A brief history of phosphorus: from the philosopher's stone to nutrient recovery and reuse

The element phosphorus has no substitute in sustaining all life and food production on our planet. Yet today’s phosphorus use patterns have resulted in both a global environmental epidemic of eutrophication and led to a situation where the future availability of the world’s main sources of phosphorus is uncertain. This paper examines the important history of human interference with the phosphorus cycle from initial discovery to present, highlighting key interrelated events and consequences of the Industrial Revolution, Sanitation Revolution and Green Revolution. Whilst these events led to profound advances in technology, public health and food production, they have fundamentally broken the global phosphorus cycle. It is clear a ‘Fourth Revolution’ is required to resolve this dilemma and ensure humanity can continue to feed itself into the future while protecting environmental and human health.     

Contribution of ambient ozone to Scots pine defoliation and reduced growth in the Central European forests: a Lithuanian case study

The study aimed to explore if changes in crown defoliation and stem growth of Scots pines (Pinus sylvestris L.) could be related to changes in ambient ozone (O₃) concentration in central Europe. To meet this objective the study was performed in 3 Lithuanian national parks, close to the ICP integrated monitoring stations from which data on meteorology and pollution were provided. Contribution of peak O₃ concentrations to the integrated impact of acidifying compounds and meteorological parameters on pine stem growth was found to be more significant than its contribution to the integrated impact of acidifying compounds and meteorological parameters on pine defoliation. Findings of the study provide statistical evidence that peak concentrations of ambient O₃ can have a negative impact on pine tree crown defoliation and stem growth reduction under field conditions in central and northeastern Europe where the AOT40 values for forests are commonly below their phytotoxic levels.     

三种次生矿物固定A. ferrooxidans的Fe2+氧化及成矿性能比较

氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）介导的生物矿化方法促使可溶性Fe向次生铁矿物转变对酸性矿山废水（AMD）治理具有重要意义.化能自养菌A.ferrooxidans易受水流冲击而流失,常采用固定化方式来提高菌密度,从而保证较高的Fe²⁺氧化和成矿速率以满足实际需要.本研究在相同初始条件下（pH=2.30、Fe²⁺浓度4.48g/L、A.ferrooxidans密度8×10⁶cells/mL）生物合成固定有A.ferrooxidans的施氏矿物、黄钾铁矾和黄铵铁矾,比较矿物溶解前（固定态）和溶解后（游离态）A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化性能,并分析各矿物对A.ferrooxidans的固定能力.结果表明,生物成因次生铁矿物干重排序为施氏矿物（0.24g） < 黄铵铁矾（0.35g） < 黄钾铁矾（0.67g）,但矿物固定A.ferrooxidans的能力却依次为施氏矿物 > 黄铵铁矾 > 黄钾铁矾.以游离态A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化速率作为参比,推算出本研究所得施氏矿物、黄铵铁矾、黄钾铁矾固定A.ferrooxidans的有效生物量依次为5.33×10⁷~ 5.33×10⁸,5.72×10⁶~5.72×10⁷,6.35×10⁶cells/g（干基）.次生铁矿物载体有效生物量不仅直接影响AMD体系中Fe²⁺氧化速度,也间接决定了总Fe的矿化去除效果.     

