纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1~100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。伴随纳米技术的进步与发展，纳米Ag以其优良的抗菌性能在纺织品、涂料、护理产品以及医疗等领域有了广泛的应用^{[1, 2]}.据统计，纳米Ag全球产量约500 t·a^{-1 [3]},大量使用的纳米Ag会通过不同方式进入污水处理系统中，并最终通过污泥农用进入土壤，对人类和土壤生物的健康生长造成危害^[4].研究指出，纳米Ag对细菌的毒性作用机理主要取决于两方面：纳米Ag颗粒表面生成的活性氧如超氧自由基等基团的氧化作用^{[5, 6]};纳米Ag颗粒释放出的银离子对细菌的毒性作用^[7].由于纳米Ag对动植物的毒性机理尚不明确，无法确定其毒性是来自纳米Ag颗粒本身还是释放出的银离子^{[8, 9]}.纳米颗粒在进入土壤后会沿食物链传递^[10],还会随水体迁移^[11],由于土壤的复杂性，纳米Ag在土壤中的迁移主要通过柱填充试验进行研究，其迁移行为受到流速、土壤粒径、有机质、入流液浓度等方面的影响^{[12, 13, 14]},而土壤表面化学性质显着影响纳米Ag在土壤中的迁移转化、生物毒性和食物链传递等重要过程^{[15, 16]}.

吸附是污染物最基本的土壤环境化学行为之一，受到诸多环境因素的影响，近年来关于纳米Ag吸附行为的研究已逐渐开展。Khan等^[17]发现纳米Ag在细菌表面上的吸附受Zeta电位、pH和离子强度的影响，吸附速率随pH和离子强度的增加而降低。Abraham等^[18]通过朗格缪尔方程拟合了纳米Ag在植物叶片和砂粒上的吸附等温线，指出纳米Ag的吸附为单层吸附并受静电排斥阻塞效应的影响。土壤是大量污染物的汇，进入环境中的污染物绝大部分会进入土壤^[19],但是目前有关纳米Ag在土壤中环境化学行为的研究还较少^[20].Bae等^[21]研究了纳米Ag在土壤上的吸附行为，并考察了腐植酸及离子强度对纳米Ag团聚的影响，指出纳米Ag在土壤中的吸附量随离子强度的增加而增加，腐植酸的加入会增加纳米Ag的稳定性，从而降低其在土壤上的吸附量。需要指出的是，这一研究是通过外界添加腐植酸并在单一土壤上进行吸附试验，没有考虑到土壤理化性质对吸附行为的影响。

本研究拟选取四种不同理化性质的土壤，探究纳米Ag颗粒在土壤上的吸附行为，并考察了二价阳离子Ca²⁺对纳米Ag在土壤上吸附的影响，旨在了解纳米Ag在不同pH和有机质含量的土壤中的吸附行为，以及Ca²⁺存在对不同土吸附纳米Ag的影响，为评价纳米Ag在环境中的毒性和生态风险等行为提供依据。 1 材料与方法 1.1 供试土壤

供试土壤样品采自江苏省武进（E 119°57′37″、N 31°33′16″）、吴县（E 120°26′18″、N31°13′42″）、南京（E 119°06′09″、N 32°01′18″）和宜兴（E 119°49′01″、N 31°15′39″）.将从武进、吴县、南京和宜兴采集的土壤依次命名为WJ、WX、NJ、YX,其中WX和NJ为0~20 cm 表层土，WJ为20~40 cm亚表层土，而YX为80~100 cm的深层土壤。土样经自然风干、去除根系和杂物后研磨过60目尼龙筛，分别称取10 g四种土壤（60目）,与去离子水以1∶2.5比例混合，H⁺选择电极和饱和甘汞电极作为参比，用分离电极测定电导率（EC）和pH.用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠提取法提取土壤中游离态氧化铁和氧化铝，日立Z2000火焰原子吸收（AAS）测定铁铝含量。乙酸铵法测定阳离子交换量（CEC）,低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定有机质含量（OM）. 1.2 试剂与仪器

优级纯Ca（NO₃）₂试剂购自国药集团。纳米Ag颗粒（纳米Ag）储备液购自南京先丰纳米材料科技有限公司，厂家提供的测试报告显示储备液中Ag浓度为100 mg·L^-1,纳米Ag平均直径为10 nm,表面包被Polyvinylpyrrolidone（PVP）包裹，PVP含量小于0.5%.马尔文Nano-Z zeta电位仪测定土壤和纳米Ag Zeta电位，贝壳曼LS13320激光粒度分析仪测定土壤质地，布鲁克海文BI-200SM光散射仪（DLS）测定纳米颗粒的水合半径，日立Z2000火焰原子吸收（AAS）测定Ag. 1.3 土壤胶体悬液Zeta电位的测量

