包装材料的使用。
▮▮▮▮⚝ Reuse (再利用)：再利用是指将产品或零部件经过清洗、维修、翻新等处理后，重新用于原用途或其他用途，延长产品的使用寿命。例如，推广旧货交易、二手商品市场；鼓励产品再制造，将废旧产品经过再制造后，恢复原有性能，重新投放市场；推广包装物回收再利用，如玻璃瓶、塑料箱、托盘等。
▮▮▮▮⚝ Recycle (资源化)：资源化是指将废弃物经过回收、加工、再生等处理后，转化为新的资源或产品，实现废物的循环利用。例如，回收废纸、废塑料、废金属、废玻璃等，再生为纸张、塑料制品、金属材料、玻璃制品等；将餐厨垃圾、园林垃圾等有机废弃物进行堆肥、厌氧消化等处理，生产有机肥料、沼气等。
② 工业生态学 (Industrial Ecology)：“产业共生，协同发展”，工业生态学是循环经济在产业层面的应用模式。工业生态学借鉴自然生态系统的运行规律，将工业系统视为一个生态系统，强调不同企业之间通过物质、能量和信息的交换与共享，形成互利共赢的生态网络，实现资源的高效利用和废物的最小化排放。工业生态学主要包括产业共生和生态工业园区两种模式。
▮▮▮▮⚝ 产业共生 (Industrial Symbiosis)：产业共生是指不同企业之间通过物质、能量和信息的交换与共享，实现资源的高效利用和废物的最小化排放。例如，一家企业的废弃物可以作为另一家企业的原料，一家企业的余热可以供给另一家企业使用，实现企业之间的资源共享和协同发展。
▮▮▮▮⚝ 生态工业园区 (Eco-industrial Park, EIP)：生态工业园区是指在一定区域内，通过产业共生、资源共享、废物交换等方式，将多个企业组织起来，形成一个资源高效利用、环境污染最小化的产业集群。生态工业园区的目标是实现园区内企业之间的资源循环利用和协同发展，构建区域循环经济体系。
③ 产品服务系统 (Product Service System, PSS)：“服务替代产品，共享经济”，产品服务系统是循环经济在消费层面的创新模式。产品服务系统是指企业不再仅仅销售产品，而是向消费者提供满足其需求的服务，通过服务替代产品，减少产品拥有量，提高产品利用率，降低资源消耗和环境影响。产品服务系统主要包括产品租赁、产品共享、产品功能外包等模式。
▮▮▮▮⚝ 产品租赁 (Product Leasing)：产品租赁是指企业将产品租赁给消费者使用，消费者只需支付租金，无需购买产品的所有权。例如，汽车租赁、设备租赁、服装租赁等。产品租赁可以提高产品利用率，减少产品闲置，降低资源消耗。
▮▮▮▮⚝ 产品共享 (Product Sharing)：产品共享是指多个消费者共同使用一个产品，提高产品利用率，减少产品拥有量。例如，共享单车、共享汽车、共享充电宝等。产品共享可以减少产品生产量，降低资源消耗和环境污染。
▮▮▮▮⚝ 产品功能外包 (Product Function Outsourcing)：产品功能外包是指企业不再销售产品本身，而是向消费者提供产品的功能服务，满足消费者的需求。例如，照明服务、交通运输服务、清洁服务等。产品功能外包可以促使企业更加关注产品的性能和效率，而不是产品的销售量，从而推动产品向更加高效、环保的方向发展。
循环经济的这些理念和模式，为构建绿色低碳循环发展的经济体系提供了重要的理论指导和实践路径。推动循环经济发展，是实现资源节约和环境保护，建设生态文明，实现可持续发展的必然选择。
9.3.4 循环经济的发展路径与政策支持 (Development Paths and Policy Support for Circular Economy)
探讨循环经济的发展路径（资源节约型产业、再制造产业、废旧物资回收利用体系等），以及政府在推动循环经济发展中的政策支持作用。
循环经济的发展是一个系统工程，需要明确发展路径，并辅以强有力的政策支持，才能有效地推进和实现。
循环经济的发展路径主要包括以下几个方面：
① 发展资源节约型产业 (Resource-Saving Industries)：“节约优先，绿色发展”，发展资源节约型产业是循环经济发展的首要路径。资源节约型产业是指在生产过程中，能够最大限度地节约资源、提高资源利用效率的产业。资源节约型产业包括节能产业、节水产业、节材产业、资源综合利用产业等。发展资源节约型产业，可以从源头上减少资源消耗，降低环境污染，提高经济效益。例如，发展节能环保设备制造产业、高效节水灌溉设备制造产业、新型建筑材料产业、再生资源回收利用产业等，都是发展资源节约型产业的重要方向。
② 发展再制造产业 (Remanufacturing Industry)：“旧物新生，循环利用”，发展再制造产业是循环经济发展的重要组成部分。再制造产业是指将废旧产品经过专业化修复和改造后，使其性能和质量达到或超过新品水平的产业。再制造产业可以延长产品的使用寿命，节约资源和能源，减少废物产生，具有显著的经济、环境和社会效益。再制造产业主要包括汽车零部件再制造、工程机械再制造、机床再制造、办公设备再制造等领域。发展再制造产业，需要建立完善的回收体系、技术标准体系、质量保障体系和市场推广体系。
③ 建立和完善废旧物资回收利用体系 (Waste Material Recycling System)：“回收利用，变废为宝”，建立和完善废旧物资回收利用体系是循环经济发展的基础支撑。废旧物资回收利用体系是指将生产和消费过程中产生的废旧物资，如废纸、废塑料、废金属、废玻璃、废旧家电、废旧轮胎等，进行分类收集、运输、分拣、加工、再生利用的系统。建立和完善废旧物资回收利用体系，可以提高废旧物资的回收率和资源化利用率，减少资源浪费和环境污染。废旧物资回收利用体系包括回收网络建设、分拣中心建设、再生利用基地建设、信息平台建设等。
④ 推行生产者责任延伸制度 (Extended Producer Responsibility, EPR)：“生产者负责，全程管理”，推行生产者责任延伸制度是循环经济发展的重要制度创新。生产者责任延伸制度是指将生产者对其产品承担的责任，从生产环节延伸到产品的整个生命周期，特别是产品的废弃物管理环节。生产者责任延伸制度要求生产者承担产品废弃后的回收、处理和资源化利用的责任，促使生产者在产品设计、生产和销售环节，就充分考虑产品的环境影响，推动绿色设计和清洁生产。生产者责任延伸制度主要应用于包装物、废旧电器电子产品、废旧汽车、废旧电池等领域。
⑤ 发展共享经济 (Sharing Economy)：“共享资源，高效利用”，发展共享经济是循环经济在消费领域的创新模式。共享经济是指通过互联网平台等方式，将闲置资源（如房屋、汽车、物品、技能等）进行有偿或无偿共享，提高资源利用效率，满足社会需求，降低资源消耗和环境影响。共享经济主要包括共享出行、共享住宿、共享办公、共享物品等领域。发展共享经济，需要完善监管体系，保障消费者权益，规范市场秩序。
政府在推动循环经济发展中，发挥着至关重要的政策支持作用。政府的政策支持主要体现在以下几个方面：
① 制定和完善循环经济法律法规和标准 (Laws, Regulations and Standards for Circular Economy)：政府应制定和完善循环经济相关的法律法规和标准，为循环经济发展提供法律保障和技术规范。例如，制定循环经济促进法、资源综合利用法、废弃物管理法等法律法规；制定再生产品标准、再制造产品标准、绿色产品标准等技术标准；制定循环经济评价指标体系、循环经济统计制度等。
② 出台循环经济财税激励政策 (Fiscal and Tax Incentives for Circular Economy)：政府应出台循环经济财税激励政策，鼓励企业和公众参与循环经济发展。例如，对循环经济企业给予税收优惠、财政补贴、贷款贴息等政策支持；对购买再生产品、绿色产品的消费者给予消费补贴；对废旧物资回收利用企业给予税收减免、财政奖励等。
③ 加大循环经济科技研发投入 (R&D Investment in Circular Economy Technologies)：政府应加大循环经济科技研发投入，支持循环经济关键技术研发和推广应用。例如，支持资源高效利用技术研发、废物资源化利用技术研发、再制造技术研发、绿色设计技术研发、循环经济模式创新等。
④ 加强循环经济宣传教育和能力建设 (Public Awareness and Capacity Building for Circular Economy)：政府应加强循环经济宣传教育，提高公众对循环经济的认知度和参与度，营造良好的社会氛围。例如，开展循环经济宣传周活动、举办循环经济论坛和展览、制作循环经济宣传片和公益广告、开展循环经济培训和咨询服务等。
⑤ 推动循环经济国际合作 (International Cooperation on Circular Economy)：政府应加强循环经济国际合作，学习借鉴国际先进经验，推动循环经济技术和产业的国际交流与合作。例如，参与国际循环经济组织和倡议、开展循环经济国际研讨会和交流活动、引进国外先进循环经济技术和管理经验、推动国内循环经济企业“走出去”等。
政府的政策支持是循环经济发展的关键驱动力。只有政府、企业、公众和社会各界共同努力，才能有效地推动循环经济发展，构建绿色低碳循环发展的经济体系，实现可持续发展目标。
9.4 环境友好材料与技术 (Environmentally Friendly Materials and Technologies)
介绍环境友好材料的类型、特点、应用，以及环境友好技术的分类、发展趋势。
9.4.1 环境友好材料的类型与特点 (Types and Characteristics of Environmentally Friendly Materials)
介绍可降解材料、生物基材料、生态建材、环境净化材料等环境友好材料的类型、性能特点和环境优势。
环境友好材料 (Environmentally Friendly Materials)，又称作绿色材料、生态材料或可持续材料，是指在材料的全生命周期内，对环境和人类健康负面影响最小的材料。环境友好材料具有资源节约、能源节约、低污染、可回收、可降解等特点，是实现环境可持续发展的重要物质基础。环境友好材料的开发和应用，可以减少资源消耗，降低环境污染，改善人居环境，提高生活质量。
环境友好材料的类型多种多样，根据其主要特点和应用领域，可以分为以下几类：
① 可降解材料 (Degradable Materials)：“自然降解，减少污染”，可降解材料是指在使用后，在自然环境条件下，能够被微生物或光、热等因素分解为无害物质的材料。可降解材料主要用于替代传统的难降解塑料，解决白色污染问题。可降解材料主要包括生物降解塑料和光降解塑料。
▮▮▮▮⚝ 生物降解塑料 (Biodegradable Plastics)：生物降解塑料是指在自然界中，如土壤、堆肥、海洋等环境中，能够被微生物完全分解为二氧化碳和水等无害物质的塑料。生物降解塑料的主要原料包括淀粉、纤维素、聚乳酸 (PLA)、聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 等生物质资源。生物降解塑料具有良好的生物相容性和生物安全性，广泛应用于包装材料、农用地膜、一次性餐具、医用材料等领域。
▮▮▮▮⚝ 光降解塑料 (Photodegradable Plastics)：光降解塑料是指在阳光或紫外线照射下，能够发生降解的塑料。光降解塑料通常是在传统塑料中添加光敏剂，使其在光照条件下发生断链、氧化等降解反应。光降解塑料主要应用于农用地膜、一次性包装袋等领域。但光降解塑料的降解产物可能仍存在环境污染问题，生物降解塑料是更理想的可降解材料。
② 生物基材料 (Bio-based Materials)：“生物来源，绿色环保”，生物基材料是指以可再生生物质资源为原料制备的材料。生物基材料的原料来源广泛，如植物秸秆、木材、竹子、天然橡胶、天然纤维、植物油、淀粉、糖等。生物基材料具有资源可再生、环境友好、碳中和等优点，是替代化石资源基材料的重要方向。生物基材料主要包括生物基塑料、生物基纤维、生物基橡胶、生物基涂料、生物基胶粘剂等。
▮▮▮▮⚝ 生物基塑料 (Bio-based Plastics)：生物基塑料是指以生物质为原料制备的塑料。生物基塑料与生物降解塑料有所区别，生物基塑料强调原料来源，生物降解塑料强调降解性能。有些生物基塑料也具有生物降解性，如PLA、PHA等，有些生物基塑料则不具有生物降解性，如生物基聚乙烯 (Bio-PE)、生物基聚丙烯 (Bio-PP) 等。生物基塑料广泛应用于包装、汽车、电子、纺织、农业、建筑等领域。
▮▮▮▮⚝ 生物基纤维 (Bio-based Fibers)：生物基纤维是指以生物质为原料制备的纤维。生物基纤维包括天然纤维和再生纤维。天然纤维如棉、麻、丝、毛等，再生纤维如粘胶纤维、莫代尔纤维、莱赛尔纤维等。生物基纤维具有吸湿性好、透气性好、舒适性好、可生物降解等优点，广泛应用于纺织服装、家用纺织品、产业用纺织品等领域。
③ 生态建材 (Ecological Building Materials)：“绿色建筑，健康人居”，生态建材是指在建筑工程中使用的，具有节能、环保、健康、舒适等特点的建筑材料。生态建材主要包括节能保温材料、新型墙体材料、绿色装饰材料、可再生建材等。
▮▮▮▮⚝ 节能保温材料 (Energy-Saving Insulation Materials)：节能保温材料是指具有良好保温隔热性能的建筑材料，可以减少建筑能耗，提高建筑节能水平。例如，岩棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、泡沫玻璃、真空绝热板等。
▮▮▮▮⚝ 新型墙体材料 (New Wall Materials)：新型墙体材料是指替代传统黏土砖的新型墙体材料，如混凝土空心砌块、加气混凝土砌块、轻质隔墙板、石膏砌块、复合墙板等。新型墙体材料具有轻质、高强、节能、环保等优点，可以节约土地资源，保护耕地。
▮▮▮▮⚝ 绿色装饰材料 (Green Decoration Materials)：绿色装饰材料是指在室内装饰装修中使用的，无毒、无害、低挥发性有机物 (VOCs) 释放的装饰材料。例如，水性涂料、植物涂料、硅藻泥、天然壁纸、实木地板、竹地板、软木地板等。绿色装饰材料可以改善室内空气质量，保障人居健康。
▮▮▮▮⚝ 可再生建材 (Recycled Building Materials)：可再生建材是指利用建筑废弃物、工业废渣、农业废弃物等制备的建筑材料。例如，再生骨料混凝土、再生砖、再生瓦、再生木材、再生塑料建材等。可再生建材可以减少建筑废弃物排放，节约资源，保护环境。
④ 环境净化材料 (Environmental Purification Materials)：“净化环境，改善质量”，环境净化材料是指具有吸附、降解、催化等功能，可以用于净化空气、净化水、修复土壤等环境的材料。环境净化材料主要包括吸附材料、催化材料、光催化材料、生物净化材料等。
▮▮▮▮⚝ 吸附材料 (Adsorption Materials)：吸附材料是指具有吸附性能的材料，可以吸附空气、水、土壤中的污染物。例如，活性炭、分子筛、沸石、活性氧化铝、硅藻土、生物炭等。吸附材料广泛应用于空气净化器、净水器、污水处理、土壤修复等领域。
▮▮▮▮⚝ 催化材料 (Catalytic Materials)：催化材料是指具有催化活性的材料，可以催化降解空气、水、土壤中的污染物。例如，贵金属催化剂、金属氧化物催化剂、分子筛催化剂、酶催化剂等。催化材料广泛应用于汽车尾气净化、工业废气治理、污水处理、土壤修复等领域。
▮▮▮▮⚝ 光催化材料 (Photocatalytic Materials)：光催化材料是指在光照条件下，能够产生催化活性的材料，可以光催化降解空气、水、土壤中的有机污染物和无机污染物。例如，二氧化钛 (TiO2)、氧化锌 (ZnO)、硫化镉 (CdS) 等。光催化材料具有高效、节能、无二次污染等优点，广泛应用于空气净化、水净化、自清洁材料等领域。
▮▮▮▮⚝ 生物净化材料 (Biopurification Materials)：生物净化材料是指利用生物活性物质或生物技术制备的净化材料，可以生物降解空气、水、土壤中的污染物。例如，生物滤池填料、生物活性炭、酶固定化材料、微生物菌剂等。生物净化材料具有环境友好、成本低廉、效果持久等优点，广泛应用于污水处理、土壤修复、生态修复等领域。
这些环境友好材料各具特点，在不同的领域发挥着重要的作用。随着科技的不断进步，新型环境友好材料将不断涌现，为实现环境可持续发展提供更加有力的支撑。
9.4.2 环境友好材料的应用 (Applications of Environmentally Friendly Materials)
介绍环境友好材料在包装、建筑、交通、农业、环保等领域的应用案例。
环境友好材料凭借其独特的性能和环境优势，在包装、建筑、交通、农业、环保等领域得到了广泛的应用，并不断拓展新的应用领域。
① 包装领域 (Packaging)：“绿色包装，减少污染”，包装领域是环境友好材料应用的重要领域。传统的塑料包装材料难以降解，造成白色污染。环境友好材料在包装领域的应用，主要体现在可降解包装材料和生物基包装材料的推广应用。
▮▮▮▮⚝ 可降解包装材料：可降解包装材料如生物降解塑料薄膜、生物降解塑料袋、生物降解塑料餐盒、生物降解塑料缓冲材料等，广泛应用于食品包装、商品包装、快递包装、农产品包装等领域。可降解包装材料在使用后，可以自然降解，减少塑料污染，保护环境。例如，PLA、PHA等生物降解塑料已广泛应用于食品软包装、一次性餐具、农用地膜等领域。
▮▮▮▮⚝ 生物基包装材料：生物基包装材料如生物基塑料包装、生物基纸质包装、生物基纤维包装等，以可再生生物质为原料，减少对化石资源的依赖，降低碳排放。例如，生物基聚乙烯、生物基聚丙烯等生物基塑料已应用于饮料瓶、化妆品瓶、日用品包装等领域；生物基纸质包装如再生纸包装、植物纤维纸包装等，已应用于商品包装、礼品包装、运输包装等领域。
② 建筑领域 (Construction)：“绿色建筑，节能环保”，建筑领域是环境友好材料应用的关键领域。建筑能耗占社会总能耗的很大比例，建筑材料的生产和使用也对环境造成较大影响。环境友好材料在建筑领域的应用，主要体现在生态建材的推广应用。
▮▮▮▮⚝ 生态建材：生态建材如节能保温材料、新型墙体材料、绿色装饰材料、可再生建材等，广泛应用于住宅建筑、公共建筑、工业建筑等领域。生态建材可以提高建筑节能水平，改善室内环境质量，减少建筑废弃物排放，实现绿色建筑。例如，岩棉、玻璃棉等节能保温材料已广泛应用于建筑外墙保温、屋面保温；加气混凝土砌块、轻质隔墙板等新型墙体材料已应用于建筑墙体；水性涂料、硅藻泥等绿色装饰材料已应用于室内装饰装修；再生骨料混凝土、再生砖等可再生建材已应用于道路铺装、园林景观。
③ 交通领域 (Transportation)：“绿色交通，低碳出行”，交通领域是环境友好材料应用的新兴领域。汽车、轨道交通、航空航天等交通工具的轻量化、节能化、环保化，离不开环境友好材料的应用。环境友好材料在交通领域的应用，主要体现在轻量化材料、生物燃料、环保内饰材料的开发应用。
▮▮▮▮⚝ 轻量化材料 (Lightweight Materials)：轻量化材料如高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料、塑料复合材料等，应用于汽车车身、零部件、轨道交通车辆、航空航天器等，可以减轻交通工具的重量，降低能耗，减少排放。例如，铝合金车身、碳纤维复合材料车身、塑料保险杠、塑料仪表盘等已在汽车上得到广泛应用。
▮▮▮▮⚝ 生物燃料 (Biofuels)：生物燃料如生物乙醇、生物柴油、生物航空煤油等，以可再生生物质为原料，替代传统的化石燃料，减少温室气体排放，应对气候变化。例如，生物乙醇汽油、生物柴油已在汽车上得到推广应用；生物航空煤油正在航空领域进行试验和应用。
▮▮▮▮⚝ 环保内饰材料 (Environmentally Friendly Interior Materials)：环保内饰材料如生物基塑料内饰件、天然纤维内饰件、低VOCs释放内饰件等，应用于汽车内饰、轨道交通车辆内饰、航空器内饰等，可以改善车内空气质量，保障乘客健康。例如，生物基塑料座椅、天然纤维地毯、低VOCs释放胶粘剂等已在交通工具内饰中得到应用。
④ 农业领域 (Agriculture)：“绿色农业，生态种植”，农业领域是环境友好材料应用的重要领域。农业生产中使用的农膜、农药、化肥等，对环境造成一定的影响。环境友好材料在农业领域的应用，主要体现在可降解农膜、生物农药、生物肥料的推广应用。
▮▮▮▮⚝ 可降解农膜 (Biodegradable Agricultural Films)：可降解农膜如生物降解地膜、生物降解育苗袋、生物降解棚膜等，应用于蔬菜种植、水果种植、粮食种植、花卉种植等领域。可降解农膜在使用后，可以自然降解，无需人工回收，减少农田残膜污染，提高土壤质量。例如，PLA、PHA等生物降解塑料农膜已在部分地区得到推广应用。
▮▮▮▮⚝ 生物农药 (Bio-pesticides)：生物农药如微生物农药、植物源农药、生物化学农药等，以生物活性物质为有效成分，对环境和人畜毒性较低，减少化学农药污染。例如，苏云金杆菌、绿僵菌等微生物农药已广泛应用于病虫害防治；除虫菊素、印楝素等植物源农药已应用于蔬菜、水果等作物病虫害防治。
▮▮▮▮⚝ 生物肥料 (Bio-fertilizers)：生物肥料如微生物肥料、有机肥料、生物有机肥等，以生物活性物质或有机物为主要成分，可以改善土壤肥力，提高作物产量，减少化学肥料污染。例如，根瘤菌肥料、磷细菌肥料、硅酸盐细菌肥料等微生物肥料已应用于豆科作物、玉米、水稻等作物；堆肥、沤肥、绿肥等有机肥料已广泛应用于农业生产。
⑤ 环保领域 (Environmental Protection)：“环境治理，生态修复”，环保领域是环境友好材料应用的核心领域。环境净化材料、生态修复材料等环境友好材料，在水污染治理、大气污染治理、土壤污染修复、生态修复等方面发挥着重要作用。
▮▮▮▮⚝ 环境净化材料：环境净化材料如活性炭、分子筛、沸石、生物炭、光催化材料等，应用于空气净化器、净水器、污水处理厂、废气处理设备、土壤修复工程等，可以有效去除空气、水、土壤中的污染物，改善环境质量。例如，活性炭已广泛应用于自来水厂、污水处理厂、空气净化器；分子筛已应用于工业废气治理、汽车尾气净化；生物炭已应用于土壤修复、水体净化。
