环境科技平台.doc

环境科学与技术基础研究平台

1. 目标和发展战略
以改善环境质量、保护人民健康、促进经济持续发展和保证国家环境安全为根本出发点，结合我国存在的主要环境问题和国际环境科学研究的前沿课题以及我院具有的研究基础，充分发挥我院学科交叉优势，在环境科学与技术的若干重大物理化学问题和经济社会可持续发展中的环境问题上获得重要突破,尤其是从分子水平、纳秒/飞秒标度和纳米尺度，到宏观区域，对环境学科中若干关键科学问题进行研究，使我院在该领域有一个大的发展，取得一批创新成果，增强我院乃至我国在环境科学基础研究领域的实力和国际影响力。主要目标为：研究环境污染物种的产生，转化等基本规律及其在大气、水、土壤等不同环境介质中的累积、循环和相互作用等重大环境污染机理；运用现代前沿科学理论和实验技术，建立快速、高灵敏度、高选择性、高准确度的环境分析新原理和新方法；发展有自主知识产权的有效控制和消减污染物的新方法和新技术原理以及不同技术协同使用的原理。为我国特有的和可持续发展紧迫相关的环境难题提供技术原理和科学依据，并促进环境学科和物理、化学等其他学科的融合和交叉，丰富和发展环境学科的研究内容。
2．背景和基础
环境科学技术中的物理、化学和力学原理，贯穿着环境污染机制、环境效应、检测和科学消减方法的整个领域。回顾上个世纪环境污染灾难和减灾的艰难历程，如温室效应、酸雨、光化学烟雾、臭氧空洞与氯氟代烃、重金属污染（如水俣病）、土壤污染、土壤侵蚀、沙尘暴、赤潮、蓝藻和湖泊富营养化、污染物向极地的迁移、雌性化激素、二恶英等，都向物理、化学和力学提出了巨大的挑战,而物理、化学及力学基础研究在阐明及控制这些重大环境污染时起着十分重要的作用。随着新的环境污染在数量和难修复、难消除特性方面的迅速增长，对物理化学技术原理提出了更高的新挑战，因此积累和发展针对环境科学的物理、化学、力学理论基础，成为紧迫的课题。
总体上讲，目前国内外几个层面上的研究现状可以概括如下：⑴目标物种在环境介质中的迁移、反应和演化的研究向分子水平靠近。⑵从物理化学原理出发，对环境变化，特别是导致环境恶化具有“催化剂”作用的预测理论模式建立。⑶正在发展新型的物化技术原理如高级氧化技术(AOT)，对环境污染控制，修复甚至环境友好的生产提供新的理论和技术。近年我院先后资助院重要方向项目“环境和生物体系中典型界面快速分子过程的研究”，“北京地区光化学烟雾形成与演化机理及其控制试验预研究” 和“先进核分析方法研究若干环境问题”等项目，对环境中的物理化学基础问题进行了专门研究。如利用我院在环境光学在线监测设备的优势，结合实验室微观机理研究优势基础和院同步辐射加速器大科学工程等，在环境关键物种及其反应机理研究、环境大气模拟研究、以及外场实验研究等方面取得了一系列有国际影响的科研成果，形成从实验室微观机理研究到模拟大气环境实验，再到外场观测实验和验证的有机闭环链条。虽然在一些重要发展的领域，我国和国际上的前沿基本上保持着相同的水平，但真正形成国家级优势的高水平研究机构并不多。环境科学中的物理化学问题是全球性的，但我国许多重大的、独有的环境问题中突出的物理化学原理和消减应对技术原理，将不会有国际现成的范例以供鉴戒，必须发展有自主知识产权的物理化学技术原理和方法，以应对我国加入WTO面临的种种绿色贸易壁垒。以往的经验证明，先进的物理化学原理对环境污染机理、演化的分析，特别是从分子水平设计的对污染的消减原理是支撑和维护现代环境质量最有效的科学手段。从分子水平、飞秒－纳秒标度和纳米空间观察和描述物质的环境行为和筛选污染事件对应消减的物理化学组合平台，是追踪环境事件的科学基础，是预防和有效减灾的科学依据和措施。
3．科技内容（科学目标、关键科学问题）
（1）环境污染机理的研究
以深入理解环境污染物种在大气、水和土壤环境及多介质跨界面的产生、变化、迁移、归趋等关键机理问题为重要内容。特别强调多元污染物间的复合污染机理，以及污染物跨介质迁移和界面效应。具体包括：有毒难降解有机污染物的环境行为及其在环境介质中的反应机理；多种污染物对环境的复合污染效应；化学污染物在环境介质微界面的反应机制；化学污染物在多介质环境中跨界面迁移转化过程机理；光化学反应机理及动力学；环境相关自由基及短寿命物种的形成及超快反应过程；微观结构与反应性能的关系。
关键科学问题：i）污染物形成、转化和降解机理：有毒难降解有机污染物一次排放源和二次自然排放源的科学特征。沉积和埋藏过程中污染物的化学形态变化和污染演变过程；污染物在食物链中的生物传递和积累规律；促进污染物快速分解和无害化的物理化学原理和方法。ii) 复合污染机理：研究不同污染物分子之间的复合污染及多介质污染机理。重点研究复杂环境体系中多种污染物在不同类型环境微界面、环境介质的吸附/脱附、拮抗、协同、催化和竞争反应机理；大气气溶胶气-粒、液-粒界面复合污染形成机理及非均相反应机理及城市光化学烟雾；不同类型纳米物质在环境体系中的特殊 “催化”效应以及自身的环境化学行为。 iii）污染物的输送、扩散、迁移和转化过程及规律研究: 从物理、化学、生物不同方面综合研究污染物质在水、土、气和生物圈内的演变(输送、扩散、迁移和化学转化过程)。研究标量物质（泥沙、营养盐、污染物等）的对流、扩散、反应过程，多相、多组分、多尺度复杂流动的基本规律，相间、组分间、尺度间的相互作用和关联。
