2.1  纳米材料在重金属复合污染土壤中的应用

随着广泛的工业化和城市化，大量的重金属离子随着电镀、采矿、化学制造以及农药和化肥的应用等被排放到环境中，对生态环境（特别是土壤生态环境）造成了严重破坏^{[13, 14]}。重金属进入土壤后严重影响了土壤理化性质、土壤生物特性和微生物群落结构，同时抑制了作物生长，造成农产品的产量下降，所以修复被重金属污染的土壤就变得十分必要。

2.2  纳米材料在有机物复合污染土壤中的应用

有机污染物广泛存在于土壤中，主要来源于人为排放。氯代烃、有机氯农药、多环芳烃、酚类及其衍生物、多氯联苯是土壤中常见的有机污染物^[26]。土壤中的有机污染物大部分水溶性很差、难以降解且毒性强，甚至可以改变土壤的正常结构以及功能，使土壤生产能力降低；同时可以通过生物的富集作用和食物链传递，从而对人类造成危害，因此对有机物污染土壤的治理刻不容缓^[27]。但相比传统的效率比较低下、成本较高且容易二次污染的修复方式，纳米粒子具备相当好的吸附和降解有机物的能力^[28]，因此纳米技术的开发以及应用在未来或将解决土壤有机污染问题。

目前，随着越来越多的人将纳米材料应用于修复各种复合污染土壤中，有关于纳米材料修复被污染土壤时的作用机理的研究也在增多。无机污染物如重金属和类金属通常通过纳米颗粒吸附去除，而有机污染物则通过催化剂的还原反应和降解去除。应用纳米材料来对被污染土壤进行修复时其中的作用机理分别是吸附作用、氧化还原以及催化降解等，如图2所示。

3.1  吸附作用

由于纳米材料的特性，其具有吸附和固定污染物的作用，这是利用纳米材料修复污染土壤的主要机制^[43]。吸附过程主要包括范德华力、化学吸附和静电吸引等^{[44, 45]}。在土壤修复时所选择的纳米添加剂包括碳纳米材料和金属氧化物纳米材料。对于碳纳米材料，污染物通过范德华力和π-π之间的相互作用等被吸收（图3）。

3.2  氧化还原

应用nZVI氧化还原反应去除污染土壤中的重金属和有机化合物具有很高的潜力，因此nZVI在大范围内得到了广泛的应用。nZVI一般通过吸附、还原等作用对有机污染物进行降解。由于nZVI的纳米颗粒小和大的表面积，nZVI颗粒有能力通过直接接触污染物来提高修复效率。在降解初期，nZVI由于其较大的比表面积带来的较强的吸附性能，在整个反应系统中产生电极反应，生成亚铁离子以及氢气。在降解污染物过程中，nZVI、亚铁离子以及氢气具有较强的还原性，可作为还原剂，通过和周围的有机污染物发生作用，从而把它们转变成相对于环境来说无害的小分子（图4）^[54]。

3.3  催化降解

在紫外线照射或阳光照射下使用纳米光催化剂的光催化降解已被广泛应用于多环芳烃、多氯联苯和农药等有机污染物的降解^[56]。目前，n-TiO₂是修复污染土壤的优良光催化剂之一。n-TiO₂修复有机物污染的机理主要在于它可以吸收波长在387 nm以下的紫外线的能量，同时产生活性高的电子以及电子-空穴^[57]。

3.4  纳米材料与其他技术联合修复机理

首先，纳米材料与污染物之间的相互作用可以为生物修复土壤提供有利条件。例如，氧化石墨烯纳米颗粒和富勒烯纳米颗粒改善了污染物在饱和土壤中的运输，这样可能会提升植物和微生物去除污染物的效果^[60,61]。此外，纳米材料的独特特性使它们能够与生物系统进行积极的相互作用。例如Ditta等^[62]研究发现，纳米材料不仅可以用作微观和宏观营养素的来源，还可以用作营养物质的载体，从而促进植物生长并提高作物生产力，进而提高植物对污染土壤的修复效果。