第1章 环境介质及性质
　　自然环境中的地球环境由大气圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere)、土壤圈(pedosphere)、岩石圈(lithosphere)和生物圈(biosphere)构成，这些圈层构成了一个相互作用的大系统。环境污染物通过迁移和转化等过程，在各圈层介质中表现出特有的行为和效应。为揭示污染物在各个圈层中发生的物理、化学与生物化学的过程和反应，有必要了解各圈层的基本结构与性质，这对理解环境污染和生态破坏发生发展的规律以及寻求解决这些问题的方法具有重要意义。由于人类活动造成的环境污染和生态破坏主要发生在大气圈、水圈、土壤圈和生物圈，本章着重介绍这些圈层的基本组成与性质。
　　1.1 自然环境
　　自然环境是指人类生存空间中可以直接或间接影响人类生活、生产的一切自然形成的物质和能量的总和，简称为环境(environment)。环境是一个应用广泛的词，其内涵和外延极为丰富，如聚落环境(城市或村落)、地球环境(各圈层)、地质环境、生态环境、社会环境等。在地球环境中，存在污染物的源(source)和汇(sink)。
　　1.1.1 地球环境
　　构成地球环境的物质种类很多，主要包括大气、水、土壤、岩石矿物、生物等自然环境要素，这些要素构成了地球环境的结构单元，环境结构单元又构成地球环境整体或地球环境系统。例如，由空气组成大气层 [含有多种气体，如氧气(oxygen，O2)、氮气(nitrogen，N2)、二氧化碳(carbon dioxide，CO2)等]，整个大气层总称为大气圈；由水组成水体，全部水体(包括河水、海水、湖水、地下水和冰川水等)总称为水圈；由土壤构成的固体壳层总称为土壤圈；由生物构成生物种群和群落，生物群落(biotic community)与其生存环境构成生态系统，全部生态系统构成生物圈等。大气圈、水圈、土壤圈和生物圈都离不开太阳所提供的能量，这几个圈层密切联系、相互作用，持续进行物质、能量交换，维持动态平衡，使地球上的生物得以生存、繁衍和发展，如图1-1所示。
　　地球环境具有如下特征：地球上存在着大气、陆地和海洋等基本生存物质基础；距离地球表面15～35 km处的臭氧层使得地球及生物免受高能紫外线伤害；地球大气中比例适当的O2和CO2有利于生物的生长和人类的生活；地球陆地表面存在土壤，为植物提供营养和生长的基地；地球上存在的江、河、湖、海为生物生长和水的运动提供了良好条件；通过生物活动来捕获、转移和储存太阳辐射能并驱动地球表层的物质循环，通过生物活动过程来调控并保持其稳态(steady state)。稳态是指系统中各个相的性质和状态是恒定的，不随时间变化；如果某个环境系统随着时间变化相对缓慢，也可以将其近似看作稳态。
　　图1-1 大气圈、水圈、土壤圈和生物圈之间，以及各圈层与人类活动之间的关系(Manahan，2017)
　　(Illustration of the close relationships among the atmosphere， hydrosphere， pedosphere， and biosphere with each other and with the anthrosphere)
　　1.1.2 环境介质
　　任一具体的地球环境结构单元都由物质、能量和信息三部分组成。将其中有形的物质部分称为环境介质(environmental medium)，将能量和信息部分称为环境因素。环境介质是环境因素的载体，可以是大气、水体或土壤，也可以是岩石或包括人体在内的一切生物体。环境介质是不依赖于人类的主观感受而存在的实体，一般以气态、液态和固态三种常见的形态存在，在一定条件下某些环境介质的形态可以相互转化。在环境介质中，生物体是三种物态同时存在的集中体现。严格地讲，地表环境不存在完全的单介质。例如，水体中会含有一定量的溶解性气体和固体悬浮物，大气中有一定量的水和固体颗粒物，即使在土壤和密实的岩石中，也存在一定量的水分和气体。但从宏观上，还是可以把大气、水体、土壤、岩石和生物分别作为单介质来处理，而把具有两个或两个以上介质的体系称为多介质环境，整个地球环境就是一个多介质环境系统。
