生物膜泥沙输移对重金属迁移转化的影响

Rivers in China generally contain a large amount of sediment, which has a high affinity to the pollutants. In recent years, anthropogenic activities such as the operation of hydraulic projects have led to the accumulation of fine sediment and nutrients at the riverbed, which promotes the biofilm formation and growth on sediment particles. Biofilm growth will enhance the inter-particle interactions, affecting the transport characteristics of sediment and sediment-associated pollutants. Meanwhile, biofilm growth will change the interactions between sediment and pollutants, probably causing new environment issues. However, previous studies generally focused on the original sediment, and most of the related biofilm studies were also limited in the field of waste water treatments. Thus, it is urgent to conduct a comprehensive research of biofilm growth on sediment particles and its effects on pollutant transport. In this study, the adsorption experiments of Cu and Pb are carried out for bio-sediment to analyze the intrinsic mechanisms of the interactions between heavy metals and bio-sediment. Then a mathematical model of heavy metal transport is established based on the bio-sediment transport, to study the response of heavy metal distribution to the biofilm growth. The results will further improve the theory of environmental sediment, and provide foundation for the study on the environment effects of bio-sediment.

我国河流含沙量普遍较高，泥沙颗粒对水体中污染物有较强的结合能力，起着重要的源汇作用。近年来，水库运行等人类活动导致细颗粒泥沙和营养盐在床面沉积，促进了微生物在泥沙颗粒表面的吸附成膜。生物膜生长，一方面增加泥沙颗粒间的粘连作用，影响其输移特性，另一方面还会改变泥沙颗粒与污染物的相互作用关系，引起新的环境效应问题。以往的研究多针对原状泥沙，对于生物膜的研究也多局限于废水处理等环境领域，关于天然泥沙颗粒表面的生物膜生长规律及其环境效应尚缺乏研究。本项目拟采用室内实验、理论分析和模型计算多种手段，研究不同环境条件下泥沙颗粒表面的生物膜生长规律；以重金属Cu和Pb为例，研究“长膜泥沙”对污染物的吸附特性，探讨内在吸附机理；进而构建“长膜泥沙”输移过程中的重金属迁移转化模型，研究重金属分布对生物膜生长的响应。研究成果将进一步丰富环境泥沙领域的理论基础，为深入研究“长膜泥沙”的环境效应奠定基础。

生物膜生长增加泥沙颗粒间的粘连作用，影响其输移特性；同时还改变泥沙颗粒与污染物的相互作用关系，引起新的环境效应问题。.本项目采用旋转式圆筒，开展了室内条件下的生物膜生长实验，考虑泥沙粒径、水流条件等的影响，得到了不同环境条件下的生物膜生长规律。结果表明：生物膜在前几周缓慢增长，随后呈指数增长，在42天左右达到峰值，随后生物量因脱落作用而有所减少并逐渐趋于平衡。静水条件下的生物膜生长速率较快，形成的生物膜量多于动水条件；细颗粒泥沙表面生长的生物膜更多，其次是中等粒径泥沙，粗颗粒泥沙表面生长的生物膜最少。变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门是其微生物群落中的优势菌种，占总丰度的98%以上。相比之下，动态实验中变形菌含量较多，而静态实验中厚壁菌含量较多。.在“长膜泥沙”室内培养的基础上，研究了不同环境条件、不同培养时间下得到的“长膜泥沙”对重金属铜和营养盐磷的吸附特性，解析了生物膜生长对泥沙颗粒吸附特性的影响。生物膜生长对泥沙颗粒的吸附特性起促进作用，随着生物膜生长时间的增加，“长膜泥沙”对Cu的吸附能力逐渐增强；但由于原状泥沙对Cu的吸附能力也较强，增长幅度相对有限。相比之下，泥沙颗粒生长生物膜后对磷的吸附能力有较大的提升；且细颗粒泥沙表面生物膜量更多，磷吸附量增加更为明显。.在水动力和“长膜泥沙”输移模型的基础上，结合“长膜泥沙”与重金属、营养盐的相互作用研究，构建了生物膜生长影响下的环境物质迁移转化模型。以三峡水库为例，分析了淤积条件下库区底泥的生物膜埋藏规律及其储磷效应。研究成果将为进一步深入研究“长膜泥沙”在天然水体中的环境效应奠定基础。