1.1　研究背景

土壤是自然环境重要的组成部分，是人类赖以生存的、最重要的可再生自然资源和永恒的生产资料，土壤环境质量对人类生命健康与安全和整个社会的稳定与发展具有战略性意义。我国的土壤污染与防治的情况不容乐观，重金属污染土壤、农药化肥的不合理使用导致污染土壤的面积超过千万公顷，这不仅直接关系到农产品的安全和质量问题，而且严重阻碍了社会可持续发展。因此，土壤迫切需要保护，进行土壤污染防治与修复已经成为全球范围内许多国家共同关注的问题，是政治、商业和学术领域讨论的热点。

氧化还原反应是陆地生态系统中普遍存在的且重要的化学或生物化学反应（Fiedler et al.，2007），其本质是通过电子转移来实现的。微生物胞外电子传递过程是新发现的新型微生物厌氧能量代谢方式，它作为一种独特的氧化还原过程，在污染物原位修复、污水处理以及清洁生物能源提取方面已经逐渐呈现出不可替代的优越性和重要的应用前景（Jiang et al.，2009；Marsili et al.，2008；Rosenbaum et al.，2012；White et al.，2013；Kappler et al.，2014），因此近几年来受到科学界的广泛关注。

腐殖质（humic substances，HS）是一类具有氧化还原性质的天然有机化合物，它在土壤中具有广泛的分布。在还原条件下，溶解性腐殖质既可作为电子受体，接受从微生物传递出的电子（Lovley et al.，1996），同时还原后的腐殖质又可作为电子供体，将电子传递给铁氧化物等矿物（Piepenbrock et al.，2014），而且其在接受电子或供给电子的过程中具有一定的可逆性，从而使其在许多生物地球化学的氧化还原过程中可以充当胞外电子穿梭体的角色，这在很大程度上会对具备有氧化还原活性的有机污染物和无机污染物的氧化还原动力学与降解途径产生重要影响（Borch et al.，2005；Fulda et al.，2013；Maurer et al.，2012，2013；Lovley et al.，2000）。由此可见，研究土壤腐殖质的电子转移能力不仅可以为我们深入认识土壤污染物的转化与积累机制提供一定的理论依据，而且在土壤污染修复方面具有重要的实践意义。

尽管目前对土壤腐殖质的电子转移规律及其对污染物降解转化的影响研究已经取得了很大进展，但我们仍然面临着许多重大挑战。

①目前大部分的研究成果都是基于提取纯化后的、溶解性的腐殖质得出的，而关于土壤原位固相腐殖质电子转移能力的研究却鲜有报道。实际上，土壤提取纯化后的溶解性腐殖质并不能等同于土壤原位固相腐殖质，因为土壤原位固相腐殖质的许多理化特性和所处的微环境是提取纯化后的溶解性腐殖质所没有的（Kelleher and Simpson，2006；Lehmann et al.，2008；Schmidt et al.，2011）。

②土壤是一个开放的体系，土壤腐殖质处于不断更新之中，这对于土壤整体而言，它有持续的电子穿梭体功能，但对于土壤腐殖质本身而言，间歇性缺氧-曝气的土壤环境会对腐殖质的末端电子穿梭功能产生竞争性的促进或抑制作用（Klüpfel et al.，2014），使得土壤环境中腐殖质电子穿梭体功能并非是持续恒定的，而是有一定的“寿命”的，因此土壤腐殖质电子穿梭体功能的持续能力也是一个有待进一步研究的重要问题。

③人类活动导致的气候变暖以及土地利用变化是当前存在的重要环境问题，它们可以直接地或间接地对土壤腐殖质的形成、分子结构、理化性质以及与矿物的相互作用产生重大影响（Han et al.，2011；Becerra-Castro et al.，2015），这在一定程度上会进一步造成土壤腐殖质的电子转移能力发生相应变化。

然而，目前关于气候变暖和土地利用变化究竟是如何影响土壤腐殖质的电子转移能力还不清楚。显而易见，弄清这种影响机理对于在气候变暖和土地利用变化背景下如何更好管理土壤和维持土壤健康具有重要指导意义。