▮▮▮▮⚝ 生态修复材料：生态修复材料如植生毯、生态袋、生物网、土壤改良剂等，应用于矿山复绿、荒漠化治理、湿地修复、河道治理、边坡防护等生态修复工程，可以促进植被恢复，改善生态环境。例如，植生毯已应用于边坡绿化、矿山复绿；生态袋已应用于河道治理、边坡防护；生物网已应用于植被恢复、土壤固沙。
环境友好材料的应用领域还在不断拓展，随着科技的进步和人们环保意识的提高，环境友好材料将在更多领域发挥重要作用，为实现环境可持续发展做出更大贡献。
9.4.3 环境友好技术的分类与发展趋势 (Classification and Development Trends of Environmentally Friendly Technologies)
介绍环境友好技术的分类（污染防治技术、资源节约技术、生态保护技术等），以及环境友好技术的发展趋势（高效、低耗、清洁、智能化）。
环境友好技术 (Environmentally Friendly Technologies)，又称作绿色技术、清洁技术或可持续技术，是指在生产、生活和消费等各个领域，能够减少资源消耗、降低环境污染、改善环境质量、保护生态环境的技术。环境友好技术是实现环境可持续发展的关键支撑，是推动绿色发展、循环发展、低碳发展的重要动力。
环境友好技术的分类方式多样，根据其主要功能和应用领域，可以分为以下几类：
① 污染防治技术 (Pollution Prevention and Control Technologies)：“末端治理，达标排放”，污染防治技术是指用于治理和控制环境污染的技术，包括大气污染防治技术、水污染防治技术、土壤污染防治技术、固体废物处理处置技术、噪声污染防治技术等。
▮▮▮▮⚝ 大气污染防治技术 (Air Pollution Control Technologies)：大气污染防治技术是指用于治理和控制大气污染的技术，包括颗粒物控制技术、硫氧化物控制技术、氮氧化物控制技术、挥发性有机物 (VOCs) 控制技术、重金属污染控制技术等。例如，除尘技术、脱硫技术、脱硝技术、VOCs治理技术、重金属废气治理技术等。
▮▮▮▮⚝ 水污染防治技术 (Water Pollution Control Technologies)：水污染防治技术是指用于治理和控制水污染的技术，包括污水处理技术、饮用水处理技术、工业废水处理技术、农村污水处理技术、重金属废水处理技术等。例如，物理处理法、化学处理法、生物处理法、膜分离技术、高级氧化技术等。
▮▮▮▮⚝ 土壤污染防治技术 (Soil Pollution Control Technologies)：土壤污染防治技术是指用于治理和修复土壤污染的技术，包括土壤修复技术、土壤污染阻控技术、土壤污染监测技术等。例如，物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术、植物修复技术、固化稳定化技术、淋洗技术等。
▮▮▮▮⚝ 固体废物处理处置技术 (Solid Waste Treatment and Disposal Technologies)：固体废物处理处置技术是指用于处理和处置固体废物的技术，包括生活垃圾处理技术、工业固体废物处理技术、危险废物处理技术、建筑垃圾处理技术、农业废弃物处理技术等。例如，卫生填埋、焚烧、堆肥、厌氧消化、热解、气化、水泥窑协同处置等。
▮▮▮▮⚝ 噪声污染防治技术 (Noise Pollution Control Technologies)：噪声污染防治技术是指用于治理和控制噪声污染的技术，包括声源控制技术、传播途径控制技术、受声者防护技术等。例如，隔声、吸声、消声、减振、绿化降噪等。
② 资源节约技术 (Resource Saving Technologies)：“节约资源，提高效率”，资源节约技术是指用于节约资源、提高资源利用效率的技术，包括节能技术、节水技术、节材技术、资源综合利用技术、循环经济技术等。
▮▮▮▮⚝ 节能技术 (Energy Saving Technologies)：节能技术是指用于节约能源、提高能源利用效率的技术，包括工业节能技术、建筑节能技术、交通节能技术、生活节能技术等。例如，高效电机、变频调速、余热回收、热泵技术、能量系统优化、建筑保温隔热、绿色照明、智能交通、节约用电、节约用气等。
▮▮▮▮⚝ 节水技术 (Water Saving Technologies)：节水技术是指用于节约水资源、提高水资源利用效率的技术，包括工业节水技术、农业节水技术、生活节水技术、海水淡化技术、雨水收集利用技术等。例如，循环冷却水系统、中水回用系统、膜分离技术、无水或少水工艺、喷灌、滴灌、节水器具、雨水收集利用、海水淡化等。
▮▮▮▮⚝ 节材技术 (Material Saving Technologies)：节材技术是指用于节约原材料、提高原材料利用率的技术，包括轻量化设计技术、精密加工技术、优化工艺流程技术、材料回收利用技术等。例如，轻量化设计、精密加工、优化工艺、减少边角料、回收利用废旧材料、再生材料利用等。
▮▮▮▮⚝ 资源综合利用技术 (Integrated Resource Utilization Technologies)：资源综合利用技术是指将生产和消费过程中产生的废弃物资源化利用的技术，包括废物资源化技术、副产品综合利用技术、再生资源回收利用技术等。例如，废物资源化、副产品综合利用、再生资源回收利用、共伴生矿产资源综合利用、尾矿综合利用、工业固废综合利用、农业废弃物综合利用等。
▮▮▮▮⚝ 循环经济技术 (Circular Economy Technologies)：循环经济技术是指支持循环经济发展模式的技术，包括清洁生产技术、再制造技术、共享经济技术、生态设计技术、工业生态学技术等。例如，清洁生产工艺、再制造技术、共享单车、共享汽车、生态设计、工业共生、生态工业园区等。
③ 生态保护技术 (Ecological Protection Technologies)：“保护生态，修复环境”，生态保护技术是指用于保护生态环境、修复退化生态系统的技术，包括生物多样性保护技术、生态修复技术、生态监测技术、生态农业技术、生态旅游技术等。
▮▮▮▮⚝ 生物多样性保护技术 (Biodiversity Conservation Technologies)：生物多样性保护技术是指用于保护生物多样性、防止物种灭绝的技术，包括就地保护技术、迁地保护技术、遗传资源保护技术、生态廊道建设技术、外来物种入侵防控技术等。例如，建立自然保护区、建立植物园、动物园、建立基因库、建设生态廊道、开展外来物种入侵防控等。
▮▮▮▮⚝ 生态修复技术 (Ecological Restoration Technologies)：生态修复技术是指用于修复退化生态系统、恢复生态系统功能的技术，包括植被恢复技术、湿地修复技术、河流修复技术、土壤修复技术、矿山复绿技术、荒漠化治理技术等。例如，植树造林、退耕还林还草、湿地恢复、河流生态修复、土壤修复、矿山复绿、荒漠化治理等。
▮▮▮▮⚝ 生态监测技术 (Ecological Monitoring Technologies)：生态监测技术是指用于监测生态环境状况、评估生态系统健康状况的技术，包括遥感监测技术、地面监测技术、生物监测技术、生态风险评估技术等。例如，遥感监测、地面监测站、生物指示物种监测、生态风险评估模型等。
▮▮▮▮⚝ 生态农业技术 (Ecological Agriculture Technologies)：生态农业技术是指遵循生态学原理，发展可持续农业的技术，包括有机农业技术、循环农业技术、立体农业技术、节水农业技术、生态养殖技术等。例如，有机种植、生态养殖、循环农业模式、立体农业模式、节水灌溉、生物防治、秸秆还田、测土配方施肥等。
▮▮▮▮⚝ 生态旅游技术 (Ecological Tourism Technologies)：生态旅游技术是指在保护生态环境的前提下，发展可持续旅游的技术，包括生态旅游规划技术、生态旅游管理技术、生态旅游设施建设技术、生态旅游环境教育技术等。例如，生态旅游规划、生态旅游管理、生态旅游设施建设、生态旅游环境教育、社区参与式生态旅游等。
环境友好技术的发展趋势主要体现在以下几个方面：
① 高效化 (High Efficiency)：环境友好技术将朝着更加高效的方向发展，提高资源利用效率，降低能源消耗，减少污染物排放，提高环境治理效果。例如，高效节能技术、高效节水技术、高效污染治理技术、高效生态修复技术等。
② 低耗化 (Low Consumption)：环境友好技术将朝着更加低耗的方向发展，减少材料消耗、能源消耗、水资源消耗、化学试剂消耗等，降低环境影响和经济成本。例如，低能耗污染治理技术、低水耗生产工艺、低溶剂化学合成技术、低碳排放技术等。
③ 清洁化 (Clean)：环境友好技术将朝着更加清洁的方向发展，采用清洁的生产工艺和技术，从源头减少污染物产生，实现清洁生产和绿色制造。例如，清洁生产工艺、绿色化学合成技术、无废或少废工艺、生物技术、可再生能源技术等。
④ 智能化 (Intelligent)：环境友好技术将朝着更加智能化的方向发展，利用物联网、大数据、人工智能等信息技术，实现环境监测、污染治理、资源管理、生态保护的智能化和精细化管理。例如，智能环境监测系统、智能污水处理系统、智能能源管理系统、智能生态保护系统等。
⑤ 集成化 (Integrated)：环境友好技术将朝着更加集成化的方向发展，将多种环境友好技术集成应用，形成综合性的环境解决方案，提高环境治理和资源利用的整体效果。例如，污染防治与资源回收集成技术、生态修复与景观建设集成技术、能源节约与碳减排集成技术等。
⑥ 生物化 (Biological)：环境友好技术将更加注重生物技术的应用，利用生物的特性和功能，解决环境问题，实现生态友好和可持续发展。例如，生物修复技术、生物净化技术、生物农药、生物肥料、生物基材料、生物能源等。
⑦ 循环化 (Circular)：环境友好技术将更加注重循环经济理念的应用，推动资源循环利用，减少废物产生，构建循环经济体系。例如，循环经济技术、再制造技术、资源综合利用技术、废物资源化技术、生态工业园区技术等。
环境友好技术是推动环境可持续发展的核心动力，随着科技的不断进步和创新，环境友好技术将不断发展和完善，为构建美丽中国和实现可持续发展目标提供更加有力的技术支撑。
10. 环境化学前沿与展望 (Frontiers and Prospects of Environmental Chemistry)
本章旨在展望环境化学学科的未来发展趋势，并深入探讨在新兴污染物、全球环境变化、环境健康以及绿色可持续发展等关键领域所面临的研究前沿和挑战。环境化学作为一门不断发展的交叉学科，其未来走向将紧密围绕解决日益严峻的全球环境问题，并为构建人类命运共同体贡献力量。
10.1 新兴污染物研究前沿 (Frontiers in Emerging Pollutant Research)
新兴污染物 (Emerging Pollutants, EPs) 是指近年来才被人们逐渐认识到其环境和健康风险，但尚未被纳入常规环境监测和管理的污染物。它们种类繁多、来源广泛、环境行为复杂且潜在危害巨大，已成为当前环境化学领域的研究热点和前沿方向。本节将介绍微塑料 (Microplastics, MPs)、纳米材料 (Nanomaterials, NMs)、抗生素 (Antibiotics)、内分泌干扰物 (Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs) 以及全氟化合物 (Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS) 等几类典型新兴污染物的最新研究进展。
10.1.1 微塑料的环境行为与生态效应 (Environmental Behavior and Ecological Effects of Microplastics)
微塑料是指粒径小于 5 mm 的塑料碎片和颗粒，由于其持久性、广泛性和潜在的生物可利用性，已成为全球关注的新型环境污染物。
① 微塑料的来源 (Sources of Microplastics)
微塑料的来源主要分为初生微塑料 (primary microplastics) 和 次生微塑料 (secondary microplastics) 两大类：
▮▮▮▮ⓐ 初生微塑料: 直接以微小尺寸生产的塑料颗粒，例如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 工业塑料微珠 (industrial plastic microbeads): 常用于磨砂膏、牙膏等个人护理产品以及工业清洗剂中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 塑料纤维 (plastic fibers): 纺织品纤维、渔网纤维等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 塑料微粒 (plastic pellets/nurdles): 塑料生产过程中的中间产品，运输和加工过程中易泄漏到环境中。
▮▮▮▮ⓔ 次生微塑料: 大型塑料垃圾在自然环境中经过物理、化学和生物作用降解破碎形成的微小塑料颗粒，例如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 塑料碎片 (plastic fragments): 塑料瓶、塑料袋等大型塑料垃圾破碎形成的碎片。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 塑料纤维 (plastic fibers): 轮胎磨损产生的橡胶颗粒、道路划线漆脱落产生的颗粒等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 塑料薄膜 (plastic films): 农用地膜、包装薄膜等破碎形成的薄膜碎片。
② 微塑料的环境赋存与迁移转化 (Environmental Occurrence, Migration and Transformation of Microplastics)
微塑料已在全球各种环境介质中被广泛检出，包括：
▮▮▮▮ⓐ 水环境 (Aquatic environment): 海洋、河流、湖泊、沉积物、甚至饮用水中均有发现。海洋是微塑料污染最严重的受体之一，尤其是在海洋环流 (ocean gyres) 区域，微塑料富集现象显著。
▮▮▮▮ⓑ 土壤环境 (Soil environment): 农田土壤、城市绿地土壤、森林土壤等均受到微塑料污染，主要来源于农膜残留、污水灌溉、大气沉降以及施用污泥等。
▮▮▮▮ⓒ 大气环境 (Atmospheric environment): 微塑料可以通过风力输送、大气环流进行长距离迁移，甚至在偏远地区和极地地区的大气和降雪中也发现了微塑料。
▮▮▮▮ⓓ 生物体内 (Biota): 从浮游生物到大型海洋哺乳动物，再到陆生动物，甚至人类体内，均已检测出微塑料的存在，表明微塑料已进入食物链，对生物健康构成潜在威胁。
微塑料在环境中的迁移转化过程复杂，受到多种因素的影响：
▮▮▮▮ⓐ 物理过程 (Physical processes): 包括沉降 (sedimentation)、悬浮 (suspension)、聚集 (aggregation)、破碎 (fragmentation) 等。粒径、形状、密度等物理性质决定了微塑料在不同环境介质中的迁移行为。
▮▮▮▮ⓑ 化学过程 (Chemical processes): 包括光降解 (photodegradation)、氧化降解 (oxidative degradation)、水解 (hydrolysis) 等。环境条件如紫外线辐射、温度、pH 值等影响微塑料的化学降解速率和产物。
▮▮▮▮ⓒ 生物过程 (Biological processes): 包括生物附着 (biofouling)、生物降解 (biodegradation)、生物摄食 (bioingestion) 等。生物膜的形成改变微塑料的密度和沉降行为，微生物可能参与微塑料的生物降解，生物摄食则导致微塑料在食物链中的传递。
③ 微塑料的生物富集与毒性效应 (Bioaccumulation and Toxic Effects of Microplastics)
微塑料由于其微小尺寸和表面特性，易被生物摄食，并在生物体内富集。其毒性效应主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 物理毒性 (Physical toxicity):
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 摄食阻碍与营养稀释 (Feeding obstruction and nutritional dilution): 微塑料摄入后可能阻塞消化道，造成生物饱腹感，减少对真实食物的摄取，导致营养不良。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 组织损伤与炎症反应 (Tissue damage and inflammatory response): 尖锐的微塑料碎片可能划伤消化道，引起组织损伤和炎症反应。
▮▮▮▮ⓓ 化学毒性 (Chemical toxicity):
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 单体和添加剂释放 (Monomer and additive release): 微塑料可能释放塑料生产过程中残留的单体 (如双酚 A, BPA) 和添加剂 (如塑化剂、阻燃剂)，这些化学物质具有潜在的内分泌干扰、致癌、致畸等毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 疏水性有机污染物 (Hydrophobic organic pollutants, HOPs) 吸附与释放: 微塑料表面积大，疏水性强，易吸附环境中的持久性有机污染物 (POPs)，如多氯联苯 (PCBs)、多环芳烃 (PAHs)、滴滴涕 (DDT) 等。被生物摄食后，微塑料可能成为 POPs 的载体，将 POPs 传递到生物体内，造成 “特洛伊木马效应 (Trojan horse effect)”。
▮▮▮▮ⓖ 载体效应 (Vector effect): 微塑料表面易附着病原微生物，可能成为病原体的传播载体，增加生物感染疾病的风险。
④ 微塑料的生态风险评估 (Ecological Risk Assessment of Microplastics)
微塑料的生态风险评估是当前研究的重点和难点。由于微塑料种类繁多、环境行为复杂、毒性效应多样，传统的风险评估方法难以全面评估其生态风险。目前的研究主要集中在：
▮▮▮▮ⓐ 暴露评估 (Exposure assessment): 量化不同环境介质中微塑料的浓度、粒径分布、组成类型等暴露特征，建立微塑料在环境中的迁移转化模型，预测生物暴露水平。
▮▮▮▮ⓑ 毒性效应评估 (Toxicity effect assessment): 开展不同种类、不同粒径微塑料对不同生物的毒性实验，研究其毒性机制和剂量-反应关系，确定生态毒性阈值。
▮▮▮▮ⓒ 风险表征 (Risk characterization): 结合暴露评估和毒性效应评估结果，采用风险商 (Risk Quotient, RQ)、物种敏感性分布 (Species Sensitivity Distribution, SSD) 等方法，评估微塑料对不同生态受体的风险水平。
▮▮▮▮ⓓ 不确定性分析 (Uncertainty analysis): 识别和量化风险评估过程中的不确定性来源，提高风险评估的可靠性和准确性。
⑤ 微塑料的环境安全管理策略 (Environmental Safety Management Strategies for Microplastics)
微塑料污染防治是一项系统工程，需要从源头减排、过程控制和末端治理等多方面协同发力：
▮▮▮▮ⓐ 源头减排 (Source reduction):
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 减少塑料使用 (Reduce plastic use): 推广塑料替代品，限制一次性塑料制品的使用，提高塑料回收利用率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 控制初生微塑料排放 (Control primary microplastic emissions): 禁止在个人护理产品中使用塑料微珠，改进塑料生产工艺，减少塑料颗粒泄漏。
▮▮▮▮ⓓ 过程控制 (Process control):
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 加强塑料垃圾管理 (Strengthen plastic waste management): 完善塑料垃圾分类回收体系，提高塑料垃圾无害化处理水平，防止大型塑料垃圾进入环境。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 防治微塑料二次污染 (Prevent secondary microplastic pollution): 加强污水处理厂、垃圾填埋场等场所的微塑料排放控制，防止微塑料通过污水、渗滤液等途径进入环境。
▮▮▮▮ⓖ 末端治理 (End-of-pipe treatment):
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 微塑料去除技术研发 (Research and development of microplastic removal technologies): 开发高效、低成本的微塑料去除技术，如膜过滤、气浮、混凝沉淀等，用于处理受微塑料污染的水体和土壤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 环境修复技术探索 (Exploration of environmental remediation technologies): 探索利用生物修复、植物修复等方法修复微塑料污染的环境。
10.1.2 纳米材料的环境风险与管理 (Environmental Risks and Management of Nanomaterials)
纳米材料是指至少在一个维度上尺寸小于 100 nm 的材料，由于其独特的物理化学性质，在工业、农业、医药、电子等领域得到广泛应用。然而，纳米材料的环境释放和潜在风险也日益受到关注。
