闪锌矿光生电子促进微生物原位降解三氯乙烯的方法研究

Based on the two creative progresses in the last program of Youth Science Foundation: proposing a new method to in-situ degrade chlorinated organic pollutants by utilizing the photocatalysis of natural and modified sphalerite under sunlight, and the mechanism of photoelectrons transfer enhanced by the synergism of sphalerite and non-phototrophic chemotrophic microorganism, this project will extend the study from a ternary system of sunlight-semiconducting minerals-chlorinated hydrocarbon pollutants to a multicomponent system including sunlight-semiconducting minerals-microorganisms-chlorinated hydrocarbon pollutants. Focusing on the critical scientific issue: the growth and metabolism of indigenous microorganisms and the in-situ degradation of trichloroethylene enhanced by photoelectrons of natural and modified sphalerite, we will use interdisciplinary studying means covering mineralogy, microbiology and environmental science, to carry out an experimental research on trichloroethylene degradation by the synergism of sphalerite and non-phototrophic microorganisms, to further find out the kinetic mechanism of photoelectrons transfer in such a multicomponent system and the characteristic of molecular biology and electrochemical responses of microorganisms after capturing photoelectrons energy. Based on the above studies, we expect to discover the precise process of trichloroethylene degradation by indigenous microorganisms enhanced by photoelectrons of spahlerite, to improve the method of in-situ degradation of groundwater pollutants by utilizing the environmental properties of natural sphalerite photocatalysis, and to deepen and develop the theoretical cognition of photoelectrons capturing by non-phototrophic microorganisms.

本项目将在青年基金项目所取得的两个创新性进展基础上，即提出利用天然与改性闪锌矿日光催化性能原位降解氯代有机污染物的新方法以及闪锌矿与非光合化能微生物协同作用可强化光生电子的转移机制,将日光-半导体矿物－卤代烃污染物三元体系研究，进一步延伸与拓展到日光-半导体矿物-非光合微生物－卤代烃污染物多元体系研究。围绕天然与改性闪锌矿光生电子促进本源微生物生长代谢与原位降解三氯乙烯的耦合作用机制这一关键科学问题，采用矿物学、微生物学与环境科学交叉学科研究手段，开展闪锌矿与非光合微生物协同作用降解三氯乙烯的实验研究，进一步查明多元体系中闪锌矿光生电子传递的动力学机制及微生物获得光生电子能量的分子生物学与电化学响应特征，揭示闪锌矿光生电子强化本源微生物还原降解三氯乙烯的精细过程。以完善利用天然闪锌矿日光催化环境属性原位降解地下水污染物的新方法，深化与发展非光合微生物获取光生电子能量的理论认识。

本项目研究围绕日光-半导体矿物-非光合微生物－污染物多元体系，采用环境矿物学、计算矿物学、光电化学、微生物学与环境科学交叉学科研究手段，系统开展天然及改性闪锌矿等半导体矿物精细结构测试、电子结构模拟计算与可见光催化活性实验研究，在群落、菌株与分子水平上分别开展微生物获得光生电子能量的生物电化学与生长代谢特征研究，开展模拟不同能量光生电子强化微生物固定二氧化碳、还原去除硝酸根等污染物的实验方法研究，开发基于日光强化微生物协同反应体系原位治理地下水污染物的应用模型。项目取得如下主要进展：1）天然铁闪锌矿空气气氛下1200度热改性获得的二元复合半导体矿物红锌矿/锌铁尖晶石（ZnO/ ZnFe2O4）具有比原样更高的光生载流子分离效率与日光催化活性；2）锌铁尖晶石（ZnFe2O4）晶格中金属原子在配位多面体中的分配影响其能带结构，其倒转系数从0增加到1，禁带宽度从1.9 eV减小至0.85 eV，可见光吸收显著增强；3）基于同步辐射氧原子K边吸收与发射谱技术准确获得天然金红石、针铁矿、水钠锰矿等氧化物半导体矿物实际禁带宽度分别为2.7 eV、2.30 eV、1.80 eV；4）从富含半导体矿物的红壤微生物群落中分离得到一株可利用光电子的细菌—粪产碱杆菌 (A. faecalis)，其在模拟光电子能量作用下，可获得对硝酸根的还原能力及提升对亚硝酸根的还原速率，光电子能量越高，其反硝化效率越高；5）获得光电子的A. faecalis细胞外膜蛋白直接还原硝酸根或者将电子能量储存于胞内“电子库”蛋白后参与胞内反硝化代谢途径是其以光电子作为唯一电子能量来源进行反硝化的可能分子机制；6）提出A. faecalis利用半导体矿物光电子能量强化对地下水中硝酸盐原位处理的新方法，开发了通过提升半导体矿物端元或电子传递中路电子能量来简化并强化微生物原位治理地下水污染物的应用技术模型。