　　有些环境介质可以看作是连续的，如大气和水体；有些环境介质是非连续的，如湖中悬浮物、大气颗粒物等。某些环境介质的化学组成相似，但物理性质却不同，如大气的对流层和平流层。有些环境介质是相邻的，如水体和大气，污染物可以从一个介质迁移到另一个介质。有些环境介质是不相邻的，如大气和水体沉积物，污染物不可能在这两个介质间进行直接传输。有些环境介质(如表层水)很容易受到污染，有些环境介质相对不容易受到污染(如冰川的内部、深海)，而有些环境介质不会受到污染(如偏远地区的深层土壤或岩石)。
　　有些环境介质的性质可以认为是均匀的，即均相。例如，较浅的池塘中充分混合的水就是均匀的，物质的浓度梯度和温度梯度可以忽略不计。有些环境介质的性质是不均匀的，即非均相。例如，土壤和水体沉积物不容易混合，性质通常不均匀，污染物浓度随深度的变化而变化。即使有些环境介质的性质不均匀，但在三维空间的一个或两个方向上还是可以看作是近似均匀的。例如，湖水在竖直方向上混合得不充分，在水平方向上却充分混合；宽而浅的河流在垂直方向上充分混合，但在水平方向(水流方向)上却不是充分混合的。
　　1.2 大气圈
　　大气圈是指存在于地球表面并随地球运动的空气圈层，也可称为大气层或大气环境，它是地球上一切生命赖以生存的重要物质条件之一。大气不仅是地球生物圈中生命所必需的要素，而且参与地球表面的物质循环过程。大气的总质量约为5.3×1018kg，这个质量大约仅是地球总质量的百万分之一。大气层中空气垂直分布不均匀，其中50%集中分布在距地球表面5km以下，70%集中分布在距地球表面10km以下，90%集中分布在距地球表面30km以下。大气圈的厚度为2000～3000km。
　　1.2.1 大气的组成
　　大气是多种物质的混合物。自然状况下，大气由干洁空气(dry air)、水汽、悬浮颗粒物和杂质组成。干洁空气的主要成分是N2、O2、CO2和氩气(Ar)，此外还有含量较少的其他稀有气体，如氖气(Ne)、氦气(He)、氪气(Kr)、氙气(Xe)等。大气中还有许多痕量气体，如甲烷(methane，CH4)、氮氧化物(nitrogen oxides，NOx)、二氧化硫(sulfur dioxide，SO2)等。水在大气中的含量为1%～3%。由于自然和人为因素，大气中还存在悬浮颗粒物和杂质。
　　1. 干洁空气
　　通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气。干洁空气是大气的主体，其成分含量见表1-1。干洁空气的成分可分为两类：一类为定常成分，各成分之间大致保持固定比例，如N2、O2、Ar、He、Xe和Ne等；另一类为可变成分，这些成分在大气中的比例随时间、地点而变，如 CO2、臭氧(ozone，O3)、一氧化碳(carbon monoxide，CO)、NOx和SO2等。
　　表1-1 干洁空气的组成(Manahan，2017)(Composition of dry air)
　　由于大气存在垂直运动、水平运动、湍流运动和分子扩散等作用，不同高度、不同区域的空气得以交换和混合。从地表到90km高度，干洁空气主要成分比例基本保持不变，且物理性质基本稳定，可视为理想气体。干洁空气的平均相对分子质量为28.966，标准状态下的密度为1.239kg m3。干洁空气中的N2、O2、CO2和O3等气体在动植物生长和人类生产活动中起着重要作用。N2性质不活泼，不易与其他物质发生化学反应，只有少量N2被土壤微生物所摄取，参与固氮过程；O2是地球上众多生命所必需的，易与多种元素化合；CO2是光合作用不可或缺的原料；大气中CO2和O3的含量相对较少但变化较大，对地表和大气温度有重要的影响。
　　根据理想气体状态方程，在一定的压强(p)和温度(T)条件下，气体组分i的体积(Vi)、分压(pi)和物质的量(ni)存在如下关系：
　　(1-1)
　　式中，R为摩尔气体常量，R=8.314J mol.1 K.1。对于所有气体组分求和，可得
　　(1-2)
　　气体总体积(VT)和总物质的量(nT)分别为
　　(1-3)
　　(1-4)
　　联立式(1-2)～式(1-4)，可推出气体总体积(VT)和总物质的量(nT)存在如下关系：
　　(1-5)
　　在恒定大气压条件下，由式(1-1)和式(1-5)可得组分i的体积分数(fi)等于其物质的量的比值：
　　(1-6)
　　在气相污染物研究中，污染物的浓度常用其体积分数来表示，也可以使用ppmv(parts per million by volume)、ppbv(parts per billion by volume)和pptv(parts per trillion by volume)，它们分别代表气体组分的体积占空气体积的百万分之一(10.6)、十亿分之一(10.9)和万亿分之一(10.12)。在气相污染物的监测报告中，也使用质量浓度单位，如mg m.3、μg m.3和ng m.3。质量浓度和体积分数可以根据监测时温度、压强、污染物的相对分子质量相互换算。
