生物硫铁复合材料生成机制及关键影响因素研究

本课题针对我国严峻的重金属污染问题，结合硫酸盐还原菌原位生成纳米硫铁材料的新发现及其在重金属废水处理中的优越性能，采用纳米研究技术、电镜技术、分子生物学技术和理化分析技术，研究生物硫铁复合材料生成的微观过程和生成机制。在此基础上，研究复合材料理化特性与重金属净化效果之间的内在关联，建立相关性辨识技术。研究营养源与生成工艺对复合材料的理化特性、生物学特性、硫铁转化率及对重金属净化效果的影响机制，甄选影响复合材料特性的关键因素，获得可稳定高效生成最佳特性复合材料的调控技术和制备方法，为生物硫铁复合材料的产业化生产提供理论指导和技术支持。本项目的研究成功有望解决制约我国冶金、电镀、铬盐、矿山等重金属污染行业相关产业绿色生产及可持续发展的重要难题，促进节能减排和低碳经济发展，确保居民饮用水安全和食品安全。

本课题针对我国严峻的重金属污染问题，围绕硫酸盐还原菌原位生成纳米硫铁材料的新发现及其在重金属废水处理中的优越性能，选育高产生物硫铁的硫酸盐还原菌（SRB）20余株，基于16S rDNA鉴定8株；建立了基于厌氧微生物的生物硫铁复合材料培养过程的微观观察方法，如透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM），从微观角度发现生物硫铁生成过程存在形成期、稳定期和团聚期三个阶段，其中稳定期生物硫铁复合材料微观形态以菌体为中心，周边附着花瓣状的纳米级硫铁化合物；进一步采用EDS-SEM，XRD衍射等手段获得了生物硫铁微观特性与重金属去除之间的关联，即处于稳定期的生物硫铁处理重金属效果最佳，进而获得了生物硫铁还原、硫化沉淀及胞外聚合物吸附的重金属去除机理；获得了生物硫铁的优化生成工艺与培养基配方，其最优培养基为：乳酸钠（70%） 15.0ml，酵母膏8.0g，FeSO4•7H2O 15g/L，NaCl 1.0g，K2HPO4•3H2O 0.5g，CaCl2•2H2O 0.1g，MgSO4•7H2O 2.0g，NH4Cl 1.0g；并采用酒精废水等高浓度有机废水进行了产生物硫铁研究；生物硫铁对铬(Ⅵ)、铜、铅、镉均有较好的处理作用，其去除率达到99%以上；模拟处理突发含铜废水污染事故，10min的去除率在40-80%，2h的去除率在90%以上。课题研究成果为生物硫铁复合材料的产业化生产及重金属废水处理提供理论指导和技术支持。