① 纳米材料的类型与环境释放途径 (Types of Nanomaterials and Environmental Release Pathways)
常见的纳米材料类型包括：
▮▮▮▮ⓐ 金属纳米材料 (Metal nanomaterials): 如纳米金 (Au NPs)、纳米银 (Ag NPs)、纳米二氧化钛 (TiO₂ NPs)、纳米氧化锌 (ZnO NPs) 等。
▮▮▮▮ⓑ 金属氧化物纳米材料 (Metal oxide nanomaterials): 如纳米氧化铁 (Fe₃O₄ NPs)、纳米二氧化硅 (SiO₂ NPs)、纳米氧化铝 (Al₂O₃ NPs) 等。
▮▮▮▮ⓒ 碳基纳米材料 (Carbon-based nanomaterials): 如富勒烯 (Fullerenes, C₆₀)、碳纳米管 (Carbon nanotubes, CNTs)、石墨烯 (Graphene) 等。
▮▮▮▮ⓓ 量子点 (Quantum dots, QDs): 如硫化镉量子点 (CdS QDs)、硒化镉量子点 (CdSe QDs) 等。
纳米材料的环境释放途径主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 生产和加工过程释放 (Release during production and processing): 纳米材料的生产、运输、加工过程中可能发生泄漏和排放。
▮▮▮▮ⓑ 产品使用过程释放 (Release during product use): 含有纳米材料的产品 (如化妆品、涂料、农药等) 在使用过程中可能释放纳米材料。
▮▮▮▮ⓒ 废弃物处理过程释放 (Release during waste disposal): 含有纳米材料的废弃产品在垃圾填埋、焚烧等处理过程中可能释放纳米材料。
▮▮▮▮ⓓ 自然来源 (Natural sources): 火山爆发、森林火灾等自然过程也会产生少量纳米颗粒。
② 纳米材料的环境行为 (Environmental Behavior of Nanomaterials)
纳米材料进入环境后，其环境行为受到自身性质和环境条件的多重影响，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 聚集与分散 (Aggregation and dispersion): 纳米材料表面能高，易发生聚集。环境介质的离子强度、pH 值、有机质含量等影响纳米材料的聚集状态和分散稳定性。
▮▮▮▮ⓑ 迁移与沉降 (Migration and sedimentation): 纳米材料的粒径、密度、表面电荷等性质决定其在水、土壤、大气等介质中的迁移能力和沉降行为。
▮▮▮▮ⓒ 溶解与转化 (Dissolution and transformation): 某些纳米材料 (如 ZnO NPs, Ag NPs) 在环境中可能发生溶解，释放离子。纳米材料也可能发生氧化、硫化、磷酸化等化学转化，改变其环境行为和毒性。
▮▮▮▮ⓓ 生物相互作用 (Bio-interactions): 纳米材料可能与生物体发生相互作用，如吸附、摄取、富集等。生物膜的形成、生物体的生理活动等影响纳米材料的生物有效性和毒性。
③ 纳米材料的毒性效应与风险评估 (Toxic Effects and Risk Assessment of Nanomaterials)
纳米材料的毒性效应研究表明，其可能对生物体产生多种不利影响：
▮▮▮▮ⓐ 物理化学毒性 (Physicochemical toxicity):
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 氧化应激 (Oxidative stress): 许多纳米材料 (如 TiO₂ NPs, ZnO NPs, Ag NPs) 可以诱导生物体产生过量的活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS)，引发氧化应激，损伤细胞结构和功能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 膜损伤 (Membrane damage): 纳米材料可能与细胞膜相互作用，破坏细胞膜的完整性，导致细胞内容物泄漏。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 基因毒性 (Genotoxicity): 某些纳米材料可能与 DNA 相互作用，引起 DNA 损伤、基因突变等。
▮▮▮▮ⓔ 特定纳米材料的毒性 (Specific nanomaterial toxicity):
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 重金属毒性 (Heavy metal toxicity): 含有重金属元素的纳米材料 (如 CdSe QDs, Ag NPs) 可能释放重金属离子，产生重金属毒性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 光催化毒性 (Photocatalytic toxicity): 纳米 TiO₂ 在紫外光照射下具有光催化活性，可能产生 ROS，引起光催化毒性。
▮▮▮▮ⓗ 长期暴露的慢性毒性 (Chronic toxicity of long-term exposure): 纳米材料的长期低剂量暴露可能对生物体产生慢性毒性，如生殖毒性、发育毒性、免疫毒性等。
纳米材料的风险评估面临诸多挑战，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 暴露评估的复杂性 (Complexity of exposure assessment): 纳米材料种类繁多，环境释放途径复杂，环境浓度监测和预测难度大。
▮▮▮▮ⓑ 毒性效应研究的不确定性 (Uncertainty in toxicity effect research): 纳米材料的毒性效应受多种因素影响，毒性机制尚不完全清楚，毒性数据缺乏标准化和可比性。
▮▮▮▮ⓒ 风险表征的挑战 (Challenges in risk characterization): 缺乏统一的风险评估方法和模型，难以准确评估纳米材料的生态风险和人类健康风险。
④ 纳米材料的环境安全管理策略 (Environmental Safety Management Strategies for Nanomaterials)
纳米材料的环境安全管理应遵循预防原则 (precautionary principle) 和 全生命周期管理 (life cycle management) 理念：
▮▮▮▮ⓐ 源头控制 (Source control):
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 绿色纳米技术 (Green nanotechnology): 发展绿色、安全的纳米材料生产技术，减少纳米材料的环境释放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 替代与减量化 (Substitution and reduction): 尽可能使用安全替代品，减少纳米材料的使用量。
▮▮▮▮ⓓ 过程控制 (Process control):
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 工程控制 (Engineering control): 在纳米材料生产、加工、使用过程中采取密闭、通风、过滤等工程措施，减少纳米材料的泄漏和排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 个人防护 (Personal protection): 加强作业人员的个人防护，减少职业暴露风险。
▮▮▮▮ⓖ 末端治理 (End-of-pipe treatment):
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 废弃物安全处置 (Safe disposal of waste): 建立完善的纳米材料废弃物分类收集和安全处置体系，防止纳米材料进入环境。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 环境监测与修复 (Environmental monitoring and remediation): 加强环境介质中纳米材料的监测，开发纳米材料污染环境的修复技术。
▮▮▮▮ⓙ 风险沟通与公众参与 (Risk communication and public participation): 加强纳米材料环境风险信息的公开和沟通，提高公众对纳米材料环境风险的认知和防范意识，促进公众参与纳米材料环境安全管理。
10.1.3 抗生素的环境污染与抗性传播 (Environmental Pollution of Antibiotics and Antibiotic Resistance Spread)
抗生素是用于治疗细菌感染的药物，但其在环境中的广泛存在已成为全球性的环境和健康问题。抗生素环境污染不仅直接威胁生态环境，更重要的是加速了抗生素抗性 (antibiotic resistance, AR) 的传播，严重威胁人类健康。
① 抗生素的环境来源与赋存 (Environmental Sources and Occurrence of Antibiotics)
抗生素进入环境的主要来源包括：
▮▮▮▮ⓐ 制药工业排放 (Pharmaceutical industry discharge): 抗生素生产企业排放的废水废气中含有高浓度的抗生素。
▮▮▮▮ⓑ 畜禽养殖业排放 (Livestock and poultry farming discharge): 畜禽养殖业大量使用抗生素作为生长促进剂和预防治疗药物，未被动物吸收的抗生素随粪便和废水排放到环境中。
▮▮▮▮ⓒ 医疗机构排放 (Healthcare facility discharge): 医院、诊所等医疗机构排放的废水中含有患者排泄的未代谢或部分代谢的抗生素。
▮▮▮▮ⓓ 生活污水排放 (Domestic sewage discharge): 人类使用抗生素后，部分抗生素随尿液和粪便排入生活污水，污水处理厂难以完全去除抗生素。
▮▮▮▮ⓔ 地表径流与渗滤 (Surface runoff and infiltration): 施用含有抗生素的粪肥或污泥的农田，抗生素可能随地表径流和渗滤进入地表水和地下水。
抗生素已在水、土壤、沉积物、大气甚至动植物体内被广泛检出，环境赋存特征表现为：
▮▮▮▮ⓐ 水环境中浓度较高 (Higher concentrations in aquatic environments): 地表水、地下水、污水处理厂出水中抗生素检出率高，浓度范围广，部分地区地表水中抗生素浓度甚至接近或超过生态风险阈值。
▮▮▮▮ⓑ 土壤和沉积物中长期积累 (Long-term accumulation in soil and sediment): 抗生素在土壤和沉积物中吸附性较强，不易降解，长期积累可能对土壤微生物群落和生态功能产生影响。
▮▮▮▮ⓒ 复合污染普遍存在 (Widespread occurrence of combined pollution): 环境中通常存在多种抗生素共存的复合污染，复合毒性效应和抗性选择压力可能更强。
② 抗性基因传播机制 (Mechanisms of Antibiotic Resistance Gene Spread)
抗生素抗性基因 (Antibiotic Resistance Genes, ARGs) 是编码抗生素抗性的遗传物质，其在环境中的传播是抗性问题蔓延的关键。ARGs 的传播途径主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 垂直传播 (Vertical gene transfer): ARGs 通过细菌的二分裂 (binary fission) 传递给子代细胞，实现抗性在细菌种群内的遗传。
▮▮▮▮ⓑ 水平传播 (Horizontal gene transfer, HGT): ARGs 通过接合 (conjugation)、转化 (transformation) 和 转导 (transduction) 等 HGT 机制在不同细菌之间转移，甚至在不同种属的细菌之间传播，加速了抗性基因的扩散。
▮▮▮▮ⓒ 移动遗传元件 (Mobile genetic elements, MGEs) 介导的传播: ARGs 常位于质粒 (plasmids)、转座子 (transposons)、整合子 (integrons) 等 MGEs 上，MGEs 可以携带 ARGs 在细菌之间快速转移，是 HGT 的重要载体。
③ 抗性细菌的环境风险与控制措施 (Environmental Risks and Control Measures of Antibiotic Resistant Bacteria)
抗性细菌 (Antibiotic Resistant Bacteria, ARB) 是携带 ARGs 的细菌，其在环境中的富集和传播构成严重的环境和健康风险：
▮▮▮▮ⓐ 生态风险 (Ecological risk): ARB 可能改变环境微生物群落结构和功能，影响生态系统物质循环和能量流动。ARB 也可能通过食物链传递，对野生动物健康产生不利影响。
▮▮▮▮ⓑ 健康风险 (Health risk): 环境中的 ARB 可能通过多种途径 (如饮水、食物、接触等) 传播给人类，增加人类感染耐药菌的风险，降低抗生素治疗效果，甚至导致感染难以治愈。
抗生素抗性环境风险控制需要采取综合措施：
▮▮▮▮ⓐ 源头减排 (Source reduction):
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 规范抗生素使用 (Regulate antibiotic use): 严格控制医疗和畜牧业抗生素的滥用，推行抗生素管理计划 (Antibiotic Stewardship Programs, ASPs)，减少抗生素的环境释放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 改进污水处理工艺 (Improve wastewater treatment processes): 升级污水处理厂，采用高级处理技术 (如膜生物反应器, MBR; 高级氧化技术, AOPs) 提高抗生素和 ARGs 的去除效率。
▮▮▮▮ⓓ 过程阻断 (Process blocking):
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 切断抗性传播途径 (Cut off resistance transmission routes): 加强医院感染控制，规范粪便和污泥处理，减少 ARB 和 ARGs 的环境传播。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 环境修复与风险阻断 (Environmental remediation and risk blocking): 采用生物修复、物理化学修复等技术去除环境中抗生素和 ARGs，降低环境抗性风险。
▮▮▮▮ⓖ 监测与评估 (Monitoring and assessment):
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 环境抗性监测网络 (Environmental resistance monitoring network): 建立覆盖水、土壤、空气、生物等环境介质的抗性监测网络，实时掌握环境抗性污染状况。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 风险评估与预警 (Risk assessment and early warning): 开展环境抗性风险评估，建立风险预警系统，为抗性防控提供科学依据。
10.1.4 内分泌干扰物 (EDCs) 的环境效应与健康风险 (Environmental Effects and Health Risks of Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs))
内分泌干扰物 (Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs)，又称环境激素 (environmental hormones)，是指外源性的化学物质，能够模拟、阻断或干扰生物体内源性激素的作用，从而对生物体的内分泌系统产生干扰，引起不利健康效应。EDCs 种类繁多，来源广泛，环境持久性强，已成为全球关注的重要环境污染物。
① EDCs 的种类与环境来源 (Types and Environmental Sources of EDCs)
EDCs 种类繁多，根据化学结构和来源可分为：
▮▮▮▮ⓐ 天然激素 (Natural hormones): 如雌激素 (estrogens)、雄激素 (androgens)、孕激素 (progestogens) 等，主要来源于人和动物的排泄。
▮▮▮▮ⓑ 合成激素 (Synthetic hormones): 如炔雌醇 (ethinylestradiol, EE2)、己烯雌酚 (diethylstilbestrol, DES) 等，常用于避孕药、激素替代疗法等。
▮▮▮▮ⓒ 工业化学品 (Industrial chemicals): 如双酚 A (bisphenol A, BPA)、邻苯二甲酸酯 (phthalates)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英 (dioxins)、全氟化合物 (PFAS) 等，广泛应用于塑料、涂料、阻燃剂、农药等产品中。
▮▮▮▮ⓓ 农药 (Pesticides): 如有机氯农药 (organochlorine pesticides)、有机磷农药 (organophosphorus pesticides)、拟除虫菊酯农药 (pyrethroid pesticides) 等，部分农药具有内分泌干扰活性。
▮▮▮▮ⓔ 个人护理品 (Personal care products, PCPs): 如对羟基苯甲酸酯 (parabens)、三氯生 (triclosan)、紫外线吸收剂 (UV filters) 等，常用于化妆品、防晒霜、洗涤剂等。
EDCs 的环境来源广泛，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 工业废水排放 (Industrial wastewater discharge): 化工、塑料、纺织、造纸等行业排放的废水中可能含有多种 EDCs。
▮▮▮▮ⓑ 生活污水排放 (Domestic sewage discharge): 人类排泄、使用个人护理品等导致生活污水中含有天然和合成激素、PCPs 等 EDCs。
▮▮▮▮ⓒ 农业面源污染 (Agricultural non-point source pollution): 农药、化肥、畜禽粪便等农业投入品可能将 EDCs 带入土壤和水体。
▮▮▮▮ⓓ 垃圾填埋与焚烧 (Landfill and incineration of waste): 含有 EDCs 的废弃物在垃圾填埋和焚烧过程中可能释放 EDCs 到环境。
▮▮▮▮ⓔ 大气沉降 (Atmospheric deposition): 部分 EDCs (如 PCBs, dioxins) 可以通过大气长距离迁移和沉降，污染偏远地区。
② EDCs 的内分泌干扰机制 (Mechanisms of Endocrine Disruption by EDCs)
EDCs 干扰内分泌系统的机制复杂多样，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 模拟激素作用 (Hormone mimicry): EDCs 的分子结构与内源性激素相似，可以与激素受体结合，激活激素信号通路，产生类似激素的效应，如雌激素受体激动剂 BPA、EE2 等。
▮▮▮▮ⓑ 阻断激素作用 (Hormone blocking): EDCs 可以与激素受体结合，但不激活激素信号通路，反而阻止内源性激素与受体结合，抑制激素作用，如雄激素受体拮抗剂 vinclozolin。
▮▮▮▮ⓒ 改变激素合成与代谢 (Altering hormone synthesis and metabolism): EDCs 可以干扰激素合成酶和代谢酶的活性，影响内源性激素的合成、分泌、转运和代谢，导致体内激素水平失衡。
▮▮▮▮ⓓ 改变激素受体表达与功能 (Altering hormone receptor expression and function): EDCs 可以影响激素受体的基因表达、蛋白修饰和信号转导，改变激素受体的数量和功能。
③ EDCs 的环境效应与人类健康风险 (Environmental Effects and Human Health Risks of EDCs)
EDCs 的环境效应和健康风险广泛而深远：
▮▮▮▮ⓐ 野生动物的内分泌紊乱与生殖障碍 (Endocrine disruption and reproductive disorders in wildlife): 鱼类、两栖类、鸟类、哺乳动物等野生动物长期暴露于 EDCs，可能出现性腺发育异常、性逆转、生殖能力下降、免疫功能受损等内分泌紊乱和生殖障碍。
▮▮▮▮ⓑ 水生生态系统破坏 (Aquatic ecosystem disruption): EDCs 污染可能导致水生生物种群结构改变、食物网紊乱、生态系统功能退化。