分别准确称取 0.50 g四种土壤，用超纯水定容至 1000 mL 容量瓶中，混合摇匀，超声分散 30 min,配制成土壤悬液，静置 2 d 后摇匀吸取上层悬液测量其 Zeta 电位^[30]. 1.4 等温吸附试验

纳米Ag在土壤中的等温吸附实验参照Abraham等^[18]、VandeVoort等^[20]、Bae等^[21]和Hoope等^[22]的方法。Bae等^[21]发现纳米Ag在酸性土壤中12 h就可达到吸附平衡，Hoope等^[22]研究了不同纳米银材料在25种具有不同酸碱性、有机质和粘土含量的土壤中的滞留行为，其结果显示纳米Ag 24 h能达到吸附平衡，柠檬酸盐包被的纳米Ag和裸露的纳米Ag在土壤中的吸附平衡时间通常在24 h内，而PVP包被的纳米Ag由于其稳定性较好，在土壤上的吸附平衡时间延长。VandeVoort等^[20]在研究PVP包被的纳米Ag对土壤脱氮动力学影响时，将吸附平衡时间设定为48 h.故本研究的吸附平衡时间设定为48 h.

纳米Ag在土壤上的等温吸附：用去离子水配制浓度为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg·L^-1的纳米Ag悬液备用；准确称取0.50 g土壤于50 mL塑料离心管中，依次加入25.00 mL 0～10.0 mg·L^-1的纳米Ag悬液，25℃条件下200 r·min^-1振荡48 h;然后9000 r·min^-1离心10 min,取上清液1.00 mL于10 mL试管中，加0.5 mL浓HNO₃消化24 h,补充体积至10.0 mL后测定总Ag含量（AAS,日立 Z2000火焰原子吸收）.每个处理设置三个平行。纳米Ag在土壤上的吸附等温线分别使用Langmuir方程和Freundlich方程进行拟合。

Ca²⁺对纳米Ag在土壤上吸附的影响：用0.1、1.0、10.0 mmol·L^-1 Ca（NO₃）₂溶液分别取代去离子水配置浓度为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg·L^-1的纳米Ag悬液备用，准确称取0.50 g土壤于50 mL塑料离心管中，依次加入25.00 mL不同浓度Ca（NO₃）₂溶液配制的0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg·L^-1纳米Ag悬液，振荡离心步骤同上，AAS测定银含量。 1.5 Ca²⁺对纳米Ag团聚的影响

将去离子水配制的不同浓度纳米Ag悬液与Ca（NO₃）₂溶液按比例混合，振荡离心步骤同上，测定沉降的纳米Ag含量（为初始Ag加入量减去悬浮Ag总量）. 1.6 数据处理

试验数据用Origin8.5软件整理，并用Sigmaplot对吸附等温线进行拟合，使用Nanomeasurer统计得到纳米Ag TEM平均粒径分布数据。纳米Ag在土壤上的吸附等温线分别用Langmuir方程和Freundlich方程进行拟合：

式中：Q_s为吸附量，mg·g^-1;C为液相纳米Ag平衡浓度，mg·L^-1;q为饱和吸附量，mg·g^-1;k为吸附平衡常数。

式中：Q_s为吸附量，mg·g^-1;C为液相纳米Ag平衡浓度，mg·L^-1;K_f为吸附常数；n值反映吸附作用强度。 2 结果与讨论

2.1 纳米Ag与供试土壤基本性质

测得纳米Ag Zeta电位为-8.73 mV,其TEM粒径分布测试结果显示平均粒径为13.4 nm,与文献^{[14, 23]}报道一致（图 1）,DLS结果显示纳米Ag水动力学直径为168 nm,显着大于厂家提供的TEM直径。这可能是由于DLS测量的结果不仅包含了纳米Ag的核径，也包括了PVP包被层和水分子的厚度^{[24, 25]},也可能是由于纳米Ag颗粒发生团聚导致粒径增加。

图 1 纳米Ag的TEM图（a）和粒径分布（b） Figure 1 TEM image（a） and distribution of particle sizes（b） of silver nanoparticles

图选项

供试土壤的基本理化性质列于表 1.可以看出WJ与NJ为中性土，WX和YX为酸性土，其中WX和NJ有机质含量较高，分别为24、32.9 g·kg^-1,CEC顺序为NJ（20.7 cmol·kg^-1）>WX（20.5 cmol·kg^-1）>WJ（19.2 cmol·kg^-1）>YX（14.6 cmol·kg^-1）,与有机质含量顺序一致。YX为棕红壤，铁氧化物和铝氧化物含量最高，数值分别为17.3、3.5 mg·kg^-1.Zeta电位测定结果显示四种供试土壤均带负电性，其中酸性土壤表面负电性略弱于中性土壤，但无明显差异，Zeta电位值均在-13~-16 mV之间。