（2）．环境污染检测新手段、新原理
先进的环境检测的方法与手段是环境科学研究的重要技术基础。区别于以化学方法为代表的离线传统环境污染检测方法，本平台将基于现代光学、先进核技术、质谱技术及短寿命物种的分析方法等，从微观到宏观大尺度范围，重点发展实时、动态、可遥测、高灵敏、高分辨、多组分在线检测方法与技术，建立国际一流的环境监测体系, 以满足环境科学深入发展对新一代环境检测技术的要求。
关键科学问题：i）环境光学监测技术的原理方法：基于环境光学检测方法的污染物、污染相关物种特性的表征；基于环境条件的先进光学检测新方法、新原理；光学与其他先进分析方法联用的多维检测新方法；光学遥感信息的表征；综合监测的技术集成方法；基于立体环境监测，由地基监测平台、移动监测平台、空中应急监测平台和数据传输、处理中心组成的环境光学监测基础性研究平台。ii）先进核分析技术的环境应用原理：基于核反应堆和粒子加速器研究污染物化学物种及形态的分子-中子活化方法、加速器质谱技术和微区分布的核子微探针技术原理；利用同步辐射装置的极端激发和扰动条件表征污染物分子中不同原子的化学环境行为及其降解历程中分子－原子结构变化的新分析方法；研究污染物在环境介质中迁移、分布、蓄积和界面行为的同位素示踪方法。iii）短寿命物种分析方法及高分辨率的GC/MS分析：建立原位观察自由基等短寿命物种的生成及反应的新方法以及国际水准的高灵敏度、高选择性、高精确度和准确度的高分辨色谱-质谱测定技术平台。研究样品采集、提取、净化和富集、气相色谱/质谱（GC/MS）分析和数据处理整个过程的质量控制。
（3）有效控制和消减环境污染物的新型反应机理和新技术原理
环境污染的控制在很大程度上依赖于控制原理和技术上的创新。本平台重点研究大气、水和土壤中环境物污染的新型物理化学控制原理。发展利用太阳能和环境友好的氧化剂（如O2、H2O2）的污染物高级氧化技术(AOT)，并发展有机固体废物裂解和等离子体热解等先进技术。从原位、实时、瞬态的角度，从分子水平、纳秒/飞秒标度和纳米尺度研究控制和消减环境污染物的反应机理。研究多种物理化学方法在环境污染物控制消减过程中的配合和协同作用。发展针对环境污染物消减和控制的新型功能材料。为有效消减和控制环境污染物，解决我国日益严重的环境污染问题提供新的技术原理。
关键科学问题：i）污染控制新技术原理及多种环境技术的配合与协同应用：针对大气、水和土壤中环境物污染物，研究高效，绿色，具有自主知识产权的污染物物理化学控制新原理和新技术。因为被污染体系和污染物种的复杂性，用单一的控制方法往往很难奏效，本平台将研究不同方法间的协同应用。ii）被污染水体及土壤的修复新技术原理： 研究酶、仿酶和非酶催化的修复污染水体和土壤的原理，重点是基于物理化学催化反应原理利用环境友好的氧化剂的修复技术。研究海洋原油污染的回收与处理的物理化学原理和特异性助剂。iii)针对有毒难降解有机污染物的去除新技术原理：从分子水平设计利用空气氧的太阳光催化消除有毒有机污染物的新方法。研究深度去除有毒有机污染物的新方法和实现水净化和循环利用的新技术原理。
（4）环境系统学新理论新方法
环境作为一复杂系统，需要系统科学、管理科学和计算数学提供新理论、新方法。建立依据物理化学原理，从计算数学方面定量的环境负荷和负荷承载底线，为国家的环境危机和灾难建立中长期预警系统提供科学依据。增加国家级环境质量数据库和数理分析的容量，特别强调污染消减能力的调查和统计，在出现环境恶化和灾难的前夕，能有战略上的应对、延缓甚至消灭的措施，为国家建立环境应急机制和对策提供科学依据。平衡经济发展与环境质量控制的关系，建立可持续发展与环境相关的数理统计和方法，为国家重大工程提供环境方面的科学依据。
4. 体制和机制
（1）综合我院多学科交叉和人才优势，组织基础局、生物局、资环局和高技术局等多学科的科学家，成立平台学术委员会，进行学科规划和定期学术交流。并建议尽快举行以“环境科学技术中的物理化学问题”为主题的香山会议。
（2）利用我院在环境光学在线监测设备的优势，结合实验室微观机理研究优势基础和院同步辐射加速器大科学工程等，使相关科学研究形成从实验室微观机理研究到模拟大气环境实验，再到外场观测实验和验证的有机闭环链条。建议结合我国环境特点和科学院的优势，在本平台先行启动一到二个重大项目。
(3) 环境科学的建立和发展正在由初级向成熟转变的紧要关头，建议转变过去过多的赋予环境科学技术中法规和行政职能，忽视作为基础学科的理论性的研究的方式。