▮▮▮▮ⓒ 人类健康风险 (Human health risks): 长期暴露于 EDCs 可能增加人类患生殖系统疾病、内分泌相关癌症、神经发育障碍、免疫系统疾病等的风险。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生殖系统疾病 (Reproductive system diseases): 男性精子质量下降、女性不孕不育、子宫内膜异位症、多囊卵巢综合征等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 内分泌相关癌症 (Endocrine-related cancers): 乳腺癌、前列腺癌、睾丸癌、甲状腺癌等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 神经发育障碍 (Neurodevelopmental disorders): 儿童智力发育迟缓、注意力缺陷多动障碍 (ADHD)、自闭症谱系障碍 (ASD) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 免疫系统疾病 (Immune system diseases): 过敏性疾病、自身免疫性疾病等。
④ EDCs 的环境风险管理与控制策略 (Environmental Risk Management and Control Strategies for EDCs)
EDCs 的环境风险管理和控制需要多方协同努力：
▮▮▮▮ⓐ 源头减排 (Source reduction):
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 绿色化学替代 (Green chemistry substitution): 研发和推广环境友好的替代化学品，替代具有内分泌干扰活性的 EDCs。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 清洁生产工艺 (Cleaner production processes): 改进工业生产工艺，减少 EDCs 的产生和排放。
▮▮▮▮ⓓ 过程控制 (Process control):
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 加强污水处理 (Strengthen wastewater treatment): 升级污水处理厂，采用高级处理技术 (如活性炭吸附、臭氧氧化、膜分离) 提高 EDCs 的去除效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 限制 EDCs 使用 (Restrict EDCs use): 制定法规和政策，限制或禁止在特定产品中使用高风险 EDCs。
▮▮▮▮ⓖ 末端治理 (End-of-pipe treatment):
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 环境修复技术研发 (Research and development of environmental remediation technologies): 开发高效、经济的 EDCs 污染环境修复技术，如生物修复、植物修复、光催化降解等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 风险评估与管理 (Risk assessment and management): 加强 EDCs 环境风险评估，制定科学合理的风险管理策略，保护生态环境和人类健康。
10.1.5 全氟化合物 (PFAS) 的环境污染与健康影响 (Environmental Pollution and Health Impacts of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS))
全氟化合物 (Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS) 是一类人工合成的有机氟化物，具有独特的疏水疏油、耐高温、耐腐蚀等特性，广泛应用于消防泡沫、不粘锅涂层、食品包装、纺织品、电子产品等领域。由于其环境持久性、生物累积性和潜在毒性，PFAS 已成为全球关注的新兴污染物。
① PFAS 的结构特点与环境持久性 (Structural Characteristics and Environmental Persistence of PFAS)
PFAS 的分子结构特点是含有一个全氟烷基链 (perfluorinated alkyl chain)，即碳链上的氢原子被氟原子完全或部分取代。C-F 键非常稳定，难以断裂，使得 PFAS 具有极高的化学稳定性和环境持久性，被称为 “永久性化学品 (forever chemicals)”。
常见的 PFAS 包括：
▮▮▮▮ⓐ 全氟烷基磺酸 (Perfluoroalkyl sulfonic acids, PFSAs): 如全氟辛烷磺酸 (perfluorooctane sulfonate, PFOS)、全氟己烷磺酸 (perfluorohexane sulfonate, PFHxS) 等。
▮▮▮▮ⓑ 全氟烷基羧酸 (Perfluoroalkyl carboxylic acids, PFCAs): 如全氟辛酸 (perfluorooctanoic acid, PFOA)、全氟壬酸 (perfluorononanoic acid, PFNA) 等。
▮▮▮▮ⓒ 全氟烷基醚羧酸 (Perfluoroalkyl ether carboxylic acids, PFECA): 如全氟聚醚羧酸 (perfluoropolyether carboxylic acids, PFPECAs) 等。
▮▮▮▮ⓓ 含氟聚合物 (Fluoropolymers): 如聚四氟乙烯 (polytetrafluoroethylene, PTFE, 俗称特氟龙 Teflon) 等。
▮▮▮▮ⓔ 短链 PFAS (Short-chain PFAS): 碳链长度小于 8 个碳原子的 PFAS，如全氟丁酸 (perfluorobutanoic acid, PFBA)、全氟丁烷磺酸 (perfluorobutane sulfonate, PFBS) 等。
② PFAS 的环境污染与迁移转化 (Environmental Pollution, Migration and Transformation of PFAS)
PFAS 的环境污染来源广泛：
▮▮▮▮ⓐ 生产和使用过程排放 (Emissions during production and use): PFAS 生产企业、使用 PFAS 的工业企业 (如纺织、造纸、电镀等) 排放的废水废气是 PFAS 的重要来源。
▮▮▮▮ⓑ 消防泡沫使用 (Use of firefighting foam): 含氟消防泡沫 (Aqueous Film-Forming Foam, AFFF) 是 PFAS 进入环境的重要途径，尤其是在消防训练场地、机场、军事基地等场所。
▮▮▮▮ⓒ 消费品使用与废弃 (Use and disposal of consumer products): 不粘锅、食品包装、防水服装等消费品在使用和废弃过程中可能释放 PFAS。
▮▮▮▮ⓓ 污水处理厂排放 (Wastewater treatment plant discharge): 污水处理厂难以有效去除 PFAS，导致 PFAS 随处理后出水排放到环境中。
▮▮▮▮ⓔ 污泥和生物固体施用 (Application of sewage sludge and biosolids): 污水处理厂污泥和生物固体中富集 PFAS，施用污泥和生物固体可能导致 PFAS 污染土壤和农作物。
PFAS 在环境中的迁移转化行为复杂：
▮▮▮▮ⓐ 水相迁移 (Aqueous phase migration): PFAS 具有一定的水溶性，可以通过地表水、地下水、大气降水等途径进行迁移。
▮▮▮▮ⓑ 吸附与解吸 (Adsorption and desorption): PFAS 可以被土壤、沉积物、活性炭等介质吸附，吸附能力受 PFAS 结构、介质性质、环境条件等因素影响。
▮▮▮▮ⓒ 生物富集与生物放大 (Bioaccumulation and biomagnification): PFAS 具有生物累积性，可以在生物体内富集，并通过食物链逐级放大，在食物链顶端生物体内浓度更高。
▮▮▮▮ⓓ 转化与降解 (Transformation and degradation): 传统污水处理工艺难以有效降解 PFAS，部分 PFAS 前体物 (precursors) 可能在环境中或生物体内转化为更持久、毒性更强的 PFAS 终产物。
③ PFAS 的毒性效应与健康影响 (Toxic Effects and Health Impacts of PFAS)
PFAS 的毒性效应研究表明，其可能对生物体和人类健康产生多种不利影响：
▮▮▮▮ⓐ 动物毒性 (Animal toxicity): 动物实验表明，PFAS 具有肝脏毒性、免疫毒性、生殖发育毒性、致癌性等。
▮▮▮▮ⓑ 人群健康影响 (Human health impacts): 流行病学研究表明，PFAS 暴露与人群多种健康问题相关，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 免疫系统影响 (Immune system effects): 免疫功能下降、疫苗接种效果降低、儿童哮喘风险增加等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 肝脏疾病 (Liver diseases): 肝酶升高、非酒精性脂肪肝、肝癌风险增加等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 甲状腺功能异常 (Thyroid dysfunction): 甲状腺激素水平异常、甲状腺疾病风险增加等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 生殖与发育毒性 (Reproductive and developmental toxicity): 生育能力下降、妊娠期高血压、早产、婴儿出生体重降低、儿童发育迟缓等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 癌症风险 (Cancer risk): 肾癌、睾丸癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌等风险增加。
④ PFAS 的环境污染控制与替代技术 (Environmental Pollution Control and Alternative Technologies for PFAS)
PFAS 的环境污染控制和替代技术研发是当前研究的热点和难点：
▮▮▮▮ⓐ 源头替代 (Source substitution): 研发和推广不含 PFAS 或低 PFAS 替代品，替代高风险 PFAS 在消防泡沫、食品包装、纺织品等领域的应用。
▮▮▮▮ⓑ 末端去除技术 (End-of-pipe removal technologies):
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 吸附技术 (Adsorption technologies): 活性炭吸附、离子交换树脂吸附等技术可有效去除水中 PFAS，但吸附饱和后需要再生或安全处置。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 膜分离技术 (Membrane separation technologies): 纳滤 (Nanofiltration, NF)、反渗透 (Reverse Osmosis, RO) 等膜技术可有效去除水中 PFAS，但浓缩液需要进一步处理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 高级氧化技术 (Advanced oxidation processes, AOPs): 臭氧氧化、过硫酸盐氧化、光催化氧化等 AOPs 可以降解 PFAS，但降解效率和经济性仍需提高。
▮▮▮▮ⓕ 环境修复技术 (Environmental remediation technologies):
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 异位修复 (Ex-situ remediation): 挖掘污染土壤进行异位处理，如焚烧、热脱附、化学淋洗等，成本较高，可能产生二次污染。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 原位修复 (In-situ remediation): 原位化学氧化、原位生物修复、原位固化稳定化等技术，成本较低，环境扰动小，但修复效果和适用性受限。
▮▮▮▮ⓘ 政策法规与国际合作 (Policies, regulations and international cooperation): 制定 PFAS 环境管理政策和法规，限制 PFAS 生产和使用，加强国际合作，共同应对 PFAS 全球污染挑战。
10.2 全球环境变化与环境化学 (Global Environmental Change and Environmental Chemistry)
全球环境变化 (Global Environmental Change, GEC) 是指地球系统在全球尺度上发生的重大环境变化，主要包括全球气候变化 (Global Climate Change)、臭氧层破坏 (Ozone Layer Depletion) 和生物多样性丧失 (Biodiversity Loss) 等。这些全球性环境问题与环境化学过程密切相关，环境化学在理解 GEC 机制、预测 GEC 影响、制定 GEC 减缓和适应策略中发挥着关键作用。
10.2.1 全球气候变化的环境化学机制与减缓策略 (Environmental Chemical Mechanisms and Mitigation Strategies for Global Climate Change)
全球气候变化，主要是指以全球变暖为主要特征的气候系统长期性变化，其核心问题是温室效应 (greenhouse effect) 的增强。环境化学在理解温室效应机制、分析温室气体来源与转化、评估气候变化影响、研发气候变化减缓技术等方面发挥着重要作用。
① 温室气体的来源与大气化学转化 (Sources and Atmospheric Chemical Transformation of Greenhouse Gases)
温室气体 (Greenhouse Gases, GHGs) 是指大气中能够吸收和辐射长波辐射 (红外辐射)，产生温室效应的气体。主要的温室气体包括：
▮▮▮▮ⓐ 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO₂): 最主要的温室气体，人为来源主要是化石燃料燃烧、土地利用变化、水泥生产等。自然来源包括火山活动、动植物呼吸作用等。
▮▮▮▮ⓑ 甲烷 (Methane, CH₄): 温室效应潜势 (Global Warming Potential, GWP) 远高于 CO₂，人为来源包括农业活动 (水稻种植、畜牧业)、化石燃料开采、垃圾填埋等。自然来源包括湿地、沼泽等。
▮▮▮▮ⓒ 氧化亚氮 (Nitrous Oxide, N₂O): GWP 也很高，人为来源包括农业活动 (化肥施用)、工业生产、化石燃料燃烧等。自然来源包括土壤微生物活动等。
▮▮▮▮ⓓ 氟化气体 (Fluorinated Gases, F-gases): 包括氢氟碳化物 (Hydrofluorocarbons, HFCs)、全氟化碳 (Perfluorocarbons, PFCs)、六氟化硫 (Sulfur Hexafluoride, SF₆) 等，GWP 极高，主要人为来源是工业生产和使用。
▮▮▮▮ⓔ 对流层臭氧 (Tropospheric Ozone, O₃): 二次污染物，由氮氧化物 (NOₓ) 和挥发性有机物 (VOCs) 在光化学反应中生成，人为来源主要是交通尾气、工业排放等。
温室气体在大气中会发生复杂的化学转化过程：
▮▮▮▮ⓐ CO₂ 的碳循环 (Carbon cycle of CO₂): CO₂ 通过光合作用被植物吸收，通过呼吸作用和分解作用释放，通过海洋吸收和释放，通过地质过程 (如碳酸盐岩风化) 循环。人为活动显著改变了碳循环的平衡，导致大气 CO₂ 浓度持续升高。
▮▮▮▮ⓑ CH₄ 的氧化 (Oxidation of CH₄): CH₄ 在对流层中主要通过与氢氧自由基 (·OH) 反应被氧化，生成 CO₂ 和水蒸气。CH₄ 的大气寿命约为 12 年。
▮▮▮▮ⓒ N₂O 的光解与氧化 (Photolysis and oxidation of N₂O): N₂O 在平流层中主要通过光解和与激发态氧原子 (O(¹D)) 反应被破坏。N₂O 的大气寿命长达 114 年。
▮▮▮▮ⓓ O₃ 的光化学循环 (Photochemical cycle of O₃): 对流层 O₃ 的生成和破坏受到 NOₓ、VOCs、太阳辐射等多种因素的影响，形成复杂的光化学循环。
② 温室效应增强机制 (Mechanisms of Enhanced Greenhouse Effect)
温室效应是指大气中的温室气体吸收地表辐射的长波辐射，并将部分能量以长波辐射形式向地面和低层大气辐射，从而使地表和低层大气温度升高的现象。人为活动排放的温室气体增加，导致大气中温室气体浓度升高，增强了温室效应，引起全球变暖。
温室效应增强的机制主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 辐射强迫 (Radiative forcing): 温室气体浓度升高，增加了大气对长波辐射的吸收能力，减少了地球系统向外太空辐射的能量，导致地球系统能量收支不平衡，产生正辐射强迫，引起全球变暖。
▮▮▮▮ⓑ 气候反馈 (Climate feedback): 全球变暖引发一系列气候反馈过程，进一步放大或减弱气候变化的幅度。正反馈过程包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 冰雪反照率反馈 (Ice-albedo feedback): 冰雪融化减少地球表面反照率，增加太阳辐射吸收，加速升温。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 水汽反馈 (Water vapor feedback): 气温升高增加大气水汽含量，水汽也是温室气体，进一步增强温室效应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 云反馈 (Cloud feedback): 云对气候的影响复杂，不同类型云的反馈效应不同，低云可能产生负反馈，高云可能产生正反馈。
▮▮▮▮ⓕ 碳循环反馈 (Carbon cycle feedback): 气候变化影响陆地和海洋碳汇的吸收能力，如高温干旱可能抑制陆地植被光合作用，海洋酸化可能降低海洋吸收 CO₂ 的能力，形成正反馈，加速气候变化。
③ 气候变化减缓的化学方法与技术 (Chemical Methods and Technologies for Climate Change Mitigation)
气候变化减缓 (Climate Change Mitigation) 是指通过减少温室气体排放或增加温室气体吸收来减缓气候变化的措施。环境化学在气候变化减缓中可以发挥重要作用：
▮▮▮▮ⓐ 碳捕集、利用与封存 (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS): 将工业排放的 CO₂ 捕集起来，进行资源化利用或永久封存，减少 CO₂ 排放到大气中。CCUS 技术包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 碳捕集 (Carbon capture): 化学吸收、物理吸附、膜分离、低温分离等技术。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 碳利用 (Carbon utilization): 将 CO₂ 转化为化学品、燃料、建材等产品，实现 CO₂ 资源化利用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 碳封存 (Carbon storage): 地质封存 (注入地下深部地质构造)、海洋封存 (注入海洋深层)、矿化封存 (与矿物反应生成稳定碳酸盐) 等。
▮▮▮▮ⓔ 负排放技术 (Negative Emission Technologies, NETs): 从大气中移除 CO₂ 的技术，增加碳汇，实现大气 CO₂ 浓度降低。NETs 技术包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 植树造林与森林管理 (Afforestation, reforestation and forest management): 通过增加森林面积和提高森林碳密度，增加陆地碳汇。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 生物质能与碳捕集封存 (Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS): 燃烧生物质能源发电或供热，同时捕集燃烧产生的 CO₂ 并封存。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 直接空气碳捕集 (Direct Air Capture, DAC): 直接从大气中捕集 CO₂ 的技术，如化学吸收、物理吸附等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 增强风化作用 (Enhanced weathering): 通过撒播硅酸盐矿物粉末，加速矿物与 CO₂ 的反应，将 CO₂ 转化为碳酸盐。
▮▮▮▮ⓙ 温室气体替代与减排 (Greenhouse gas substitution and emission reduction):
