重金属污染是全球性的环境问题,在我国尤为严峻,已成为制约生态文明建设的重要因素。重金属的生物有效性受土壤不同固相组分对其吸附的控制。表面络合模型(SCM)不仅可以用来探讨重金属的吸附机理,还可用于预测土壤中重金属的形态,对于风险评估和污染修复具有重要意义。土壤中的矿物、有机质、微生物等不同类型组分常以复合形态存在,目前多采用组分相加方法来模拟矿物-有机多组分复合物中重金属的吸附。该方法忽略了矿物-有机质以及矿物-有机质-重金属之间的多元反应,因而模型计算常存在偏差。因此,基于界面作用过程及重金属的吸附机制,构建组分互作下的SCM,有助于准确解析土壤矿物-有机物复合体中重金属的赋存状态,为土壤重金属形态预测提供有效的技术方法。本研究选取蒙脱石、铁(氢)氧化物、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)以及腐殖酸(HA)等代表性土壤组分,制备矿物-细菌、矿物-HA以及矿物-HA-细菌复合体;以电位滴定及复合体对Cu(II)、Cd(II)、Pb(II)的宏观吸附数据为基础,结合红外光谱(FTIR)测定的官能团信息、等温滴定量热(ITC)提供的热力学信息、同步辐射X-射线吸收光谱(EXAFS)获取的配位结构证据,在探讨复合体界面作用过程及重金属结合机制的基础上构建多组分互作体系的SCM。主要成果如下:(1)明确了离子桥键结构是层状硅酸盐矿物-细菌体系Cu(II)吸附的主要构型,并建立了蒙脱石-细菌复合体系吸附Cu(II)的SCM。模型计算发现pH<5.5时矿物-细菌之间的位点掩蔽导致复合体对Cu(II)的吸附量降低;相反,高pH条件下,Cu(II)与羧基和蒙脱石可变电荷位点形成桥键,导致吸附量增大。通过在模型中引入位点掩蔽(>RCOOH…XNa)及桥接反应(>RCOO-CuOH-XNa),准确模拟了Cu(II)在复合体上的吸附。(2)构建了Pb(II)在蒙脱石,P.putida及其复合体上吸附的分子水平SCM,并获得Pb(II)反应的热力学参数。EXAFS和模型计算显示当Pb(II)浓度较低时主要与细菌表面的磷酸基结合,而浓度较高时主要与羧基结合。Pb(II)与蒙脱石边面与基面位点反应的焓变相反,分别为6.93 kJ/mol和-2.91 kJ/mol。EXAFS显示细菌的存在促进了Pb(II)与蒙脱石边面>AlOH络合并形成离子桥键结构,ITC发现该反应(>AlO-Pb-PO₄)是焓熵共驱动的过程,并且在pH>5时随着复合体中细菌质量比例的增加而增大。桥键结构没有增加复合体对Pb(II)的吸附量,但显著促进了Pb(II)在矿物组分上的分配。(3)阐明了针铁矿-细菌表面位点掩蔽导致对高浓度Cd(II)的吸附量降低。其中,Cd(II)在针铁矿和P.putida上的配位结构分别为>(FeO)₂HCd^0.5+和>RPO₄Cd⁺。组分相加方法能准确预测针铁矿-P.putida 5:1复合体上Cd(II)的吸附;然而,当Cd(II)浓度较高时针铁矿-P.putida1:1复合体上的吸附量比预期减少约8%。我们通过引入针铁矿与P.putida表面羧基(>RCOOFe^0.5-)和磷酸基(>RPO₄Fe^0.5-)的络合反应构建了复合体系“组分相加-位点掩蔽”模型。该模型能准确模拟Cd(II)的吸附,模型的可靠性得到反应热量的验证。(4)探讨了针铁矿-HA-细菌多组分界面互作对Cd(II)吸附的影响。Zeta电位和形貌观测表明HA在针铁矿上吸附后构型变化且负电荷量增加,导致复合体整体吸附量比预期增大。针铁矿-HA-细菌三元复合体中磷酸基位点减少,同时造成针对Cd(II)的吸附量有所降低。重金属浓度是影响组分相加方法适用性的重要因素,当界面作用导致活性位点增加,对高浓度Cd(II)的吸附符合组分相加原则;而当复合体中吸附位点相互掩蔽时,组分相加方法仅能准确预测低浓度Cd(II)的吸附量。(5)揭示了水铁矿-HA共沉淀过程中固相组分作用对Cd(II)固定的影响。与Fe(III)共沉淀过程比相同质量水铁矿表面吸附Cd(II)的量大两倍以上,共沉淀过程中Cd(II)与水铁矿主要形成双齿络合物(>(FeO)₂Cd)。当HA存在时,共沉淀过程中Fe强烈掩蔽HA表面位点;而HA通过抑制水铁矿团聚从而增加活性>FeOH位点数量。在高HA含量时(Fe/C=1:3),三元桥键结构(>FeO-Cd-COO)是Cd(II)存在的主要形态。组分相加方法不能准确预测铁氧化物、有机质共沉淀过程中Cd(II)的固定,通过增加反应模式及调整位点密度可提高模型的准确性。