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岁末总结系列报道之快速发展中的刘崇炫教授团队

2018-01-25

刘崇炫,2016年1月加入南方科技大学环境科学与工程学院任讲座教授,中组部“千人计划”国家特聘专家,曾任美国能源部西北太平洋国家实验室首席科学家。长期从事污染物在地下水和土壤中的迁移、转化和降解研究,擅长运用理论、实验和模拟相结合的方法研究污染物在环境中的迁移转化规律和设计开发水处理和污染修复技术。

刘崇炫教授团队成员

2017年,刘崇炫团队在团队建设、平台建设和科研工作等方面取得了一系列丰硕的成果:团队建设方面,课题组从2016年的3人发展到了18人,其中博士后7人,博士生4人,硕士生3人,研究助理3人。在学校和学院的支持下,2017年团队从零基础上建起了能开展前沿环境生物地球化学研究和新型水处理技术研发的实验室;在广东省高水平学科建设项目的支持下,团队建立了茅洲河流域水文生物地球化学野外试验基地;在学校基金会的支持下,团队与华联世纪生物股份有限公司合作,初步建立了致力于生物质污水和固体废物处理和资源回收的环境生物技术研究中心。2017年团队共获批3项国家基金委青年基金项目、2项国家博士后面上基金项目、1项深圳市自由探索研究项目、1项深圳市地下水水资源研究项目等。2017年团队共发表了15篇SCI论文,论文大多发表在环境和水资源领域的顶级期刊上,如6篇发表于《Environmental Science &Technology》上,2篇发表于《Water Research》上,1篇发表于《Nature Communication》上,1篇发表于《Water Resources Research》上。2017年,团队在环境治理技术研发方面的工作也已全面展开,研发包括工业污水处理技术、土壤重金属修复技术、城市污泥减量技术。尤其在降低多孔纳米吸附材料的制备成本方面已取得了突破性进展,为材料和相关技术的产业化奠定了重要基础。

刘崇炫教授环境地球化学实验室

刘崇炫教授茅洲河野外试验基地

刘崇炫教授牵头成立的环境生物技术研究中心

下面是团队的一些代表性研究方向和进展:

一、地下水地表水交互带中的水文生物地球化学耦合过程,以及对污染物迁移转化动力学的影响

地下水地表水交互带是控制流域系统中污染物迁移转化的关键带。团队的研究重点是交互带中的水文生物地球化学过程和污染物迁移转化的多尺度动力学机理。2017年团队以常见的环境污染物铬(Cr)和氮素为例,系统研究了污染物在地下水地表水交互带沉积物中的迁移转化机理,揭示了交互带中的动态水文过程与生物地球化学反应的耦合关系,以及对污染物迁移转化动力学的影响。发现了交互带沉积物能够有效阻滞来自地下水或地表水污染物的进一步运移,通过功能微生物活动把污染物转化成对生态环境毒性较弱的形态。发现了交互带具有人工可渗透反应墙的功能,并且反应墙的功能可以通过微生物作用自动更新的性质。研究成果极大的提高了我们的污染物在河流系统中迁移转化的认识,对于流域污染治理和控制具有重要指导意义。

代表性成果有:

1. Liu, Y.; Xu, F.; Liu, C.*, Coupled Hydro-Biogeochemical Processes Controlling Cr Reductive Immobilization in Columbia River Hyporheic Zone. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 2017, 51, (3), 1508-1517.

2. Liu, Y.; Liu, C.*; Nelson, W. C.; Shi, L.; Xu, F.; Liu, Y.; Yan, A.; Zhong, L.; Thompson, C.; Fredrickson, J. K.; Zachara, J. M., Effect of Water Chemistry and Hydrodynamics on Nitrogen Transformation Activity and Microbial Community Functional Potential in Hyporheic Zone Sediment Columns. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 2017, 51, (9), 4877-4886.

3. Xu, F.; Liu, Y.; Zachara, J.; Bowden, M.; Kennedy, D.; Plymale, A. E.; Liu, C.*, Redox transformation and reductive immobilization of Cr(VI) in the Columbia River hyporheic zone sediments. JOURNAL OF HYDROLOGY 2017, 555, 278-287.

二、微生物群落结构和功能演化与生物地球化学动力学间的动态关系,以及建立基于现代微生物组学的生物地球化学动力学模型

微生物是环境中生物地球化学过程的主要驱动要素,由于微生物群落结构和功能的复杂性,传统生物地球化学动力学模型往往把微生物作为一个黑箱处理。团队的研究方向是建立了基于现代微生物组学的生物地球化学动力学模型,用以同时定量描述和预测微生物群落的结构和功能演化与生物地球化学的动力学。以反硝化过程为例,2017团队建立了基于微生物功能酶的生物地球化学动力学模型,模型不但能够预测传统生物地球化学变量的动态变化,还能通过模拟功能基因和功能酶动力学变化来预测微生物群落的结构和功能演化,为定量揭示和模拟微生物群落结构和功能与环境因素间的协同演化奠定了基础。同时也开发了检测环境样品中痕量功能微生物酶的分离和检测技术。

代表性成果有:

1. Li, M.; Qian, W.; Gao, Y.; Shi, L.; Liu, C.*, Functional Enzyme-Based Approach for Linking Microbial Community Functions with Biogeochemical Process Kinetics. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 2017, 51, (20), 11848-11857.

