砷污染土壤微生物氧化-生物成因施氏矿物钝化协同修复机制

The arsenic-contaminated soil has multivalent-arsenic, complicated arsenic phase speciation, thus, difficult for remediation. The traditional immobilization technology has the problems of soil structure damage and secondary pollution. Based on the regulation of arsenic microbial oxidation and the "natural immobilization" of the acid mine in the mine, the strategy of " arsenite microbial oxidation-biogenetic schwertmannite immobilization" was proposed. The following three aspects will be studied: (1)The process and mechanism of arsenite microbial oxidation in soil, to reveal arsenic metabolism regulation network of arsenite oxidized bacteria;(2)Formation principle of biogenetic schwertmannite and the mechanism of arsenic immobilization, to establish the quantitative control method of schwertmannite in microcosmic scale and analyze the quantitative relationship between the microstructure and immobilization ability of arsenic; (3)the combined remediation mechanism of microbial oxidation and biogenetic schwertmannite immobilization, to reveal the behavioral characteristics of arsenic elements during the remediation process, and clarify the transformation mechanism of arsenic valence and speciation. The major objectives of the present proposal are to provide a theoretical basis for developing green remediation technology for arsenic-contaminated soil and to establish the technological scheme of combined remediation of microbial oxidation and biogenetic schwertmannite immobilization.

砷污染土壤中砷价态多，物相形态杂，修复难度大，传统钝化修复技术易造成土壤结构破坏和二次污染等问题。基于砷的微生物氧化调控和酸性矿山施氏矿物 “自然钝化”现象， 本项目组创新提出“微生物氧化-生物成因施氏矿物钝化”协同修复策略，拟研究：（1）微生物对土壤中As[Ⅲ]的氧化历程及作用机理，揭示As[Ⅲ]氧化菌的砷代谢调控网络；（2）生物成因施氏矿物形成原理与对砷的钝化作用机理，建立施氏矿物微观尺度上精准控制合成方法，解析施氏矿物微结构与砷钝化性能的定量关系；(3) 微生物氧化与施氏矿物钝化协同修复机制，揭示修复过程中砷元素全过程行为特征，明确土壤砷价态形态转化调控机制；通过项目研究，旨在为开发砷污染土壤绿色修复技术提供理论基础，建立砷污染土壤微生物氧化-生物成因施氏矿物钝化协同修复技术原型。

土壤砷污染日趋严重，危及生态环境和居民健康，针对砷污染土壤中砷价态多，物相形态杂，修复难度大，传统钝化修复技术易造成土壤结构破坏和二次污染等问题。基于砷的微生物氧化调控和酸性矿山施氏矿物 “自然钝化”现象，本项目提出“微生物氧化-生物成因施氏矿物钝化”协同修复策略，研究了典型高砷污染矿区土壤污染特征，三价砷的微生物氧化-生物成因施氏矿物钝化砷，生物成因铁锰氧化物氧化-钝化土壤砷，以及羟基硫酸铁/羟基磷酸铁@黑曲霉同步固定土壤砷镉铅。通过研究，阐明高砷矿区土壤污染空间分布差异性及砷的赋存形态与分布规律，揭示了砷氧化菌YZ-1对三价砷的氧化过程及作用规律，建立基于嗜酸氧化硫杆菌制备“针须”空心结构施氏矿物的方法，探明生物成因施氏矿物对砷的固定机制，明确砷的固定主要依赖于与矿物结构中SO42-的交换作用，开发了生物成因铁锰氧化物、纳米铁基@黑曲霉等氧化固砷修复材料，阐明了氧化固砷修复材料对土壤砷的氧化及钝化机制，形成砷污染土壤的微生物氧化-次生铁矿物固定联合修复技术原型，对土壤水溶态总砷、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)的稳定率分别高达99.3%、98.8%、100%；土壤有效态总砷、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)的稳定率为82.6%、75.3%、100%，比传统铁盐修复法提高2倍以上；丰富了砷污染土壤的生物-化学稳定化修复的基础理论。通过项目研究，申请国家发明专利6项，其中授权专利2项，出版专著1部《矿冶污染场地治理与生态修复》，发表SCI 论文8篇；“典型重金属污染物解毒去除方法及机理”获湖南省自然科学一等奖，培养博士1名，硕士5名（毕业2名）。