FeSO_4-K_2SO_4-H_2O体系中Fe/K摩尔比对生物成因羟基硫酸铁矿物质量的影响及环境意义

在FeSO4-K2SO4-H2O的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌催化氧化体系中,当起始Fe2+浓度分别为20、40、80和160mmol.L-1时,通过设定系列Fe/K摩尔比(3~200)来调控溶液的K+含量,合成得到次生羟基硫酸铁矿物,主要包括施威特曼石、黄钾铁矾以及两者的混合物.结果表明,当起始Fe2+浓度较低,如20mmol.L-1和40mmol.L-1时,72h反应后,不同Fe/K摩尔比处理所得矿物质量很少,最大只有0.38g.而随着Fe2+浓度增大,Fe/K摩尔比例的减小,矿物质量明显增加,例如在Fe2+=160mmo.lL-1、Fe/K=3时,250mL体系中矿物质量达到了4.48g,同时矿物相由结晶度差的施威特曼石逐渐过渡到结晶度好的黄钾铁矾.笔者发现矿物质量与矿物相有非常密切的关系,当产物为晶型黄钾铁矾时,其对应的矿物质量也更多.因此,微生物成因羟基硫酸铁矿物质量在很大程度上取决于起始Fe2+浓度和Fe/K摩尔比,该现象对去除酸性矿山废水中可溶性Fe和SO24-有潜在意义.     

土壤添加不同粘土矿物对微囊藻毒素在生菜中生物富集的影响

土壤-作物系统中微囊藻毒素的生物富集会对人类健康造成潜在威胁.本研究通过生菜（Lactuca sativa L.var.ramosa Hort.）种植实验比较了土壤添加不同比例的3种粘土矿物（凹凸棒石、蒙脱石和沸石）对微囊藻毒素-LR（microcystin-LR,MC-LR）生物富集的影响,分析含10 μg·L^-1 MC-LR溶液灌溉土壤50 d后,不同处理的MC-LR在生菜中累积量及土壤中的有效态含量和总含量.结果表明,3种粘土矿物能够不同程度有效减少MC-LR在生菜根系和叶片中的富集.5%的凹凸棒石和蒙脱石处理的生菜叶片中MC-LR含量分别较空白处理降低53.0%和52.3%,使得摄入量降低到WHO组织要求的日允许摄入限量范围.添加粘土矿物显著降低了土壤中MC-LR有效态含量.相关分析发现,生菜根系和叶片中MC-LR的含量与土壤MC-LR有效态含量均呈显著正相关.实验结果为蓝藻污染地区削减微囊藻毒素的作物富集提供了科学依据.     

尿素对除草剂氯磺隆在三种土壤上的吸附影响

利用平衡吸附法研究了三种供试矿物对氯磺隆的吸附及尿素对吸附的影响。供试矿物对氯磺隆的吸附符合Langmuir方程,最大吸附量大小顺序为:非晶形氧化铝(2322μg/g)针铁矿(2071μg/g)高岭土(1326μg/g);尿素的加入使得磺酰脲除草剂氯磺隆在非晶形氧化铝、针铁矿表面的吸附量都有不同程度的下降,其中非晶形氧化铝降低的幅度最大,但在高岭土表面的吸附量有所增加,且尿素和氯磺隆同时加入时增加更显著。     

模拟有机-矿质体中不同吸附域对TCE的吸附影响

为研究无机矿物与有机质相互作用形成复合体对有机污染物的吸附行为影响,制备了蒙脱土-腐植酸复合体以及混合体模拟土样,分别代表蒙脱土与腐植酸之间有相互作用和无相互作用,并运用批实验的方法,针对不同有机质与无机矿物质量比(C/M)的有机-矿质复合体及混合体开展了三氯乙烯(TCE)吸附实验研究.结果表明,TCE在不同C/M的有机-矿质复合体和混合体中的吸附符合Freundlich等温吸附模型.采用纯蒙脱土及腐植酸的吸附方程叠加计算获取无相互作用模拟土样的固相吸附量计算值,计算值均小于复合体和混合体的实际固相吸附量,表明复合体中蒙脱土与腐植酸吸附域之间存在相互作用,导致腐植酸性质改变,使复合体的吸附能力增强,而混合体由于等温吸附实验过程中有水的参与,也可能在一定程度上形成了复合体.随着C/M的增大,有机-矿质复合体和混合体对TCE的吸附能力增强.当 C/M小于0.08时,复合体中蒙脱土与腐植酸发生较为充分的相互作用,导致腐植酸性质改变,增强了复合体对TCE的吸附能力,因而复合体对TCE的吸附能力明显强于混合体;当C/M大于0.08时,复合体中后续叠加在补丁上的有机质保留了源腐植酸的特性,这部分有机质将掩盖变性有机质的吸附影响,因而复合体与混合体对TCE的吸附能力基本相当.TCE初始浓度影响分析表明,当C/M固定时,随着TCE初始浓度(C0)的增大,非线性叠加模型的固相吸附量计算值与实测值的差值(?Qe)呈增大趋势,分析认为复合体中的变性有机质较其他组分对TCE具有更强的亲和力,随着C0的增加,变性有机质的吸附贡献率增大,因此导致?Qe的增大.     

