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土壤重金属污染严重影响食品安全和人体健康，而评估重金属污染土壤的环境和健康风险及制定其环境质量标准则是一项十分艰巨的任务。到目前为止，国际上尚未建立一个权威的、被普遍接受的风险评估方法和框架。土壤类型、理化性质以及重金属形态等因素对重金属生物/生态效应及其风险均有很大影响，因此，合理的评估体系和质量标准制定都需要纳入这些影响因素。本论文围绕土壤溶液与生物界面上一个重要的界面特征--细胞质膜表面电势(ψ0o)，系统研究了离子之间的交互作用及其与重金属生物效应间的关系，揭示了土壤性质对重金属生物效应的影响机制，解析了重金属污染土壤上生物毒性的影响因素，建立了重金属生物吸收和毒性的静电预测模型，并将静电模型成功地应用于土壤重金属植物和微生物毒性的预测，同时探讨了模型的不确定性。本论文主要研究结果如下：
(1)土壤溶液中常见阳离子和质子能通过电荷屏蔽和与质膜表面结合的方式降低质膜ψ0o的负电性，降低能力大小次序为：Al3+>H+>La3+>Cu2+>Mn2+>Ca2+≈Mg2+>Na+≈K+。Gouy-Chapman-Stern(GCS)模型建立了质膜表面的内在电荷密度(σ0)、离子与质膜表面的结合常数以及离子在本体介质中浓度间的定量化关系，因此能用来模拟ψ0o。通过测定小麦(Triticum aestivum L.)和细菌(Escherichia coli)细胞质膜表面的ζ电势评估了GCS模型参数。GCS模型参数不确定性分析表明，通过ζ电势评估的结合常数与离子吸附试验和“硬配体尺度”方法评估的常数值之间非常接近而且呈高度相关(R2>0.989)。不同方法评估的σ0值变异很大，但诸多证据表明(包括电生理膜片钳和扫描原子力显微镜测定的结果)，质膜表面σ0实际值更接近于-30 mC m-2。这些参数能用于计算不同离子环境下植物根细胞和细菌质膜表面ψ0o，计算的ψ0o值与测定的ζ电势间呈高度相关(R2>0.930)。
(2)ψ0o在自然条件下通常为负，能在质膜表面富集阳离子和排斥阴离子，因而使质膜表面的金属离子活度({Mn+}0o)与本体介质中的活度({Mn+)b)相差数十倍。与{Mn+)b相比，{Mn+}0o能更好地指示生物对重金属离子的响应(如生长、毒性、缓解毒性、跨膜运输、质膜酶活性等)。土壤溶液中常见阳离子能够缓解重金属阳离子(Cu2+、Ni2+、Cd2+等)的毒性，却加剧了类金属阴离子H2AsO4-的毒性，这种毒性缓解和加剧作用的主要机制是ψ0o的静电效应，而非普遍认为的离子间“专性竞争效应”。
(3)土壤溶液中阳离子和质子能降低质膜ψ0o的负电性，ψ0o的负电性降低能够改变{Mn+)0o，同时也会增加质膜内外表面的电势差(Em，surf)，即能影响离子跨膜运输的电势驱动力，因此，ψ0o对离子生物吸收和毒性的影响是双重的。大量数据分析(包括溶液介质和实际土壤介质的试验)都证实了金属离子吸收和毒性与ψ0o双重效应的函数关系，在此基础上建立的静电模型能很好地预测离子的生物吸收和毒性。
(4)评估了土壤介质和溶液培养介质中Ni对大麦(Hordeum vulgare L.)根生长的毒性及其影响因素。结果表明，在试验条件下根生长取决于：(ⅰ)质膜表面Ni2+活度({Ni2+}0o)；(ⅱ)Ca缺乏(与{Ca2+}0o有关)；(ⅲ)渗透胁迫效应；(ⅳ)Mg2+对Ni2+毒性的专性缓解作用。探讨了溶液介质与土壤介质间的差异对Ni毒性的影响，在溶液介质中发展起来的模型参数会高估实际土壤介质中Ni的毒性。静电模型能很好地预测16个性质差异很大的土壤上Ni的毒性阈值。
(5)基于静电模型评估了Cu和Ni污染土壤上微生物潜在硝化速率(PNR)和葡萄糖诱导呼吸(GIR)的影响因素及其机制。研究结果表明，Cu和Ni对微生物PNR和GIR的影响至少取决于：(ⅰ)质膜表面重金属离子活度({M2+)0o)；(ⅱ)金属离子跨膜运输的驱动力；(ⅲ)金属配合物；(ⅳ)渗透胁迫效应。静电模型建立了土壤微生物过程与以上影响因素之间的定量化关系，对于PNR至少能解释81.6％的变异性；对于GIR至少能解释86.1％的变异性。静电模型也能很好地预测不同类型土壤上Cu和Ni污染对微生物的毒性以及Cu和Ni的效应浓度阈值。
(6)Ca是植物生长的必需元素。重金属阳离子能通过改变质膜的ψ0o使质膜表面{Ca2+)0o降低，从而对植物生长产生影响。为了满足根充分生长，不同植物需要的最低{Ca2+)0o不同，例如，对于绿豆(Vigna radiata L.)，至少需要{Ca2+)0o>1.2 mM；豇豆(Vignaunguiculata L.)，需要{Ca2+}0o>2.0 mM；小麦(T.aestivum L.)，需要{Ca2+)0o>2.4 mM；对于大麦(H.vulgare L.)，{Ca2+)0o>3.5 mM；豌豆(Pisum sativum L.)，{Ca2+}0o>6.0 mM；甜瓜(Cucumis melo L.)，{Ca2+}0o>10 mM。土壤金属污染会使土壤固相上Ca解吸，土壤溶液中过高的Ca能通过渗透势抑制植物生长。
本论文不仅为研究离子之间交互作用机制以及重金属离子生物效应提供了一个崭新的方向，也拓展了当前评价离子生物有效性和毒性的理论，研究结果为土壤重金属和类金属环境风险评估和质量标准制定提供了理论和方法学依据。