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 清洁能源替代 (Clean energy substitution): 发展太阳能、风能、水能、核能等清洁能源，替代化石燃料，减少 CO₂ 排放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 工业过程减排 (Industrial process emission reduction): 改进工业生产工艺，减少工业过程温室气体排放，如水泥生产、钢铁生产、化工生产等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 甲烷和氧化亚氮减排 (Methane and nitrous oxide emission reduction): 减少农业活动、垃圾填埋、化石燃料开采等甲烷和氧化亚氮排放源的排放。
▮▮▮▮ⓝ 地球工程 (Geoengineering): 人为干预地球气候系统的工程技术，旨在快速降低全球温度，缓解气候变化。地球工程技术包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 太阳辐射管理 (Solar Radiation Management, SRM): 通过反射太阳辐射，减少地球吸收的太阳能量，降低全球温度，如平流层气溶胶注入、海洋云增亮等。SRM 技术存在潜在风险和不确定性，可能改变区域气候，影响降水模式。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 二氧化碳移除 (Carbon Dioxide Removal, CDR): 即负排放技术，从大气中移除 CO₂，降低大气 CO₂ 浓度。CDR 技术相对安全，但减排效果缓慢，规模化应用面临挑战。
10.2.2 臭氧层破坏的环境化学过程与修复技术 (Environmental Chemical Processes and Remediation Technologies for Ozone Layer Depletion)
臭氧层 (Ozone Layer) 是指平流层中臭氧 (O₃) 浓度较高的区域，能够吸收太阳辐射中大部分的紫外线 (Ultraviolet, UV)，保护地球生物免受过量紫外线辐射的伤害。臭氧层破坏 (Ozone Layer Depletion) 是指平流层臭氧浓度下降，导致到达地面的紫外线辐射增强的现象。臭氧层破坏与环境化学过程密切相关，环境化学在理解臭氧层破坏机制、研发臭氧层修复技术、评估臭氧层保护措施效果等方面发挥着重要作用。
① 臭氧层破坏的化学机制 (Chemical Mechanisms of Ozone Layer Depletion)
平流层臭氧的生成和破坏是一个动态平衡过程，自然状态下臭氧层浓度相对稳定。消耗臭氧层物质 (Ozone Depleting Substances, ODS) 的排放打破了臭氧层的自然平衡，导致臭氧层破坏。主要的 ODS 包括：
▮▮▮▮ⓐ 氯氟烃 (Chlorofluorocarbons, CFCs): 如 CFC-11 (CCl₃F)、CFC-12 (CCl₂F₂) 等，曾广泛用作制冷剂、发泡剂、气溶胶推进剂等。CFCs 在平流层中光解释放氯原子 (Cl·)，Cl· 催化臭氧分解。
▮▮▮▮ⓑ 哈龙 (Halons): 如哈龙-1211 (CBrClF₂)、哈龙-1301 (CBrF₃) 等，曾用作灭火剂。哈龙在平流层中光解释放溴原子 (Br·)，Br· 催化臭氧分解，且 Br· 的臭氧破坏能力比 Cl· 更强。
▮▮▮▮ⓒ 四氯化碳 (Carbon Tetrachloride, CCl₄): 曾用作溶剂、清洗剂、灭火剂等。CCl₄ 在平流层中光解释放 Cl·。
▮▮▮▮ⓓ 甲基氯仿 (Methyl Chloroform, CH₃CCl₃): 曾用作清洗剂、溶剂等。CH₃CCl₃ 在平流层中光解释放 Cl·。
▮▮▮▮ⓔ 氢氯氟烃 (Hydrochlorofluorocarbons, HCFCs): 如 HCFC-22 (CHClF₂)、HCFC-141b (CH₃CCl₂F) 等，是 CFCs 的过渡替代品，臭氧破坏潜势 (Ozone Depletion Potential, ODP) 比 CFCs 低，但仍具有一定的臭氧破坏能力。
▮▮▮▮ⓕ 甲基溴 (Methyl Bromide, CH₃Br): 曾用作土壤熏蒸剂、检疫熏蒸剂等。CH₃Br 在平流层中光解释放 Br·。
臭氧层破坏的化学过程主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 氯原子催化循环 (Chlorine catalytic cycle):
\[ \begin{aligned} \text{Cl} + \text{O}_3 &\longrightarrow \text{ClO} + \text{O}_2 \\ \text{ClO} + \text{O} &\longrightarrow \text{Cl} + \text{O}_2 \\ \hline \text{Net}: \text{O}_3 + \text{O} &\longrightarrow 2\text{O}_2 \end{aligned} \]
一个氯原子可以催化分解数千个臭氧分子。
▮▮▮▮ⓑ 溴原子催化循环 (Bromine catalytic cycle): 与氯原子催化循环类似，但溴原子的臭氧破坏效率更高。
▮▮▮▮ⓒ 协同催化循环 (Synergistic catalytic cycle): ClO 和 BrO 之间可以发生反应，形成 Cl 和 Br，进一步催化臭氧分解。
\[ \begin{aligned} \text{ClO} + \text{BrO} &\longrightarrow \text{Cl} + \text{Br} + \text{O}_2 \\ \text{Cl} + \text{O}_3 &\longrightarrow \text{ClO} + \text{O}_2 \\ \text{Br} + \text{O}_3 &\longrightarrow \text{BrO} + \text{O}_2 \\ \hline \text{Net}: 2\text{O}_3 &\longrightarrow 3\text{O}_2 \end{aligned} \]
协同催化循环进一步增强了臭氧破坏效应。
② 臭氧层空洞形成过程 (Formation Process of Ozone Hole)
臭氧层空洞 (Ozone Hole) 是指南极地区春季 (9-11 月) 平流层臭氧浓度显著下降的现象。臭氧层空洞的形成是多种因素共同作用的结果：
▮▮▮▮ⓐ ODS 排放 (ODS emissions): ODS 是臭氧层空洞形成的根本原因。
▮▮▮▮ⓑ 极地涡旋 (Polar vortex): 南极冬季形成强烈的极地涡旋，将极地空气与中纬度空气隔离，阻止臭氧从中纬度向极地输送。
▮▮▮▮ⓒ 极地平流层云 (Polar Stratospheric Clouds, PSCs): 南极冬季平流层温度极低，形成 PSCs。PSCs 表面为非均相化学反应提供场所，加速 ODS 的活化，释放更多的 Cl· 和 Br·。
▮▮▮▮ⓓ 春季阳光 (Spring sunlight): 南极春季阳光照射增强，光解活化的 ODS，释放 Cl· 和 Br·，引发大规模的臭氧分解。
③ 臭氧层修复的化学方法与技术 (Chemical Methods and Technologies for Ozone Layer Remediation)
臭氧层修复 (Ozone Layer Remediation) 的根本途径是减少 ODS 排放。《蒙特利尔议定书 (Montreal Protocol) 及其修正案在全球范围内逐步淘汰 ODS 的生产和消费，取得了显著成效。臭氧层正在缓慢恢复，预计到本世纪中叶南极臭氧层空洞将基本恢复到 1980 年前的水平。
除了减少 ODS 排放，一些科学家也在探索主动修复臭氧层的技术，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 平流层臭氧注入 (Stratospheric ozone injection): 将臭氧或臭氧前体物 (如氧气) 注入平流层，直接增加平流层臭氧浓度。技术难度大，成本高，且可能产生副作用。
▮▮▮▮ⓑ 平流层气溶胶注入 (Stratospheric aerosol injection): 将气溶胶 (如二氧化硫) 注入平流层，增加平流层气溶胶浓度，反射太阳辐射，降低平流层温度，抑制 PSCs 的形成，减缓臭氧破坏。属于地球工程的太阳辐射管理技术，存在潜在风险和不确定性。
▮▮▮▮ⓒ 化学物质中和 (Chemical neutralization): 向平流层释放化学物质，中和活化的 Cl· 和 Br·，减少其对臭氧的破坏。技术难度大，选择合适的化学物质和释放方式面临挑战。
目前，臭氧层修复的主要策略仍然是严格执行《蒙特利尔议定书》，减少 ODS 排放，依靠自然过程实现臭氧层恢复。主动修复技术尚处于研究阶段，距离实际应用还有很长的路要走。
10.2.3 生物多样性丧失的环境化学驱动因素与保护对策 (Environmental Chemical Drivers and Conservation Strategies for Biodiversity Loss)
生物多样性 (Biodiversity) 是指地球上生命有机体及其与生态系统过程相关的多样性，包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。生物多样性丧失 (Biodiversity Loss) 是指生物多样性水平下降，物种灭绝速度加快的现象。生物多样性丧失是全球性的环境危机，对生态系统功能和人类福祉产生严重威胁。环境化学在分析生物多样性丧失的环境化学驱动因素、评估环境污染对生物多样性的影响、制定生物多样性保护的环境化学对策等方面发挥着重要作用。
① 生物多样性丧失的环境化学驱动因素 (Environmental Chemical Drivers of Biodiversity Loss)
生物多样性丧失是多种因素综合作用的结果，环境污染是重要的驱动因素之一。环境污染通过多种途径影响生物多样性：
▮▮▮▮ⓐ 毒性效应 (Toxic effects): 污染物对生物体产生直接毒性，导致生物死亡、种群数量下降、物种灭绝。重金属、持久性有机污染物、农药等污染物的毒性效应是生物多样性丧失的重要原因。
▮▮▮▮ⓑ 生境破坏 (Habitat destruction): 环境污染导致生境质量下降、生境破碎化，破坏生物的栖息地和繁殖地，降低生境的承载力，导致生物多样性丧失。水污染、土壤污染、大气污染等都可能导致生境破坏。
▮▮▮▮ⓒ 富营养化 (Eutrophication): 水体富营养化导致藻类过度繁殖，消耗水体溶解氧，造成水体缺氧，影响水生生物生存，降低水生生物多样性。氮、磷等营养物质污染是水体富营养化的主要原因。
▮▮▮▮ⓓ 酸化 (Acidification): 酸雨、海洋酸化等导致环境 pH 值下降，影响生物生理功能，破坏生态系统结构和功能，降低生物多样性。硫氧化物、氮氧化物等大气污染物是酸雨的主要前体物，二氧化碳浓度升高是海洋酸化的主要原因。
▮▮▮▮ⓔ 气候变化 (Climate change): 气候变化改变生物的生存环境，超出生物的适应范围，导致生物迁徙、种群数量下降、物种灭绝。气候变化与温室气体排放密切相关。
② 环境污染对生物多样性的影响评估 (Impact Assessment of Environmental Pollution on Biodiversity)
评估环境污染对生物多样性的影响是生物多样性保护的基础。常用的评估方法包括：
▮▮▮▮ⓐ 生物监测 (Biomonitoring): 利用生物体对环境污染的响应，监测环境污染状况和生物多样性变化。常用的生物监测指标包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 指示物种 (Indicator species): 对特定污染物敏感的物种，其种群数量和健康状况可以反映环境污染程度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 生物富集 (Bioaccumulation): 测定生物体内污染物浓度，评估生物暴露水平和污染程度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生物完整性指数 (Index of Biotic Integrity, IBI): 综合评价水生生物群落结构和功能，反映水生态系统健康状况。
▮▮▮▮ⓔ 生态毒理学评估 (Ecotoxicological assessment): 通过实验室毒性实验和现场生态风险评估，研究污染物对生物个体、种群、群落和生态系统的毒性效应，预测环境污染对生物多样性的潜在影响。
▮▮▮▮ⓕ 物种分布模型 (Species Distribution Models, SDMs): 利用物种分布数据和环境因子数据，建立物种分布模型，预测环境变化 (包括污染) 对物种分布和生物多样性的影响。
▮▮▮▮ⓖ 宏基因组学分析 (Metagenomic analysis): 分析环境样品中微生物群落的基因组信息，评估环境污染对微生物多样性和功能的影响。
③ 生物多样性保护的环境化学对策 (Environmental Chemical Countermeasures for Biodiversity Conservation)
生物多样性保护需要采取综合措施，环境化学可以在以下方面发挥作用：
▮▮▮▮ⓐ 污染控制与减排 (Pollution control and emission reduction): 减少污染物排放是保护生物多样性的根本措施。加强工业、农业、生活污染源的治理，控制重金属、持久性有机污染物、农药、营养物质等污染物的排放。
▮▮▮▮ⓑ 生境修复与重建 (Habitat restoration and reconstruction): 修复受损生境，重建退化生境，提高生境质量和连通性，为生物提供适宜的栖息地和繁殖地。土壤修复、水体修复、植被恢复等技术可以用于生境修复与重建。
▮▮▮▮ⓒ 生态友好型农业与工业 (Eco-friendly agriculture and industry): 发展生态友好型农业，减少农药、化肥使用，推广有机农业、绿色农业。发展生态友好型工业，推行清洁生产、循环经济，减少工业污染排放。
▮▮▮▮ⓓ 生物多样性保护优先区划定与管理 (Biodiversity conservation priority area delineation and management): 划定生物多样性保护优先区，加强保护区管理，保护珍稀濒危物种和重要生态系统。
▮▮▮▮ⓔ 生物多样性监测与预警 (Biodiversity monitoring and early warning): 建立生物多样性监测网络，实时监测生物多样性变化趋势，建立生物多样性丧失预警系统，为生物多样性保护提供科学依据。
▮▮▮▮ⓕ 公众教育与意识提升 (Public education and awareness raising): 加强生物多样性保护宣传教育，提高公众对生物多样性重要性和生物多样性丧失危机的认识，增强公众参与生物多样性保护的意识和行动。
10.3 环境健康与人类福祉 (Environmental Health and Human Well-being)
环境健康 (Environmental Health) 是指环境因素对人类健康的影响，以及预防和控制环境相关疾病，促进人群健康的学科。环境污染是影响环境健康的重要因素，环境污染不仅直接危害人类健康，也间接影响人类福祉 (Human Well-being)。环境化学在理解环境污染与健康效应的关联、评估环境健康风险、制定环境与健康协同管理策略等方面发挥着重要作用。
10.3.1 环境污染与人类健康效应 (Environmental Pollution and Human Health Effects)
环境污染对人类健康产生广泛而深远的影响，主要包括：
▮▮▮▮ⓐ 大气污染与呼吸系统疾病 (Air pollution and respiratory diseases): 大气颗粒物 (PM₂.₅, PM₁₀)、二氧化硫 (SO₂)、氮氧化物 (NOₓ)、臭氧 (O₃) 等大气污染物可引起呼吸系统疾病，如哮喘、慢性阻塞性肺疾病 (COPD)、肺癌等。长期暴露于大气污染还可能增加心血管疾病、神经系统疾病等风险。
▮▮▮▮ⓑ 水污染与消化系统疾病 (Water pollution and digestive system diseases): 饮用水污染 (如病原微生物、重金属、有机污染物) 可引起消化系统疾病，如腹泻、痢疾、肝炎、胃癌等。长期饮用受污染的水还可能导致慢性中毒和致癌风险。
▮▮▮▮ⓒ 土壤污染与食品安全问题 (Soil pollution and food safety issues): 土壤重金属污染、有机污染物污染可能通过食物链传递，污染农作物和畜禽产品，威胁食品安全，引起慢性中毒、致癌、致畸等健康问题。
▮▮▮▮ⓓ 噪声污染与听力损伤 (Noise pollution and hearing impairment): 长期暴露于高强度噪声可能导致听力损伤、耳鸣、失眠、心血管疾病等健康问题。
▮▮▮▮ⓔ 光污染与视觉疲劳 (Light pollution and visual fatigue): 过度的夜间人工照明可能引起视觉疲劳、失眠、内分泌紊乱等健康问题。
▮▮▮▮ⓕ 化学品污染与中毒 (Chemical pollution and poisoning): 工业化学品、农药、有毒有害废弃物等化学品污染可能引起急性中毒、慢性中毒、职业病、癌症等健康问题。
▮▮▮▮ⓖ 辐射污染与放射病 (Radiation pollution and radiation sickness): 电离辐射污染 (如核事故、核武器试验、放射性物质泄漏) 可能引起放射病、癌症、遗传效应等健康问题。
环境污染对不同人群的健康影响存在差异，易感人群 (vulnerable populations) 如儿童、孕妇、老年人、慢性病患者等对环境污染更为敏感，健康风险更高。
10.3.2 环境健康风险评估与管理 (Environmental Health Risk Assessment and Management)
环境健康风险评估 (Environmental Health Risk Assessment) 是指识别、评估和量化环境因素对人类健康产生不利影响的可能性和程度，为环境健康风险管理提供科学依据。环境健康风险评估通常包括四个步骤：
▮▮▮▮ⓐ 危害识别 (Hazard identification): 识别环境中存在的可能对人类健康产生危害的因素，如污染物、噪声、辐射等。
▮▮▮▮ⓑ 剂量-反应评估 (Dose-response assessment): 确定暴露剂量与健康效应之间的关系，建立剂量-反应曲线，评估不同暴露水平下的健康风险。
▮▮▮▮ⓒ 暴露评估 (Exposure assessment): 评估人群暴露于危害因素的途径、强度、频率和持续时间，量化人群的暴露水平。
▮▮▮▮ⓓ 风险表征 (Risk characterization): 综合危害识别、剂量-反应评估和暴露评估结果，定量或定性描述人群健康风险的性质和程度，评估风险的可接受性。
环境健康风险管理 (Environmental Health Risk Management) 是指在风险评估的基础上，采取措施降低或消除环境健康风险，保护人群健康。环境健康风险管理策略包括：
▮▮▮▮ⓐ 风险预防 (Risk prevention): 从源头预防环境健康风险，如减少污染物排放、推广清洁生产、限制有毒有害化学品使用等。
▮▮▮▮ⓑ 风险控制 (Risk control): 采取工程控制、管理控制、个人防护等措施，降低人群暴露水平，控制环境健康风险。
▮▮▮▮ⓒ 风险沟通 (Risk communication): 向公众、政府、企业等利益相关者沟通环境健康风险信息，提高风险意识，促进风险管理决策。
▮▮▮▮ⓓ 风险监测与评估 (Risk monitoring and evaluation): 建立环境健康风险监测系统，定期评估风险管理措施的效果，及时调整风险管理策略。
10.3.3 环境与健康协同管理 (Synergistic Management of Environment and Health)
环境与健康协同管理 (Synergistic Management of Environment and Health) 是指将环境保护与健康促进相结合，统筹考虑环境与健康问题，实现环境保护与健康改善的双赢。环境与健康协同管理的核心理念是：
▮▮▮▮ⓐ 预防为主 (Prevention first): 将健康融入所有政策 (Health in All Policies, HiAP)，从源头预防环境污染和健康风险。
▮▮▮▮ⓑ 多部门合作 (Multi-sectoral collaboration): 加强环保、卫生、农业、工业、交通等部门的合作，共同解决环境与健康问题。
▮▮▮▮ⓒ 公众参与 (Public participation): 鼓励公众参与环境与健康决策，保障公众的环境知情权、参与权和监督权。
▮▮▮▮ⓓ 健康公平 (Health equity): 关注弱势群体的环境健康问题，减少环境健康不公平现象。
环境与健康协同管理的主要措施包括：
▮▮▮▮ⓐ 制定环境健康政策 (Develop environmental health policies): 将健康指标纳入环境政策和规划，制定环境健康行动计划，推动环境健康协同管理。
▮▮▮▮ⓑ 开展环境健康影响评价 (Conduct environmental health impact assessment): 在环境影响评价中增加健康影响评价内容，评估建设项目和政策的环境健康风险。
▮▮▮▮ⓒ 加强环境健康监测与预警 (Strengthen environmental health monitoring and early warning): 建立环境健康监测网络，开展人群健康调查，建立环境健康风险预警系统。