挥发性氯代烃在湿润土壤中的平衡吸附研究

吸附是挥发性氯代烃(volatile chlorinated hydrocarbons,VCHs)赋存于土壤的主要机制之一.开展动态吸附实验,研究了4种常见VCHs污染物在我国8种典型土壤中的吸附平衡关系.结果表明,土壤在干燥条件下对VCHs气体的吸附能力要远大于湿润条件,且随含水率的升高吸附能力急剧下降,在含水率达到10%以后土壤吸附量趋于稳定.湿润土壤对三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)、1,1,1-三氯乙烷(MC)气体的吸附等温线符合Henry型吸附等温式,而1,1,2-三氯乙烷(1,1,2-TCA)符合Freundlich模型.VCHs在湿润土壤中的吸附量总体上与土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量呈正相关,且受SOC类型和化合物极性影响较大.弱极性的TCE、PCE在土壤中的吸附能力与SOC含量呈严格正相关,而极性的MC、1,1,2-TCA在黑土等高碳土壤中不仅与SOC含量有关,还受到SOC物质组成的影响.建立了TCE和PCE在湿润土壤中的平衡吸附量预测模型,预测值与实测值相关性良好(n=80,R2=0.98).     

碳酸盐岩地区矿山酸性排水的产生及其防治初探

尾矿中的硫化物在空气、水、微生物等的作用下,发生一系列的物理化学反应,形成矿山酸性排水(AMD)。在碳酸盐岩地区,由于尾矿和围岩中都含有大量对酸具有中和效应的碳酸盐矿物,于是人们一直认为碳酸盐岩地区的尾矿不存在酸污染。而如广西大厂、广东凡口及大宝山、贵州牛角塘等碳酸盐岩地区矿山的尾矿却存在着严重的酸污染,其主要原因是碳酸盐矿物在中和酸水过程中,表面会形成阻止反应进一步进行的次生包壳,碳酸盐矿物的实际中和量达不到其理论值。矿山酸性排水携带大量的重金属离子,对碳酸盐岩地区的生态环境及矿山工程设施带来严重的危害。针对碳酸盐岩地区尾矿自身的特殊性,对新建尾矿堆采用覆盖法,而对已经产酸的尾矿用渗透反应栅法,是防治这类尾矿酸化的有效方法。     

长期施肥对旱地红壤及作物中砷累积的影响

以湖南祁阳农田生态系统国家野外试验站的土壤为研究对象,分析了长期施肥措施对砷在土壤及作物籽粒和秸秆中累积的影响.供试土壤选择了4个不同施肥处理：不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）和化肥有机肥配施（NPKM）.结果表明,与不施肥相比,长期（26 a）施肥措施（NPK、M和NPKM）均显著增加了红壤中总砷（As）和有效态砷含量,其中,NPK处理的红壤中砷含量超过国家标准值（40 mg·kg^-1）.长期施肥处理对非专性吸附态As影响最大,其次为残渣态As,晶型氧化物结合态As,但对专性吸附态As和无定型铁铝氧化物结合态As的影响较小.与CK、NPK、M处理相比,NPKM处理能显著降低土壤中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）含量.此外,施用有机肥（猪粪）会导致玉米籽粒和秸秆中As的累积,而不会导致小麦籽粒和秸秆中的As累积.同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光谱图显示了红壤样品中As、黏土矿物和有机官能团在微空间尺度上的高度异质性特征,表明As的有效性主要受铁氧化物和羟基碳的影响.