　　【例1-1】某监测站点测得空气中一氧化碳(CO)的小时平均浓度为0.5ppmv，当时温度为25℃，压强为1.01325×105Pa，求CO的质量浓度和大气中CO的分压(pCO)。解在压强(p)和温度(T)条件下，根据理想气体状态方程，空气的体积(Vair)和物质的量(nair)存在如下关系：
　　在25℃和1.01325×105Pa条件下，单位体积(1m3)空气中
　　根据ppmv的定义和式(1-6)，单位体积(1m3)空气中，CO的物质的量(nCO)为
　　CO的相对分子质量为28，因此单位体积(1m3)空气中，CO的质量为
　　因此，CO的质量浓度为0.57mg m.3。另外，对于大气中的CO，由pV=nRT，可得
　　则
　　2. 水汽
　　大气中的水汽来自江、河、湖、海以及潮湿物体表面、动植物表面蒸发(蒸腾)，并借助空气的垂直运动向上输送。水汽的含量不固定，可随时间、地域和气象条件的不同发生很大变化。沙漠或极地上空的水汽极少，热带洋面上水汽的体积分数可高达4%。但总的来说，水汽绝大部分集中在低层大气，50%的水汽集中在距地球表面2km以下，75%的水汽集中在距地球表面4km以下，距地球表面12km以下的水汽约占水汽总量的99%。水汽在大气中含量虽然不高，但对天气变化却起着重要作用，也是大气的重要组分之一。水汽是大气中可以发生相变的组分，在自然条件下具有三相变化，产生云、雾、雨、雪和霜等一系列大气现象。水汽及其凝结物能吸收和放射长波辐射，反射太阳辐射，使地面和大气保持一定的温度。
　　3. 杂质
　　除了气体成分以外，大气中还有很多的液体和固体杂质、微粒，这些悬浮于大气中的固体和液体微粒称为气溶胶粒子。气溶胶粒子多集中于大气低层，是低层大气的重要组成部分，是自然现象和人类活动的产物。气溶胶粒子除含有水滴和冰晶外，还包含大气尘埃和其他杂质。这些杂质的天然来源有火山喷发、尘沙、燃烧产生的颗粒物、流星陨落所产生的细小微粒、海水飞溅进入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的孢子和花粉等。
　　大气中的杂质能够影响水汽的凝结和升华，吸收部分太阳辐射和阻挡地面辐射，影响地面和空气温度，还能反射、折射和散射太阳光，产生各种大气光化学现象，并降低大气的透明度。
　　1.2.2 大气的结构
　　由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层大气对太阳辐射吸收程度的差异，描述大气状态的温度

目录
第二版序
第二版前言
第1章环境介质及性质1
1.1自然环境1
1.1.1地球环境1
1.1.2环境介质2
1.2大气圈3
1.2.1大气的组成3
1.2.2大气的结构5
1.2.3大气颗粒物7
1.2.4O3的形成与损耗10
1.2.5全球气候变化14
1.3水圈17
1.3.1天然水的组成18
1.3.2天然水的性质22
1.3.3水体富营养化33
1.4土壤圈37
1.4.1土壤的组成37
1.4.2土壤的剖面结构39
1.4.3土壤的物理性质40
1.4.4土壤的化学性质40
1.4.5土壤污染修复45
1.5生物圈46
1.6环境问题48
1.6.1环境污染49
1.6.2全球和区域性环境问题53
本章小结58
思维导图59
习题和思考题60
主要参考资料61
第2章化学污染物的迁移行为63
2.1概述63
2.1.1大气中污染物的迁移63
2.1.2水中污染物的迁移64
2.1.3土壤中污染物的迁移66
2.2污染物的挥发与沉降72
2.2.1挥发作用73
2.2.2干沉降和湿沉降77
2.2.3酸沉降78
2.3污染物界面吸附与分配84
2.3.1吸附作用的机理85
2.3.2描述吸附、分配行为的理化参数87
本章小结100
思维导图101
习题和思考题101
主要参考资料102
第3章化学污染物的转化行为105
3.1光化学转化105
3.1.1基本概念105
3.1.2光吸收与光物理过程107
3.1.3光化学过程111
3.1.4光化学反应动力学114
3.1.5光催化降解122
3.1.6大气中重要的光化学过程124
3.1.7水中污染物的光化学降解125
3.1.8环境介质表面污染物的光化学行为134
