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土壤中化学物质的吸附机理

来源：花匠小妙招时间：2025-06-26 21:31

文章导读

化学物质被吸附在土壤颗粒表面的过程是控制化学物质是否被生物体吸收、是否从土壤流失的重要过程。决定吸附作用的因素主要包括土壤矿物的表层特性和被吸附化学品的特性 (包括价态、电子构型和疏水性特征)。由于土壤是复杂的异质混合物，目前吸附机理的定量分析仍具有挑战性。来自美国爱达荷大学的Daniel G. Strawn在 Soil Systems 期刊上综述了土壤吸附机制机理，指出，吸附机理包括阳离子交换、外球吸附反应、内球吸附反应、表层沉淀和三元吸附络合物。

研究内容及结果

吸附的概念

作者整理了化学物质被吸附在土壤颗粒上的反应机制，如表1所示，为土壤中发生的不同吸附机制提供直接证据。阳离子交换是阳离子与土壤表面的静电作用产生的外球吸附反应反应，而通过直接键合到矿物表面的化学吸附称为内球吸附反应，主要发生在土壤粘土矿物、氧化物矿物和土壤有机物上。

表1. 发生在土壤颗粒上的吸附机制。

本综述所依据的两个重要吸附原理是：

(1) 生物体从土壤中吸收化学物质或将其从土壤中排出的过程受控于固溶界面的不同类型吸附过程，每种吸附过程的化学能，控制着化学物质在固体和溶液之间的分布。

(2) 吸附量可通过溶液化学成分变化进行间接评估，但准确测量仍需要多种调查方法，最好使用可直接测量吸附化学标本的分子级工具。

土壤吸附机制的控制因素

本综述指出，吸附反应涉及两种反应物，固体 (吸附剂) 和溶液中的化学物质 (吸附剂)。作者总结了土壤矿物的表面电荷成分，如表2所示。

表2. 土壤矿物表面电荷成分。

外球吸附反应和内球吸附反应

在土壤表面的离子交换，保持其水合球状，并通过静电力被吸引到土壤颗粒 (矿物或有机物) 的带相反电荷的表面上，这种吸附机制成为外球吸附反应，如图1所示。对于离子吸附的建模，通常采用DDL模型 (diffuse-double layer theory) 来量化带电表面的电势。

图1. 离子吸附在矿物表面上的外球吸附反应和内球吸附反应。

吸附模式主要取决于矿物表面的特性和溶液的反应条件。许多过渡金属都以内层络合物的形式吸附在不同的土壤带电表面上，包括Ni2+、Cu2+、Zn2+、Co2+和Hg2+、阴离子PO43-、SeO32-和AsO43-以及在环境中普遍存在的金属Pb2+也以内层络合物的形式吸附在带不同电荷的土壤表面上。内层络合物包含共价键，所以以上这些离子的吸附力很强。因此内球吸附反应是控制植物吸收化学物质以及化学物质从土壤沥滤到地下水或地表水的重要因素。

矿物表面的多核沉淀

本研究通过关键词“微塑料”、“环境”、“食物网”、“人体暴露”和“毒理学效应”，对2004年至2021年 (截至6月) 发表的关键文献进行分析。文章指出，微塑料污染最早在20世纪70年代的海洋环境中观察到，近年来，学者们的研究区域转移到了废水、河流和湖泊，概述世界各地不同水基质中微塑料的存在、检测微塑料的分析方法以及对人类健康的可能后果。关于水环境中MP污染的来源，主要来源是陆地上处理不当的塑料废物，以及在较小程度上来自海洋活动的衍生物，例如使用塑料设备的渔业。

矿物表层的多核沉淀和三元吸附络合物

作者指出，表层沉淀反应可能是矿物表面的同质固体，也可能是由共沉淀或多核沉淀组成的固体混合物，其中包含沉淀形成的固体表层离子。当土壤矿物表层的离子与表层形成的新固体结合时，产物就是表层沉淀。矿物表层的沉淀物是新形成的固相。表层沉淀的形成是将金属从土壤溶液中去除的重要过程，从而抑制金属的流动。

三元表层络合物包括两种相互作用的化学物质在矿物或有机物表面的吸附 (如图2所示)。三元 (即由三部分组成) 指的是两种吸附化学品和土壤颗粒吸附位点，通过阳离子或阴离子吸附组作用与表面结合。

图2. 三元吸附示意图。

研究总结

化学品在土壤中的去向受表层吸附反应的控制，其中包括作为外球和内球络合物的吸附或矿物表层的沉淀。近200年来，学者们在研究化学品如何与土壤颗粒发生相互作用随着技术的进步也进一步推动。作者通过研究相对纯净的双组分系统 (该系统仅由一种固体(如粘土矿物或氧化物矿物)和相关吸附化学物质组成)，详细阐述了相关反应过程，为化学物质在更复杂的土壤环境中的输移提供了理论依据。未来研究还应调查包括微生物和植物根系在内的动态系统中发生的分子相互作用，利用神经网络分析、深度学习和人工智能决策等方法，准确预测化学物质的可用性、归宿和迁移，从而有助于管理者制定更有效资源管理战略。

原文出自 Soil Systems 期刊Strawn, D.G. Sorption Mechanisms of Chemicals in Soils. Soil Syst. 2021, 5, 13.

主编：Heike Knicker, UInstituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS-CSIC), Spain

期刊重点关注土壤和沉积物中运行的生物、(生物) 化学和物理过程。

2022 Impact Factor: 3.52022 CiteScore: 5.8Time to First Decision: 25.2 DaysAcceptance to Publication: 3.9 Days