2. Li, M.; Gao, Y.; Qian, W.; Shi, L.; Liu, Y.; Nelson, W. C.; Nicora, C. D.; Resch, C. T.; Thompson, C.; Yan, S.; Fredrickson, J. K.; Zachara, J. M.; Liu, C.*, Targeted quantification of functional enzyme dynamics in environmental samples for microbially mediated biogeochemical processes. ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY REPORTS 2017, 9, (5), 512-521.

三、动态水文条件下非均质土壤中有机质矿化的动力学,以及对碳循环和土壤温室气体通量的影响

陆地系统中有机质大部分储存在土壤中,有机质在土壤中的矿化动力学直接影响全球碳循环和陆地系统温室气体的通量。本方向侧重研究非均质土壤中水分分布和运动与有机质矿化动力学的定量关系,研究这种定量关系对土壤CO2通量的影响,以及建立基于微观过程的土壤有机质矿化动力学理论。团队最新研究发现土壤中的水分运动方向和非均质分布对有机质矿化动力学和CO2的通量具有显著影响;影响的程度取决与土壤的孔隙结构和连通性、含水率、有机物形态、微生物分布、有机物生物有效性、氧气扩散速度、含水率历史等等。基于以上认识,团队正在建立基于微观过程的宏观土壤有机质矿化动力学模型。

代表性成果有:

1. Smith, A. P.; Bond-Lamberty, B.; Benscoter, B. W.; Tfaily, M. M.; Hinkle, C. R.; Liu, C.; Bailey, V. L., Shifts in pore connectivity from precipitation versus groundwater rewetting increases soil carbon loss after drought. NATURE COMMUNICATIONS 2017, 8, (1335).

2. Yan, Z.; Liu, C.*; Liu, Y.; Bailey, V. L., Multiscale Investigation on Biofilm Distribution and Its Impact on Macroscopic Biogeochemical Reaction Rates. WATER RESOURCES RESEARCH 2017, 53, (11), 8698-8714.

3. Yan, Z.; Liu, C.*; Todd-Brown, K. E.; Liu, Y.; Bond-Lamberty, B.; Bailey, V. L., Pore-scale investigation on the response of heterotrophic respiration to moisture conditions in heterogeneous soils. BIOGEOCHEMISTRY 2016, 131, (1-2), 121-134.

四、有机质与金属络合胶体的环境地球化学行为及其对有害污染物命运和归属的影响机制,以及基于上述基础研究开发针对特征污染物的削减技术

天然有机质(NOM)几乎存在于所有的水环境中。在地下水环境中,NOM通常与各种金属(M)矿物紧密结合。NOM-Mn+络合物除了以共沉淀和溶解态存在外,还能以胶体态存在。微尺度和和定量地理解NOM-Mn+胶体在环境中的行为有助于为建立胶体运移的反应输送模型提供关键参数和有助于为决策者制定污染物修复策略提供科学的指导。本方向首先利用QCM-D技术在纳米尺度上揭示了NOM胶体在不同环境矿物表面的沉降动力学和机理,随后系统研究了NOM-Fe(II/III)纳米胶体在地表水-地下水交互带中的组成和微观结构、液相团聚稳定性、固相沉降动力学等,在此基础上,进一步研究了氧化还原动态条件对NOM-Fe(II/III)纳米胶体在多孔介质中的反应性运移机理。上述成果一方面补充了NOM-Fe胶体在地下环境中迁移转化的基本理论,另一方面加深了我们对胶体携带污染物共运移规律的认识,能指导我们制定有效的污染控制技术。如我们在富含NOM的水体中开发了一套基于铁阳极的电化学技术能快速去除地下水和饮用水中的有毒污染物六价铬(Cr(VI))和砷(As(III+V))。

代表性成果有:

1.   Liao, P.; Li, W.; Jiang, Y.; Wu, J.; Yuan, S.; Fortner, J. D.; Giammar, D. E., Formation, Aggregation, and Deposition Dynamics of NOM-Iron Colloids at Anoxic-Oxic Interfaces. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 2017, 51, (21), 12235-12245.

2.   Liao, P.; Li, W.; Wang, D.; Jiang, Y.; Pan, C.; Fortner, J. D.; Yuan, S., Effect of reduced humic acid on the transport of ferrihydrite nanoparticles under anoxic conditions. WATER RESEARCH 2017, 109, 347-357.

3.   Xie, S.; Yuan, S.; Liao, P.; Tong, M.; Gan, Y.; Wang, Y., Iron-Anode Enhanced Sand Filter for Arsenic Removal from Tube Well Water. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 2017, 51, (2), 889-896.

4. Pan, C.; Troyer, L. D.; Liao, P.; Catalano, J. G.; Li, W.; Giammar, D. E., Effect of Humic Acid on the Removal of Chromium(VI) and the Production of Solids in Iron Electrocoagulation. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 2017, 51, (11), 6308-6318.