▮▮▮▮ⓓ 推广健康促进型环境干预 (Promote health-promoting environmental interventions): 实施改善空气质量、饮用水安全、食品安全、噪声控制、绿色空间建设等环境干预措施，促进人群健康。
▮▮▮▮ⓔ 加强环境健康研究与能力建设 (Strengthen environmental health research and capacity building): 开展环境健康基础研究、应用研究和政策研究，培养环境健康专业人才，提升环境健康管理能力。
10.4 环境化学学科发展展望 (Prospects for the Development of Environmental Chemistry)
环境化学作为一门交叉学科，其未来发展将呈现以下趋势：
10.4.1 环境化学学科交叉与融合 (Interdisciplinary and Integrated Development of Environmental Chemistry)
环境化学将进一步加强与化学、生物学、生态学、地理学、信息科学、材料科学等学科的交叉与融合，形成新的学科增长点和研究方向。
▮▮▮▮ⓐ 与分析化学的融合: 发展高灵敏度、高选择性、高通量的环境分析新方法和新技术，满足复杂环境体系中痕量污染物分析的需求。
▮▮▮▮ⓑ 与有机化学、无机化学、物理化学的融合: 深入研究污染物在环境中的化学行为和转化机制，揭示环境化学过程的本质规律。
▮▮▮▮ⓒ 与生物学的融合: 发展环境生物化学、环境微生物学、环境毒理学等分支，研究污染物与生物体的相互作用机制，评估污染物对生物和生态系统的影响。
▮▮▮▮ⓓ 与生态学的融合: 发展生态环境化学、生态毒理学、景观环境化学等分支，研究污染物在生态系统中的迁移转化和生态效应，评估环境污染的生态风险。
▮▮▮▮ⓔ 与地理学的融合: 发展环境地球化学、区域环境化学、全球环境化学等分支，研究污染物在地球系统中的循环过程和空间分布规律，揭示全球环境问题的化学本质。
▮▮▮▮ⓕ 与信息科学的融合: 发展环境信息化学、环境大数据分析、环境模型模拟等技术，利用大数据、人工智能等技术提升环境化学研究水平和应用能力。
▮▮▮▮ⓖ 与材料科学的融合: 发展环境功能材料、环境友好材料、纳米环境材料等，研发高效、低耗、环境友好的环境污染控制和修复材料。
10.4.2 环境化学技术创新与应用 (Technological Innovation and Application in Environmental Chemistry)
环境化学技术创新将围绕环境分析技术、污染控制技术、环境修复技术、绿色化学技术等领域展开，推动环境化学技术向高效、低耗、清洁、智能化方向发展。
▮▮▮▮ⓐ 环境分析技术创新: 发展在线监测、快速检测、高通量分析、多组分分析、生物传感等环境分析新技术，提高环境监测效率和精度。
▮▮▮▮ⓑ 污染控制技术创新: 研发高效、低耗、低二次污染的污染控制新技术，如膜分离、高级氧化、生物处理、吸附分离、催化转化等，提高污染治理效果和资源利用效率。
▮▮▮▮ⓒ 环境修复技术创新: 发展原位修复、生物修复、植物修复、联合修复等环境修复新技术，提高修复效率和经济性，实现污染场地安全利用和生态恢复。
▮▮▮▮ⓓ 绿色化学技术创新: 研发绿色化学合成路线、绿色溶剂、绿色催化剂、绿色反应条件等，推动化工生产绿色化，从源头减少环境污染。
10.4.3 环境化学人才培养与国际合作 (Talent Cultivation and International Cooperation in Environmental Chemistry)
环境化学学科发展需要高素质的专业人才支撑。未来环境化学人才培养应注重：
▮▮▮▮ⓐ 学科交叉融合: 培养具有化学、生物学、生态学、环境科学等多学科知识背景的复合型人才。
▮▮▮▮ⓑ 实践能力培养: 加强实验技能、现场调查、数据分析、模型模拟等实践能力培养，提高学生解决实际环境问题的能力。
▮▮▮▮ⓒ 创新思维培养: 注重培养学生的创新意识和创新能力，鼓励学生开展创新性研究，探索环境化学新理论、新方法、新技术。
▮▮▮▮ⓓ 国际视野拓展: 加强国际交流与合作，培养具有国际视野和跨文化交流能力的环境化学人才。
国际合作是应对全球环境挑战的必然选择。环境化学领域应加强国际合作，共同应对全球环境问题，推动全球环境治理体系建设。
▮▮▮▮ⓐ 开展国际合作研究: 围绕全球环境变化、新兴污染物、环境健康等重大环境问题，开展国际合作研究，共同攻克环境化学领域的前沿和热点问题。
▮▮▮▮ⓑ 加强国际学术交流: 积极参与国际学术会议、研讨会、培训班等活动，促进环境化学领域的国际学术交流和知识共享。
▮▮▮▮ⓒ 推动国际环境标准制定: 积极参与国际环境标准、指南、规范的制定，提升中国在国际环境治理中的话语权和影响力。
▮▮▮▮ⓓ 加强发展中国家环境援助: 向发展中国家提供环境技术、管理经验和资金支持，帮助发展中国家提升环境治理能力，共同应对全球环境挑战。
环境化学学科的未来发展前景广阔，面临的挑战也十分严峻。环境化学工作者应以高度的责任感和使命感，勇于担当，开拓创新，为解决全球环境问题，构建人类命运共同体贡献智慧和力量。
Appendix A: 常用环境化学术语中英文对照 (Glossary of Common Environmental Chemistry Terms)
Appendix A: 常用环境化学术语中英文对照 (Glossary of Common Environmental Chemistry Terms)
Appendix A: 提供本书中常用环境化学术语的中英文对照，方便读者查阅和理解。
① 氨化作用 (Ammonification)：有机氮化合物在微生物作用下转化为氨的过程。
② 半挥发性有机物 (Semi-Volatile Organic Compounds, SVOCs)：一类沸点较高，在环境中以气态和颗粒态形式同时存在的有机污染物。
③ 生物地球化学循环 (Biogeochemical Cycle)：指化学元素或化合物在生物圈与地球各圈层之间，通过生物、化学和物理过程进行的循环。
④ 生物富集 (Bioaccumulation)：生物体从环境中吸收并积累化学物质，导致生物体内污染物浓度高于环境浓度的现象。
⑤ 生物化学需氧量 (Biochemical Oxygen Demand, BOD)：在规定条件下，微生物分解水中有机物所需的溶解氧量，常作为衡量水体有机污染程度的指标。
⑥ 生物修复 (Bioremediation)：利用生物（如微生物、植物）的生命活动，降解、转化或去除环境污染物，从而修复受污染环境的技术。
⑦ 沉淀 (Precipitation)：难溶性物质从溶液中析出的过程。
⑧ 持久性有机污染物 (Persistent Organic Pollutants, POPs)：具有持久性、生物累积性、长距离迁移性和高毒性的有机污染物，如滴滴涕 (DDT)、多氯联苯 (PCBs)、二噁英等。
⑨ 臭氧层 (Ozone Layer)：地球大气平流层中臭氧浓度较高的区域，能够吸收大部分太阳紫外线，保护地球生物。
⑩ 臭氧层破坏 (Ozone Layer Depletion)：平流层臭氧浓度降低的现象，主要由人类活动排放的消耗臭氧层物质引起。
⑪ 大气化学 (Atmospheric Chemistry)：研究大气圈中化学物质的组成、分布、变化规律及其环境效应的学科。
⑫ 大气污染 (Atmospheric Pollution)：由于人类活动或自然原因，大气中某些物质浓度升高，对人类健康、生物和环境造成危害的现象。
⑬ 大气污染控制 (Atmospheric Pollution Control)：为防治大气污染而采取的各种措施和技术，包括源头控制、过程控制和末端治理等。
⑭ 大气颗粒物 (Atmospheric Particulate Matter)：悬浮在大气中的固体和液体颗粒物的总称，根据粒径大小可分为PM10、PM2.5等。
⑮ 滴滴涕 (DDT, Dichlorodiphenyltrichloroethane)：一种典型的持久性有机污染物，曾广泛用作杀虫剂，后因其环境持久性和生物累积性而被禁用。
⑯ 电化学分析法 (Electrochemical Analysis Methods)：基于电化学原理的分析方法，如pH计、电导率仪、离子选择性电极法、极谱法、伏安法等。
⑰ 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO\( _2 \))：一种主要的温室气体，也是碳循环中的重要组成部分。
⑱ 二噁英 (Dioxins)：一类剧毒的持久性有机污染物，通常指多氯二苯并二噁英 (PCDDs) 和多氯二苯并呋喃 (PCDFs)。
⑲ 反硝化作用 (Denitrification)：在厌氧条件下，微生物将硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气或一氧化二氮等气态氮的过程。
⑳ 风险评估 (Risk Assessment)：识别和评估潜在危害及其对人类健康和生态环境可能造成的不良影响的过程。
㉑ 风险管理 (Risk Management)：在风险评估的基础上，制定和实施降低或消除风险的策略和措施。
㉒ 富营养化 (Eutrophication)：水体中氮、磷等营养物质过量，导致藻类等浮游生物过度繁殖，水质恶化的现象。
㉓ 光化学烟雾 (Photochemical Smog)：在特定气象条件下，汽车尾气、工业废气等排放的氮氧化物和挥发性有机物在紫外线照射下发生复杂的光化学反应，形成的二次污染物混合物。
㉔ 光谱分析法 (Spectroscopic Analysis Methods)：基于物质与光相互作用的原理建立的分析方法，如紫外-可见分光光度法 (UV-Vis)、原子吸收光谱法 (AAS)、原子荧光光谱法 (AFS)、电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-OES)、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 等。
㉕ 挥发性有机物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)：一类沸点较低，易挥发到空气中的有机污染物，如苯、甲苯、甲醛等。
㉖ 活性污泥法 (Activated Sludge Process)：一种常用的污水生物处理方法，利用活性污泥中的微生物降解污水中的有机污染物。
㉗ 化学分析法 (Chemical Analysis Methods)：利用化学反应和化学原理进行的分析方法，包括容量分析法、比色法等。
㉘ 化学需氧量 (Chemical Oxygen Demand, COD)：用化学氧化剂氧化水中有机物所需的氧量，常作为衡量水体有机污染程度的指标。
㉙ 环境分析化学 (Environmental Analytical Chemistry)：研究环境样品中化学物质的组成、含量、形态和分布，以及发展和应用环境分析方法的学科。
㉚ 环境毒理学 (Environmental Toxicology)：研究环境污染物对生物体（主要是人类）的毒性效应及其机制的学科。
㉛ 环境化学 (Environmental Chemistry)：研究化学物质在环境中的来源、迁移、转化、归趋和效应，以及控制和治理环境污染的化学原理和方法的学科。
㉜ 环境管理 (Environmental Management)：为实现环境保护目标，运用法律、经济、技术和行政等手段，对人类与环境的关系进行协调和调控的活动。
㉝ 环境政策 (Environmental Policy)：政府或相关机构为解决环境问题、改善环境质量而制定的指导性文件和行动方案。
㉞ 环境质量标准 (Environmental Quality Standards)：为保护人群健康和生态环境，对环境中污染物或环境因子的容许浓度或水平所作的规定。
㉟ 环境容量 (Environmental Capacity)：在一定时期内，环境在维持自身基本功能和特征的前提下，所能容纳污染物的最大负荷量。
㊱ 环境可持续发展 (Environmental Sustainability)：在经济发展的同时，保护环境和资源，满足当代人需求又不危及后代人满足其需求的能力的发展模式。
㊲ 环境污染 (Environmental Pollution)：由于人类活动或自然原因，有害物质进入环境，超过环境的自净能力，对人类健康和生态环境造成不良影响的现象。
㊳ 环境样品预处理 (Environmental Sample Pretreatment)：为消除干扰、富集待测物、提高分析灵敏度，在环境样品分析测定前进行的样品处理过程，包括萃取、浓缩、净化、分离等步骤。
㊴ 环境友好材料 (Environmentally Friendly Materials)：在生产、使用和废弃过程中，对环境影响较小或无害的材料，如可降解材料、生物基材料、生态建材等。
㊵ 环境友好技术 (Environmentally Friendly Technologies)：有利于环境保护和资源节约的技术，如清洁生产技术、污染防治技术、生态修复技术等。
㊶ 界面化学 (Interface Chemistry)：研究相界面现象和性质的化学分支学科，在环境化学中用于研究污染物在不同环境介质界面的行为。
㊷ 解吸 (Desorption)：吸附质从吸附剂表面脱离的过程，是吸附的逆过程。
㊸ 络合 (Complexation)：金属离子与配体结合形成络合物的过程，影响金属离子在环境中的迁移性和生物有效性。
㊹ 纳米材料 (Nanomaterials)：尺寸在1-100纳米范围内的材料，由于其特殊的物理化学性质，在环境领域受到关注，但也存在潜在的环境风险。
㊺ 内分泌干扰物 (Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs)：一类能够干扰生物内分泌系统的外源性化学物质，可能对生物的生殖、发育和免疫系统产生不良影响。
㊻ 农药 (Pesticide)：为防治病虫草鼠害及其他有害生物而生产、使用的化学农药、生物农药及其他物质和各种制剂。
㊼ 平衡常数 (Equilibrium Constant)：描述化学平衡状态的常数，反映了化学反应进行的程度和方向。
㊽ pH值 (pH Value)：溶液酸碱度的量度，是氢离子浓度负对数的常用对数值。
㊾ 气溶胶 (Aerosol)：分散在气体介质中的固态或液态微粒形成的胶体分散体系。
㊿ 清洁生产 (Cleaner Production)：通过不断改进生产工艺和管理，减少污染物的产生和排放，提高资源利用效率，实现经济效益和环境效益双赢的生产模式。
<0xE2><0x91><0xB1> 全氟化合物 (Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS)：一类人工合成的有机氟化物，具有持久性、生物累积性和潜在毒性，广泛应用于工业和消费品。
<0xE2><0x91><0xB2> 全球气候变化 (Global Climate Change)：全球气候系统长期趋势的变化，主要表现为全球气温升高，以及降水模式、极端天气事件等的变化，主要由人类活动排放温室气体引起。
<0xE2><0x91><0xB3> 溶解氧 (Dissolved Oxygen, DO)：溶解在水中的氧气，是水生生物生存所必需的，也是评价水质的重要指标。
<0xE2><0x91><0xB4> 色谱分析法 (Chromatographic Analysis Methods)：利用不同物质在色谱柱中分离行为的差异进行分离和分析的方法，如气相色谱法 (GC)、液相色谱法 (LC)、离子色谱法 (IC) 等。
<0xE2><0x91><0xB5> 生态毒理学 (Ecotoxicology)：研究环境污染物对生态系统和生态系统中生物的毒性效应及其机制的学科。
<0xE2><0x91><0xB6> 生态风险评估 (Ecological Risk Assessment)：评估污染物对生态系统可能造成的风险的过程，包括问题界定、分析阶段、风险表征等步骤。
<0xE2><0x91><0xB7> 生物地球化学循环 (Biogeochemical Cycle)：指化学元素或化合物在生物圈与地球各圈层之间，通过生物、化学和物理过程进行的循环。
<0xE2><0x91><0xB8> 生物修复 (Bioremediation)：利用生物（如微生物、植物）的生命活动，降解、转化或去除环境污染物，从而修复受污染环境的技术。
<0xE2><0x91><0xB9> 植物修复 (Phytoremediation)：利用植物吸收、积累、降解或稳定土壤、水体和大气中的污染物，从而修复受污染环境的技术。
<0xE2><0x91><0xBA> 水化学 (Aquatic Chemistry)：研究水体中化学物质的组成、分布、变化规律及其环境效应的学科。
<0xE2><0x91><0xBB> 水体富营养化 (Eutrophication)：水体中氮、磷等营养物质过量，导致藻类等浮游生物过度繁殖，水质恶化的现象。
<0xE2><0xE2><0x91><0xBC> 水污染 (Water Pollution)：由于人类活动或自然原因，有害物质进入水体，超过水体的自净能力，使水体质量恶化的现象。
<0xE2><0x91><0xBD> 水污染控制 (Water Pollution Control)：为防治水污染而采取的各种措施和技术，包括污染源控制、污水处理、水质改善等。
<0xE2><0x91><0xBE> 土壤化学 (Soil Chemistry)：研究土壤中化学物质的组成、分布、变化规律及其环境效应的学科。
<0xE2><0x91><0xBF> 土壤污染 (Soil Pollution)：由于人类活动或自然原因，有害物质进入土壤，超过土壤的自净能力，对土壤功能和生态环境造成不良影响的现象。
<0xE2><0x92><0x80> 土壤污染修复 (Soil Pollution Remediation)：为恢复受污染土壤的功能和质量，采取的各种物理、化学、生物或植物修复技术。
<0xE2><0x92><0x81> 吸附 (Adsorption)：物质（吸附质）在固体表面（吸附剂）富集的过程。
<0xE2><0x92><0x82> 新兴污染物 (Emerging Pollutant)：近年来才被人们认识到其环境危害，但尚未被纳入常规监测和管理的污染物，如内分泌干扰物 (EDCs)、药物和个人护理品 (PPCPs)、微塑料、纳米材料等。
<0xE2><0x92><0x83> 硝化作用 (Nitrification)：在好氧条件下，微生物将氨氮氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程。
<0xE2><0x92><0x84> 循环经济 (Circular Economy)：一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“资源—产品—废弃物—再生资源”的闭环流动为特征的经济发展模式。
<0xE2><0x92><0x85> 氧化还原电位 (Redox Potential)：表征体系氧化还原性的参数，反映了体系中氧化态物质和还原态物质的相对含量。
<0xE2><0x92><0x86> 盐度 (Salinity)：水中溶解盐类的浓度，通常以千分率 (‰) 或百分比 (%) 表示。
<0xE2><0x92><0x87> 样品采集 (Sample Collection)：为进行分析测试，从环境介质中获取具有代表性的样品的过程。
<0xE2><0x92><0x88> 质量保证 (Quality Assurance, QA)：为保证分析结果的质量而采取的全部有计划、有系统的活动。
<0xE2><0x92><0x89> 质量控制 (Quality Control, QC)：为达到质量保证的要求，在分析测试过程中采取的各种操作技术和措施。
<0xE2><0x92><0x8A> 重金属 (Heavy Metal)：一般指密度大于4.5 g/cm\( ^3 \) 的金属，在环境化学中通常指具有环境和生物毒性的金属和类金属元素，如汞、镉、铅、铬、砷等。
<0xE2><0x92><0x8B> 温室气体 (Greenhouse Gas)：大气中能够吸收和发射红外辐射，产生温室效应的气体，如二氧化碳 (CO\( _2 \))、甲烷 (CH\( _4 \))、氧化亚氮 (N\( _2 \)O) 等。
<0xE2><0x92><0x8C> 污染物 (Pollutant)：进入环境并对人类健康或环境产生不利影响的物质或能量。
<0xE2><0x92><0x8D> 植物修复 (Phytoremediation)：利用植物吸收、积累、降解或稳定土壤、水体和大气中的污染物，从而修复受污染环境的技术。
Appendix B: 环境化学常用数据与常数 (Common Data and Constants in Environmental Chemistry)
Appendix B1: 物理常数 (Physical Constants)
Appendix B1.1: 基本物理常数 (Basic Physical Constants)
① 阿伏伽德罗常数 (Avogadro constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(N_A\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(6.022 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 表示1摩尔物质中所包含的微粒数（原子、分子、离子等）。在环境化学中，常用于计算污染物分子数、浓度转换等。
② 理想气体常数 (Ideal gas constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(R\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(8.314 \text{ J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}\) 或 (or) \(0.0821 \text{ L} \cdot \text{atm} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 用于理想气体状态方程，计算气体污染物在标准状态下的体积、浓度等。
