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原子力显微镜自投入商业应用以来，已广泛用于化学、生物以及材料表面或界面在纳米尺度上的微观结构观测与表征。在环境科学研究领域，污染物的微界面行为及其作用机制研究目前已成为现代环境科学与工程技术领域的研究前沿与焦点课题。特别是纳米、微米污染物界面形态及其作用机制的观察与表征是近代仪器的重要发展，也是环境微界面研究领域中的热点问题，原子力显微镜在此领域中将具有广阔的发展应用前景。本博士论文对环境微界面过程及其相关环境材料进行了原子力显微镜观测研究，并取得了以下几方面研究结果：
1.研究了溶解腐殖质的界面吸附形态及其与微污染物萘的相互作用机理。对官厅水库水体沉积物以及市售天津产地两种来源和组成不同的腐殖质的微观形貌进行了观测研究。结果表明，两者的微观结构形态存在明显差异。在低浓度实验条件下，官厅腐殖质的界面形态呈松散的不规则的链环结构，并夹杂少量球形颗粒，而天津腐殖质则比较单一，呈致密的球形颗粒。在高浓度实验条件下，两者均呈现其非均相、多分散结构特征。同时，对官厅腐殖质在有污染物萘存在条件下，其界面吸附形态的变化情况进行了对照观察。结果发现，萘的引入使官厅腐殖质的界面形态发生明显改变，支链状结构明显变窄，呈多孔片层状的聚集体结构变得更加致密，孔结构趋向减少。以上研究初步表明，萘分子与溶解腐殖质分子之间发生了相互作用，腐殖质多孔链环结构的中心可能作为萘分子发生吸附作用的疏水吸附位，从而促进萘在天然颗粒物界面上的吸附与聚集。
2.研究了新培养的蜡状芽孢杆菌菌体细胞的微观形貌以及在不同介质和重金属生物吸附研究中不同量的铅离子暴露实验条件下细胞形态的变化情况。结果表明，新培养的菌体细胞呈棒状，细胞表面比较光滑，细胞之间首尾相连组成长杆状超结构，细胞的尺寸大小存在一定个体差异。在0.1mol/LHNO3及EDTA浸泡处理条件下，细胞表面变得粗糙，但仍维持杆状整体结构形态。在重金属铅离子暴露下，细胞形态发生明显改变，细胞体积发生膨胀，表面变得更加粗糙，并有少量细胞的结构发生了破损。
对大肠杆菌及其噬菌体在膜生物反应器水处理前后的形态变化进行了观测。结果表明，大肠杆菌噬菌体在经处理后形态由具有精细蛋白质质粒结构的椭球多面体变为近似圆球形结构，同时噬菌体活性也随着消失。
3.对聚合铝无机高分子絮凝剂的微观结构形态及其转化规律进行了深入系统研究。观察了不同生产厂家的工业聚合铝以及不同制备条件下实验室预制聚合铝的微观结构形貌，并对不同碱化度、不同熟化时间下实验室预制聚合铝的微观结构形貌及其转化规律进行了AFM观测研究。结果表明，随着聚合铝碱化度B值的增加，聚合铝微观结构形态由线型链或链环状结构经球形胶体颗粒向不规则微絮体结构转变，并在B2.0附近熟化过程早期呈规则纳米球形颗粒聚集体结构形态。对纯化制备的聚合铝产品，结合在不同存放时间及进一步加碱等条件下的稳定性考察实验，进行了多种技术手段分析与表征，并对聚合铝的优势作用形态—Al13及其聚集体的微观结构进行了AFM观测，得到了纳米结构Al13及其聚集体的微观形貌图像，从而为纳米无机高分子絮凝剂的研究开发提供了新的科学依据及分析表征手段。
4.对其它环境相关材料，如醋酸纤维素膜、二甲基二烯丙基季铵盐有机高分子絮凝剂以及纳米SiO2材料等的微观结构形态进行了原子力显微镜观测，并得到了具有纳米结构的高分辨微观形貌图像。