表 1 四种土壤的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of four soils

表选项

为了探究土壤性质对纳米Ag在土壤上吸附行为的影响，本研究选用具有不同pH和有机质含量的四种土壤进行吸附等温实验。

由图 2可知纳米Ag在四种土壤上的吸附量随着纳米Ag浓度的增加而增加。有机质含量相近时，酸性土壤（WX、YX）的纳米Ag吸附量高于中性土壤（WJ、NJ）,纳米Ag在WX酸性土上的最大吸附量可以达到153.7 mg·kg^-1,是WJ中性土上吸附量的2倍，推测造成这一现象的原因有以下两个方面：其一、酸性土壤表面的电负性低于中性土壤，使得酸性土壤对带负电的纳米Ag静电排斥力更小，更有利于吸附；其二、酸性土壤溶液中带正电荷的离子较多如H⁺,这些离子可能会吸附在纳米Ag表面降低其负电性，有利于吸附作用的进行。Khan等^[26]研究发现，溶液pH从12降低到5时，纳米Ag表面Zeta电位由 - 40 mV增加到20 mV,表面电荷量的减少会增加聚沉，从而增加吸附量。

图 2 纳米Ag在四种土壤上的吸附等温线（实线为Freundlich方程拟合曲线） Figure 2 Adsorption isotherms of AgNPs on four types of soil（full lines are Freundlich fitting curves）

图选项

比较酸碱性相同的土壤发现，有机质含量越高的土壤上纳米Ag的吸附量越高（NJ >WJ,WX >YX）.这是由于自然有机质（NOM）会吸附到纳米颗粒表面，强烈影响纳米颗粒的表面性质和团聚行为。Stankus等^[27]研究了NOM对阳离子、阴离子和中性包被物包被的纳米金颗粒团聚的影响，结果表明当NOM存在时表面包被物的不同对纳米金颗粒团聚影响较小，而NOM是影响纳米金团聚的主要因素；Baalousha等^[28]发现随着NOM含量的增加，纳米颗粒团聚作用增加，TEM结果显示在NOM作用下纳米颗粒粒径由10 nm增加到500 nm.

利用Langmuir方程和Freundlich方程对吸附等温线进行拟合，拟合结果如表 2所示。从R²值看Langmuir和Freundlich方程均能很好地拟合四种土壤对纳米Ag的吸附等温线，但是Langmuir方程拟合结果显示WJ、WX相关性极差（P > 0.1）,而NJ、YX相关性较好（P < 0.05）.Freundlich方程拟合四种土壤均有很好的相关性，说明纳米Ag在四种土壤上的吸附为非均质性吸附，该方程中1/n可以反映吸附能力的强弱^{[29, 30]},若1/n在0.1至0.5之间表示易吸附，若1/n大于2则表示难吸附。从表 2拟合的结果可以看出，WX酸性土最容易发生吸附作用。等温吸附试验结果也显示，WX土在10 mg·L^-1纳米Ag浓度条件下，吸附量为153.7 mg·kg^-1,高于其他三种土壤，符合Freundlich方程拟合WX土最容易发生吸附作用这一结果。汪登俊^[31]基于穿透曲线法研究纳米Ag在我国三种典型土壤中的迁移行为，发现纳米Ag在土壤中的迁移能力顺序为黄泥土>潮土>红壤。黄泥土和潮土为碱性土，红壤为酸性土，即纳米Ag在酸性土壤中容易发生滞留。通过主成分分析发现土壤的pH、CEC、OM、比表面积和Zeta电位可能会影响纳米Ag在三种土壤中的移动性。

表 2 吸附等温线方程拟合参数 Table 2 Langmuir and Freundlich parameters for AgNPs sorption by soils

表选项

团聚作用会使得纳米Ag粒径增加，当粒径足够大时颗粒会在重力作用下发生沉降，因此研究纳米Ag的团聚对研究其吸附作用有重要意义。由于纳米颗粒与胶体粒径相近，人们常用DLVO胶体稳定理论来研究纳米颗粒的稳定性，该理论认为带电胶体之间存在着两种相互作用力，即双电层重叠时的静电斥力和颗粒间的范德华引力，它们的相互作用决定了胶体的稳定性^[32].前人研究了离子强度对纳米Ag团聚的影响^{[33, 34]},并比较了不同价位阳离子对团聚的影响，指出二价阳离子的作用大于单价阳离子。这是因为二价阳离子离子半径大于单价阳离子，更容易压缩纳米Ag双电层而增加团聚。