③ 玻尔兹曼常数 (Boltzmann constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(k\) 或 \(\kappa\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(1.381 \times 10^{-23} \text{ J} \cdot \text{K}^{-1}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 联系宏观物理量（如温度）与微观物理量（如分子能量）的桥梁，在统计热力学中常用。
④ 普朗克常数 (Planck constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(h\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(6.626 \times 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 量子力学中的基本常数，用于计算光子能量、光谱分析等。
⑤ 光速 (Speed of light in vacuum)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(c\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(2.998 \times 10^{8} \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 电磁波在真空中传播的速度，用于光谱学、光化学反应等计算。
⑥ 标准大气压 (Standard atmospheric pressure)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(p_0\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(101325 \text{ Pa}\) 或 (or) \(1 \text{ atm}\) 或 (or) \(760 \text{ mmHg}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 标准状况下的大气压力，常用于气体体积、浓度单位的换算。
⑦ 绝对零度 (Absolute zero)
▮▮▮▮数值 (Value): \(0 \text{ K}\) 或 (or) \(-273.15 \text{ °C}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 热力学温标的零点。
⑧ 重力加速度 (Standard acceleration of gravity)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(g\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(9.807 \text{ m} \cdot \text{s}^{-2}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 地球表面物体自由下落的加速度，用于力学计算。
Appendix B1.2: 水的物理性质 (Physical Properties of Water)
① 水的密度 (Density of water)
▮▮▮▮数值 (Value): 约 (approximately) \(1000 \text{ kg/m}^3\) 或 (or) \(1 \text{ g/cm}^3\) (在 (at) 4°C 时 (when 4°C))
▮▮▮▮描述 (Description): 水的质量与体积之比，随温度变化。用于计算水体的质量、体积，以及污染物在水中的浓度转换等。
② 水的摩尔质量 (Molar mass of water)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(M(H_2O)\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(18.015 \text{ g/mol}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 1摩尔水的质量，用于摩尔浓度与质量浓度之间的转换。
③ 水的沸点 (Boiling point of water)
▮▮▮▮数值 (Value): \(100 \text{ °C}\) 或 (or) \(373.15 \text{ K}\) (在 (at) 1 atm 时 (when 1 atm))
▮▮▮▮描述 (Description): 水在标准大气压下的沸腾温度。
④ 水的熔点 (Melting point of water)
▮▮▮▮数值 (Value): \(0 \text{ °C}\) 或 (or) \(273.15 \text{ K}\) (在 (at) 1 atm 时 (when 1 atm))
▮▮▮▮描述 (Description): 水在标准大气压下的熔化温度。
⑤ 水的比热容 (Specific heat capacity of water)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(c_p\)
▮▮▮▮数值 (Value): 约 (approximately) \(4.184 \text{ J} \cdot \text{g}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 使1克水温度升高1摄氏度所需的热量，影响水体温度变化、热污染等。
⑥ 水的汽化热 (Heat of vaporization of water)
▮▮▮▮数值 (Value): 约 (approximately) \(2260 \text{ kJ/kg}\) 或 (or) \(40.7 \text{ kJ/mol}\) (在沸点 (at boiling point))
▮▮▮▮描述 (Description): 使液态水变为气态水所需的能量，影响水的蒸发、水循环等。
⑦ 水的表面张力 (Surface tension of water)
▮▮▮▮数值 (Value): 约 (approximately) \(72 \text{ mN/m}\) (在 (at) 25°C 时 (when 25°C))
▮▮▮▮描述 (Description): 液体表面收缩的力，影响界面现象、污染物吸附等。
⑧ 水的介电常数 (Dielectric constant of water)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(\epsilon\)
▮▮▮▮数值 (Value): 约 (approximately) 80 (在 (at) 20°C 时 (when 20°C))
▮▮▮▮描述 (Description): 衡量水作为溶剂极性的指标，影响离子化合物的溶解度、化学反应速率等。
Appendix B2: 化学常数 (Chemical Constants)
Appendix B2.1: 常用化学平衡常数 (Common Chemical Equilibrium Constants)
① 水的离子积常数 (Ion product constant of water)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(K_w\)
▮▮▮▮数值 (Value): \(1.0 \times 10^{-14}\) (在 (at) 298 K 时 (when 298 K))
▮▮▮▮描述 (Description): 表示水中 \(H^+\) 和 \(OH^-\) 离子浓度乘积，用于计算水溶液的pH值、酸碱平衡等。
② 酸的解离常数 (Acid dissociation constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(K_a\)
▮▮▮▮描述 (Description): 衡量酸在水中解离程度的常数，\(K_a\) 值越大，酸性越强。不同酸的 \(K_a\) 值可在化学手册中查阅。例如：
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 醋酸 (Acetic acid, \(CH_3COOH\)): \(K_a \approx 1.8 \times 10^{-5}\)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 碳酸 (Carbonic acid, \(H_2CO_3\)): \(K_{a1} \approx 4.3 \times 10^{-7}\), \(K_{a2} \approx 5.6 \times 10^{-11}\)
③ 碱的解离常数 (Base dissociation constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(K_b\)
▮▮▮▮描述 (Description): 衡量碱在水中解离程度的常数，\(K_b\) 值越大，碱性越强。不同碱的 \(K_b\) 值可在化学手册中查阅。例如：
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 氨水 (Ammonia, \(NH_3\)): \(K_b \approx 1.8 \times 10^{-5}\)
④ 亨利定律常数 (Henry's Law constant)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(K_H\) 或 \(H\)
▮▮▮▮描述 (Description): 描述气体在液相和气相之间分配的常数，用于计算气体污染物在水中的溶解度。不同气体和温度下的 \(K_H\) 值可在相关数据库中查阅。单位常表示为 \(atm \cdot m^3 \cdot mol^{-1}\) 或无量纲形式。例如，二氧化碳 (\(CO_2\)) 在水中的亨利定律常数随温度变化。
⑤ 辛醇-水分配系数 (Octanol-water partition coefficient)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(K_{ow}\) 或 \(P_{ow}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 衡量有机化合物在辛醇和水两相中分配的常数，常以 \(log K_{ow}\) 表示。用于评估有机污染物在环境中的生物富集潜力、迁移行为等。\(log K_{ow}\) 值越高，疏水性越强。不同有机污染物的 \(K_{ow}\) 值可在相关数据库中查阅。例如，滴滴涕 (DDT) 的 \(log K_{ow}\) 值较高。
⑥ 土壤有机碳吸附系数 (Soil organic carbon-water partition coefficient)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(K_{oc}\)
▮▮▮▮描述 (Description): 衡量有机化合物在土壤有机碳和水之间分配的常数，用于预测有机污染物在土壤中的吸附行为和迁移性。不同有机污染物和土壤类型的 \(K_{oc}\) 值可在相关数据库中查阅。
Appendix B2.2: 其他常用化学数据 (Other Common Chemical Data)
① 标准电极电势 (Standard electrode potential)
▮▮▮▮符号 (Symbol): \(E^0\)
▮▮▮▮描述 (Description): 标准条件下（298K，1 atm，1 M 浓度）的电极电势，用于判断氧化还原反应的方向和程度。常见电对的标准电极电势可在电化学手册中查阅。例如，\(O_2/H_2O\) 电对的标准电极电势为 +1.23 V (酸性条件)。
② 原子量 (Atomic weights)
▮▮▮▮描述 (Description): 元素的相对原子质量，可在元素周期表中查阅。例如，碳 (C) 的原子量约为 12.01 amu，氧 (O) 的原子量约为 16.00 amu。
③ 常见元素的密度 (Densities of common elements)
▮▮▮▮描述 (Description): 常见元素的密度数据，可在物理化学手册中查阅。例如，铁 (Fe) 的密度约为 \(7.87 \text{ g/cm}^3\)，铝 (Al) 的密度约为 \(2.70 \text{ g/cm}^3\)。
④ 常见化合物的摩尔质量 (Molar masses of common compounds)
▮▮▮▮描述 (Description): 常见化合物的摩尔质量，可通过原子量计算得到，或在化学手册中查阅。例如，二氧化碳 (\(CO_2\)) 的摩尔质量约为 44.01 g/mol。
Appendix B3: 环境标准 (Environmental Standards)
Appendix B3.1: 空气质量标准 (Air Quality Standards)
① 中国环境空气质量标准 (Chinese Ambient Air Quality Standards) (GB 3095-2012 及其 (and its) 修改单 (amendments))
▮▮▮▮描述 (Description): 列出中国环境空气质量标准中常见污染物（如 (e.g.) \(PM_{2.5}\), \(PM_{10}\), \(SO_2\), \(NO_2\), \(O_3\), CO）的浓度限值（一级标准、二级标准）。具体限值请参考最新国家标准。例如 (Example, approximate values for annual average concentration, unit: \(\mu g/m^3\)):
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(PM_{2.5}\): 一级 (Class I) ≤ 15, 二级 (Class II) ≤ 35
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(PM_{10}\): 一级 (Class I) ≤ 30, 二级 (Class II) ≤ 70
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(SO_2\): 一级 (Class I) ≤ 20, 二级 (Class II) ≤ 60
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(NO_2\): 一级 (Class I) ≤ 40, 二级 (Class II) ≤ 40 (年平均与小时平均限值不同 (annual average and hourly average limits are different))
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(O_3\): 一级 (Class I) 和 (and) 二级 (Class II) 标准不同，且与评价方式有关 (standards for Class I and Class II are different, and related to evaluation methods)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- CO: 一级 (Class I) 和 (and) 二级 (Class II) 标准不同 (standards for Class I and Class II are different)
② 世界卫生组织空气质量指南 (WHO Air Quality Guidelines)
▮▮▮▮描述 (Description): 列出世界卫生组织 (WHO) 空气质量指南中常见污染物的推荐限值。这些指南为全球空气质量管理提供科学依据。例如 (Example, guideline values for annual average concentration, unit: \(\mu g/m^3\)):
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(PM_{2.5}\): ≤ 5
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(PM_{10}\): ≤ 15
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(NO_2\): ≤ 10
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(SO_2\): ≤ 40 (24-hour average)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(O_3\): ≤ 100 (8-hour daily maximum)
Appendix B3.2: 地表水环境质量标准 (Environmental Quality Standards for Surface Water) (GB 3838-2002)
① 中国地表水环境质量标准 (Chinese Environmental Quality Standards for Surface Water) (GB 3838-2002)
▮▮▮▮描述 (Description): 将地表水划分为五类，并规定了不同类别水域的水质指标限值，包括pH值、溶解氧 (DO)、化学需氧量 (COD)、五日生化需氧量 (BOD5)、氨氮 (\(NH_3\)-N)、总磷 (TP)、总氮 (TN)、重金属、挥发酚、石油类等。具体限值请参考最新国家标准。例如 (Example, Class I and Class II limits for some parameters):
⚝▮▮▮▮▮▮▮- pH: 6-9 (Class I and Class II)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- DO (溶解氧): ≥ 7 mg/L (Class I), ≥ 6 mg/L (Class II)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- COD (化学需氧量): ≤ 15 mg/L (Class I), ≤ 15 mg/L (Class II)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- BOD5 (五日生化需氧量): ≤ 3 mg/L (Class I), ≤ 3 mg/L (Class II)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- \(NH_3\)-N (氨氮): ≤ 0.15 mg/L (Class I), ≤ 0.5 mg/L (Class II)
⚝▮▮▮▮▮▮▮- TP (总磷): ≤ 0.02 mg/L (Class I, for lakes and reservoirs in oligotrophic state), ≤ 0.1 mg/L (Class II, for lakes and reservoirs for drinking water source)
Appendix B3.3: 土壤环境质量标准 (Environmental Quality Standards for Soil) (GB 15618-2018)
① 中国土壤环境质量标准 (Chinese Environmental Quality Standards for Soil) (GB 15618-2018)
▮▮▮▮描述 (Description): 规定了土壤环境质量的风险筛选值和管制值，针对不同土地利用类型（农用地、建设用地）和不同污染物（重金属、有机污染物等）设定了限值。具体限值请参考最新国家标准。例如 (Example, risk screening values for agricultural land, pH > 6.5, unit: mg/kg):
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 镉 (Cd): ≤ 0.6
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 汞 (Hg): ≤ 2.3
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 砷 (As): ≤ 20
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 铅 (Pb): ≤ 80
⚝▮▮▮▮▮▮▮- 铬 (Cr): ≤ 150
注意 (Note): 环境标准数值会根据国家和地区、标准版本更新而有所变化，使用时请务必查阅最新、最权威的标准文件。(Environmental standard values may vary depending on the country, region, and updates of standard versions. Always refer to the latest and most authoritative standard documents when using them.)