3.2典型无机污染物的转化行为135
3.2.1空气中硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染135
3.2.2空气中氮氧化物的转化及光化学烟雾污染140
3.2.3水相中溶解-沉淀平衡149
3.2.4水相中配位平衡153
3.3有机污染物的化学转化156
3.3.1酸碱解离反应156
3.3.2水解反应160
3.3.3活性物种引发的氧化降解164
3.4有机污染物的生物降解174
3.4.1生物降解代谢模式174
3.4.2有机污染物的微生物降解途径175
3.4.3部分非金属和金属的微生物转化183
3.4.4环境因素对生物降解速率的影响186
本章小结186
思维导图187
习题和思考题187
主要参考资料189
第4章污染物的生态毒理学192
4.1毒理学与生态毒理学192
4.1.1毒物与毒理学192
4.1.2体内和体外毒性测试技术193
4.1.3生态毒理学194
4.2生理毒代动力学195
4.2.1物质通过生物膜的方式195
4.2.2吸收197
4.2.3分布与储存200
4.2.4代谢201
4.2.5排泄202
4.3生物富集、放大与积累205
4.3.1生物富集205
4.3.2生物放大209
4.3.3生物积累211
4.4生物转化213
4.4.1生物转化中的酶213
4.4.2若干重要辅酶的功能213
4.4.3生物氧化中的氢传递反应216
4.4.4有毒有机污染物的生物转化类型219
4.5毒性及其机理225
4.5.1剂量-反应关系与剂量-效应关系225
4.5.2毒物的联合作用229
4.5.3污染物的“三致”作用230
4.5.4内分泌干扰效应233
4.5.5有害结局通路237
4.6化学品的生态风险性评价240
4.6.1化学品及其风险240
4.6.2化学品生态风险评价的框架242
本章小结245
思维导图246
习题和思考题246
主要参考资料247
第5章典型化学污染物及来源250
5.1重金属、非金属及其化合物250
5.1.1重金属及其化合物250
5.1.2非金属化合物256
5.2有机污染物260
5.2.1常见有机污染物260
5.2.2持久性有机污染物263
5.2.3典型毒害有机污染物279
5.3化学污染物的源解析技术288
5.3.1源解析概述288
5.3.2受体模型288
本章小结291
思维导图291
习题和思考题292
主要参考资料293
第6章环境计算化学与毒理学297
6.1环境计算化学概述297
6.1.1环境系统与环境过程297
6.1.2环境行为参数的计算模拟方法298
6.2计算毒理学概述299
6.2.1计算毒理学与化学品风险防范299
6.2.2化学品的环境暴露模拟301
6.2.3化学品的毒性效应预测303
6.3分子结构的计算机表示304
6.3.1分子的3D结构矩阵304
6.3.2分子拓扑结构与分子图306
6.3.3分子线性输入系统306
6.4计算化学方法简介308
6.4.1量子化学方法308
6.4.2分子力学方法310
6.4.3稳定构象与过渡态构象312
6.5定量构效关系313
6.5.1QSAR模型体系及原理313
6.5.2QSAR模型一般建立流程318
6.5.3化学品活性/性质参数的获取319
6.5.4分子结构参数的表征320
6.5.5QSAR模型的训练算法326
6.5.6QSAR模型的表征和验证327
6.5.7QSAR模型的应用域328
本章小结329
思维导图330
习题和思考题330
主要参考资料331
第7章多介质环境模型334
7.1基本概念334
7.1.1多介质环境系统334
7.1.2稳态和平衡335
7.1.3逸度与浓度337
7.1.4质量平衡339
7.2污染物环境迁移转化过程的模拟340
7.2.1污染物在环境中的迁移过程341
7.2.2污染物在环境中的降解反应351
7.3多介质环境逸度模型的分级及构建方法353
7.3.1多介质环境逸度模型的分级353
7.3.2多介质环境逸度模型的构建方法354
7.4代表性的多介质环境逸度模型359
7.4.1空气-水交换模型359
7.4.2表层土壤模型363
7.4.3沉积物-水交换模型365
7.4.4QWASI模型366
7.4.5污染物全球分布模型374
本章小结379
思维导图379
习题和思考题379
主要参考资料380
中英文关键词索引382