本文研究了二价阳离子Ca²⁺对纳米Ag团聚的影响，结果如图 3所示。相同纳米Ag浓度条件下，Ca²⁺浓度越大纳米Ag聚沉量越大。Badawy等^[25]在研究离子强度对不同包被的纳米Ag团聚的影响时，发现PVP包被的纳米Ag粒径不随pH和离子强度变化而变，而本研究中Ca²⁺对纳米Ag团聚有显着影响。这可能是因为本研究中所使用的纳米Ag表面PVP含量为0.5%,未能完全包被纳米Ag.由图 3可知随着纳米Ag浓度的增加，团聚比例逐渐降低，即低浓度纳米Ag比高浓度纳米Ag更易团聚。Piccapietra等^[35]在研究纳米Ag在水体中的稳定性时，也发现低离子强度（Ca²⁺、Na⁺）条件下100 μmol·L^-1纳米Ag更稳定，其团聚颗粒物平均粒径小于同条件下的1 μmol·L^-1和10 μmol·L^-1纳米Ag平均粒径。

图 3 纳米Ag在不同Ca2+条件下的沉降率 Figure 3 Sedimentation percentages of AgNPs at different Ca2+ concentrations

图选项

图 4显示，Ca²⁺的存在显着影响纳米Ag在土壤上的吸附，中性土壤WJ、NJ对纳米Ag的吸附量随Ca²⁺浓度的增加而增加，可能是因为Ca²⁺的加入促进了纳米Ag的团聚，使得纳米Ag发生沉降进入土壤。另一方面，由于Ca²⁺表面带有正电荷，可能会发生桥连作用，在土壤胶体和纳米Ag之间形成钙桥，从而增加土壤对纳米Ag的吸附量。Wang等^[36]研究PVP包被的纳米Ag在土壤中的迁移规律时发现，纳米Ag的迁移随离子强度（K⁺、Ca²⁺）增加而降低且纳米Ag滞留增加，该研究指出Ca²⁺强度增加时，除增加纳米Ag的团聚和降低纳米Ag和土壤胶体间相互排斥势能外，还增加了土壤中的有利位点，从而导致滞留量的增加。酸性土壤的吸附量变化与Ca²⁺的浓度无明显线性关系，10 mmol·L^-1 Ca²⁺存在时纳米Ag的吸附量低于1 mmol·L^-1 Ca²⁺存在时的吸附量，可能是由于过量的Ca²⁺遮蔽了酸性土表面的吸附位点导致吸附量的降低。有研究表明离子强度的增加会降低细菌吸附纳米Ag的吸附量和吸附速率^[17].这是由于高浓度的离子会覆盖在细菌和纳米颗粒表面形成离子保护层，离子保护层会使细菌和纳米颗粒拥有高的Zeta电位，降低纳米颗粒的团聚和吸附^[37].

图 4 不同浓度Ca2+对四种土壤吸附纳米Ag的影响 Figure 4 Effects of different Ca2+ concentrations on sorption of AgNPs on four types of soils

图选项

Hoppe等^[22]通过吸附方式研究纳米Ag在不同土壤中的滞留规律时发现，纳米Ag在弱酸性且粘土含量低的土壤中滞留量较小容易发生迁移，当土壤pH大于7或小于5且粘土含量较高时滞留量高，说明纳米Ag在土壤上的吸附除了受土壤pH和有机质含量影响外，也受到土壤中粘土含量的强烈影响。由表 1可知酸性土壤中YX的粘土含量要高于WX的粘土含量，在低浓度Ca²⁺（0.1 mmol·L^-1）条件下YX土的吸附量要高于WX土，相同条件下的中性土壤也有同一规律，说明粘土含量高的土对Ca²⁺浓度变化具有更好的响应。 3 结论

（1）土壤有机质含量和酸碱性显着影响着纳米Ag的吸附行为，纳米Ag在酸性土壤的吸附量大于中性土壤，土壤酸碱性相同时土壤有机质含量越高，其吸附量越高。

（2）利用Freundlich方程能较好地进行拟合纳米Ag在四种土壤上的吸附等温线。

（3）离子强度同样也显着影响着纳米Ag在土壤中的团聚，Ca²⁺的加入增加了纳米Ag在四种土壤上的吸附量。中性土壤上的纳米Ag吸附量随Ca²⁺浓度的增加而增加，酸性土壤上的吸附量随Ca²⁺浓度的增加呈现先增后减的趋势。