Appendix C: 环境化学相关法规与标准 (Environmental Chemistry Related Regulations and Standards)
Summary
列举国内外环境化学领域重要的法律法规、标准和指南，为读者提供进一步学习和研究的资源。
Appendix C1: 中国环境化学相关法规与标准 (Environmental Chemistry Related Regulations and Standards in China)
Summary
本节列举中国在环境化学领域重要的法律、法规、部门规章、国家标准和行业标准，为读者提供了解中国环境管理和环境质量要求的资源。
Appendix C1.1: 环境保护基本法律 (Basic Environmental Protection Laws)
① 《中华人民共和国环境保护法》 (Environmental Protection Law of the People's Republic of China)
▮▮▮▮ 中华人民共和国环境保护领域的基础性、综合性法律，是其他环境法律法规的立法基础和核心依据。规定了环境保护的基本原则、制度、政府和企业的责任、公众参与、法律责任等，为环境保护工作提供了法律框架。
② 《中华人民共和国大气污染防治法》 (Law of the People's Republic of China on the Prevention and Control of Atmospheric Pollution)
▮▮▮▮ 防治大气污染、保护和改善大气环境、保障公众健康的重要法律。规定了大气污染防治的基本制度、防治措施、法律责任等，是大气环境保护工作的法律依据。
③ 《中华人民共和国水污染防治法》 (Law of the People's Republic of China on the Prevention and Control of Water Pollution)
▮▮▮▮ 防治水污染、保护和改善水环境、保障饮用水安全和公众健康的重要法律。规定了水污染防治的基本制度、防治措施、法律责任等，是水环境保护工作的法律依据。
④ 《中华人民共和国土壤污染防治法》 (Law of the People's Republic of China on the Prevention and Control of Soil Pollution)
▮▮▮▮ 防治土壤污染、保障土壤环境质量安全、保障农产品质量安全和人居环境健康的重要法律。规定了土壤污染防治的基本制度、防治措施、法律责任等，是土壤环境保护工作的法律依据。
⑤ 《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》 (Law of the People's Republic of China on the Prevention and Control of Environmental Pollution by Solid Waste)
▮▮▮▮ 防治固体废物污染环境、保障人体健康、维护生态环境的重要法律。规定了固体废物污染防治的基本制度、防治措施、法律责任等，是固体废物管理和污染防治的法律依据。
Appendix C1.2: 环境质量标准 (Environmental Quality Standards)
① 《环境空气质量标准》 (Ambient Air Quality Standards) (GB 3095)
▮▮▮▮ 规定了环境空气质量的等级划分、污染物项目及限值、监测方法等，是评价和管理环境空气质量的基本依据。包括基本项目（\(SO_2\), \(NO_2\), \(PM_{10}\), \(PM_{2.5}\), CO, \(O_3\)) 和特征污染物项目。
② 《地表水环境质量标准》 (Environmental Quality Standards for Surface Water) (GB 3838)
▮▮▮▮ 规定了地表水环境质量的类别划分、基本项目及限值、特定项目及限值、水质评价方法等，是评价和管理地表水环境质量的基本依据。根据水域功能划分为五类，各类水域有不同的水质指标要求。
③ 《地下水质量标准》 (Quality Standard for Groundwater) (GB/T 14848)
▮▮▮▮ 规定了地下水质量的分类、指标及限值、水质评价方法等，是评价和管理地下水质量的基本依据。根据地下水用途划分为五类，各类地下水有不同的水质指标要求。
④ 《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》 (Soil Environmental Quality - Risk Control Standard for Soil Contamination of Development Land) (GB 36600)
▮▮▮▮ 针对建设用地土壤污染风险管控而制定的标准，规定了建设用地土壤污染风险筛选值和管制值，用于指导建设用地土壤污染风险评估和管控。
⑤ 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》 (Soil Environmental Quality - Risk Control Standard for Soil Contamination of Agricultural Land) (GB 15618)
▮▮▮▮ 针对农用地土壤污染风险管控而制定的标准，规定了农用地土壤污染风险筛选值，用于指导农用地土壤污染风险评估和管控，保障农产品质量安全。
⑥ 《海水水质标准》 (Seawater Quality Standard) (GB 3097)
▮▮▮▮ 规定了海水水质的类别划分、指标及限值、水质评价方法等，是评价和管理海水水质的基本依据。根据海洋功能划分为四类，各类海域有不同的水质指标要求。
Appendix C1.3: 污染物排放标准 (Pollutant Emission Standards)
① 《大气污染物综合排放标准》 (Integrated Emission Standard of Air Pollutants) (GB 16297)
▮▮▮▮ 规定了工业企业排放的废气中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等大气污染物的排放限值，是控制工业废气排放的重要标准。
② 《水污染物综合排放标准》 (Integrated Wastewater Discharge Standard) (GB 8978)
▮▮▮▮ 规定了工业企业排放的废水中化学需氧量 (COD)、生化需氧量 (BOD)、氨氮、重金属等水污染物的排放限值，是控制工业废水排放的重要标准。
③ 《污水排入城镇下水道水质标准》 (Water Quality Standards for Discharge to Municipal Sewers) (GB/T 31962)
▮▮▮▮ 规定了工业企业和机构向城镇排水管网排放污水的污染物限值，以保护城镇污水处理厂的正常运行和出水水质达标。
④ 《生活垃圾填埋场污染控制标准》 (Standard for Pollution Control on the Landfill Site of Municipal Refuse) (GB 16889)
▮▮▮▮ 规定了生活垃圾填埋场在选址、设计、运行、封场等各个阶段的污染控制要求，以防止填埋场对土壤、地下水、大气等环境造成污染。
⑤ 《危险废物焚烧污染控制标准》 (Standard for Pollution Control on Hazardous Waste Incineration) (GB 18484)
▮▮▮▮ 规定了危险废物焚烧设施的大气污染物排放限值、焚烧炉运行要求、飞灰和底渣处理处置要求等，以控制危险废物焚烧过程产生的环境污染。
Appendix C1.4: 环境监测方法标准 (Environmental Monitoring Method Standards)
① 《水和废水监测分析方法》 (Monitoring and Analytical Methods for Water and Wastewater)
▮▮▮▮ 汇集了水和废水监测分析的常用方法，包括采样、样品预处理、各种水质指标的测定方法等，是进行水环境监测分析的技术规范。
② 《环境空气和废气监测分析方法》 (Monitoring and Analytical Methods for Ambient Air and Exhaust Gas)
▮▮▮▮ 汇集了环境空气和废气监测分析的常用方法，包括采样、样品预处理、各种大气污染物指标的测定方法等，是进行大气环境监测分析的技术规范。
③ 《土壤和沉积物监测分析方法》 (Monitoring and Analytical Methods for Soil and Sediment)
▮▮▮▮ 汇集了土壤和沉积物监测分析的常用方法，包括采样、样品预处理、各种土壤污染物指标的测定方法等，是进行土壤环境监测分析的技术规范。
Appendix C1.5: 其他相关标准与导则 (Other Relevant Standards and Guidelines)
① 《清洁生产标准》 (Cleaner Production Standards)
▮▮▮▮ 针对不同行业制定的清洁生产标准，规定了行业清洁生产的指标体系、技术要求和管理要求，指导企业实施清洁生产，减少污染排放。
② 《环境影响评价技术导则》 (Technical Guidelines for Environmental Impact Assessment)
▮▮▮▮ 指导环境影响评价工作的技术性文件，包括总纲和大气、水、土壤、生态、声环境等各专题导则，规范了环评的内容、方法和程序。
③ 《排污许可证申请与核发技术规范》 (Technical Specification for Application and Issuance of Pollutant Discharge Permit)
▮▮▮▮ 针对不同行业制定的排污许可证申请与核发技术规范，规定了排污单位申请排污许可证时需要提交的材料、核发机关的审核要求等，是排污许可制度实施的技术支撑。
④ 《国家危险废物名录》 (National Catalogue of Hazardous Wastes)
▮▮▮▮ 列举了国家认定的危险废物种类，是危险废物管理和控制的重要依据。明确了危险废物的定义、类别和代码，指导危险废物的鉴别、申报、转移、处置等管理工作。
Appendix C2: 国际环境化学相关法规与标准 (International Environmental Chemistry Related Regulations and Standards)
Summary
本节列举国际上重要的环境化学相关法规、国际公约、国际标准和国际组织发布的指南，为读者提供了解全球环境治理和国际合作的资源。
Appendix C2.1: 国际环境公约与议定书 (International Environmental Conventions and Protocols)
① 《斯德哥尔摩公约》 (Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants)
▮▮▮▮ 旨在在全球范围内消除或限制持久性有机污染物 (POPs) 的国际公约。规定了POPs的清单、缔约方的义务、信息交流、技术援助等，是全球POPs污染控制和管理的法律框架。
② 《鹿特丹公约》 (Rotterdam Convention on the Prior Informed Consent Procedure for Certain Hazardous Chemicals and Pesticides in International Trade)
▮▮▮▮ 旨在促进国际贸易中某些危险化学品和农药的信息交流和知情同意程序的国际公约。规定了受约化学品的清单、事先知情同意程序、信息交流等，以保护人类健康和环境免受危险化学品和农药的危害。
③ 《巴塞尔公约》 (Basel Convention on the Control of Transboundary Movements of Hazardous Wastes and Their Disposal)
▮▮▮▮ 旨在控制危险废物越境转移及处置的国际公约。规定了危险废物的定义、越境转移的程序、非法贩运的预防和惩处等，以减少危险废物越境转移对环境和人类健康造成的风险。
④ 《蒙特利尔议定书》 (Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)
▮▮▮▮ 旨在保护臭氧层、逐步淘汰消耗臭氧层物质的国际议定书。规定了消耗臭氧层物质的清单、淘汰时间表、技术援助等，是全球臭氧层保护合作的典范。
⑤ 《京都议定书》 (Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change)
▮▮▮▮ 《联合国气候变化框架公约》的第一个具有法律约束力的议定书，旨在限制发达国家温室气体排放，应对全球气候变化。规定了发达国家的减排目标、灵活机制等，为全球气候治理奠定了基础。
⑥ 《巴黎协定》 (Paris Agreement)
▮▮▮▮ 《联合国气候变化框架公约》下的一个里程碑式的国际协定，旨在加强《公约》的实施，将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内。提出了自主贡献、全球盘点、资金支持等机制，是全球应对气候变化行动的指南。
⑦ 《生物多样性公约》 (Convention on Biological Diversity)
▮▮▮▮ 旨在保护生物多样性、可持续利用其组成部分以及公平合理分享由利用遗传资源而产生的惠益的国际公约。规定了生物多样性保护的目标、措施、资金机制等，是全球生物多样性保护合作的法律框架。
Appendix C2.2: 国际标准 (International Standards)
① ISO 14000 系列环境管理标准 (ISO 14000 series Environmental Management Standards)
▮▮▮▮ 国际标准化组织 (ISO) 发布的关于环境管理的系列标准，包括环境管理体系 (ISO 14001)、环境审核 (ISO 14010 series)、环境标志 (ISO 14020 series)、生命周期评价 (ISO 14040 series) 等。为组织建立、实施、维护和改进环境管理体系提供框架，促进环境保护和可持续发展。
② ISO/IEC 17025 检测和校准实验室能力的通用要求 (ISO/IEC 17025 General requirements for the competence of testing and calibration laboratories)
▮▮▮▮ 国际标准化组织 (ISO) 和国际电工委员会 (IEC) 联合发布的关于检测和校准实验室能力的通用要求标准。规定了实验室质量管理体系、技术能力、人员、设施、设备、检测方法、质量保证等方面的要求，是实验室认可和质量管理的重要依据。
Appendix C2.3: 国际组织指南与报告 (Guidelines and Reports from International Organizations)
① 世界卫生组织 (WHO) 环境与健康指南 (WHO Guidelines for Environmental Health)
▮▮▮▮ 世界卫生组织 (WHO) 发布的关于环境与健康领域的系列指南，涵盖空气质量、水质、土壤污染、化学品安全、气候变化与健康等多个方面。为各国政府和卫生机构制定环境健康政策和措施提供科学依据和技术指导。
② 联合国环境规划署 (UNEP) 报告 (UNEP Reports)
▮▮▮▮ 联合国环境规划署 (UNEP) 发布的关于全球环境状况、环境问题和环境治理的系列报告，如《全球环境展望》(Global Environment Outlook, GEO)、《排放差距报告》(Emissions Gap Report) 等。提供全球环境信息、趋势分析和政策建议，促进全球环境合作和可持续发展。
③ 经济合作与发展组织 (OECD) 环境政策与指南 (OECD Environmental Policies and Guidelines)
▮▮▮▮ 经济合作与发展组织 (OECD) 发布的关于环境政策、环境管理和可持续发展的系列指南和报告，涵盖环境经济政策工具、环境绩效评估、绿色增长战略等多个方面。为成员国和发展中国家制定环境政策和促进绿色发展提供经验和借鉴。
④ 政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 报告 (IPCC Reports)
▮▮▮▮ 政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 发布的关于气候变化科学评估的权威报告，包括评估报告 (Assessment Reports, AR)、特别报告 (Special Reports, SR) 和方法学报告 (Methodology Reports)。提供关于气候变化的科学认知、影响评估、减缓和适应措施等方面的最新科学信息，是全球气候变化谈判和政策制定的科学基础。