纳米铁锰氧化物和细菌胞外分泌物对砷的吸附基础研究

Basic research for application of environment friendly composite materials with high performance is very hot and important, especially, in treatment of nonferrous metallurgy materials containing arsenic and remediation of arsenic contaminated water and soil. Recently, some researchers have found that nano Fe-Mn oxides and natural material bacterial extracellular polymeric substances (EPS) have high efficiency in the adsorption of As or Sb anion. Therefore, in this study we will study the reaction of nano Fe-Mn oxides and arsenic resistant bacteria EPS with arsenite and arsenate, under various pH values and ionic strength. Physicochemical methods (potential titration, N2-BET, transmission electron microscope, fourier transform infrared spectrometer, and x-ray adsorption fine structure), molecular biological method, and mathematics models will be used. First, the electrochemical characteristics, composition and structure, and biological characteristics of the absorbents will be understood. Second, the physical-chemical reaction between the absorbents and As and its rule and process, will be present by multiple mathematics simulation. Third, the structure of the products will be identified in high precision spectrogram. Finally, the adsorption mechanisms of arsenic on nano Fe-Mn oxides, bacterial EPS, especially, their association will be revealed. This study will provide theoretical and technical support for application of nano Fe-Mn oxides, bacterial EPS, and their association in treatment of nonferrous metallurgy materials containing arsenic and remediation of arsenic contaminated water and soil. And it has large economic and environment values.

环保型高性能复合材料的应用基础研究，是有色冶炼物料有害物质分离脱除及污染土壤和水环境修复研究的热点和重点。近来研究发现纳米铁锰复合氧化物和天然生物材料细菌胞外分泌物（EPS）对砷或锑阴离子具有突出的吸附效果。在此基础上，本研究拟使用电位滴定、氮气—BET 法、透射电镜、红外光谱和同步辐射等物理化学方法，耦合分子生物学方法和数值模拟，研究不同的pH和离子强度条件下，纳米级铁锰复合氧化物、抗砷菌群产生的EPS与溶液相中砷（III和V）的多相界面作用。通过研究明确材料本身的电化学性质、结构组成和生物学特征，模拟解明材料与砷的作用规律、物理化学反应和过程，表征验证产物的精细结构，最终揭示纳米级铁锰复合氧化物、EPS、特别是两者联合对砷吸附的机理。该工作将为应用该环保型高性能复合材料，治理含砷冶金废物、砷污染水和土壤提供理论和技术支持，具有重要的经济和环保价值。

冶炼工业是生态环境中重金属和有机污染物的主要来源，生物修复技术因其经济性和环保性被认为是一种十分有前景的修复技术，探索并掌握其内在修复机理对于该修复技术的高效应用具有重要意义。一定条件下，重金属对土壤细菌种类起着刺激其增加的作用，主要是一些抗性菌种的出现造成的。金属Fe和Mn作为微量营养元素和细菌的辅酶因子，可以刺激细菌生物量和多样性增加。而砷常吸附结合在Fe和Mn的氢氧化物上，也可以作为微量营养元素的一部分而存在，正向刺激细菌生物量和多样性增加。而且高砷环境中存在的细菌都具有抗砷机制，甚至有些原核生物还可以利用砷酸根产生能量。研究发现Gammaproteobacteria (假单胞菌属Pseudomonas, 不动杆菌属Acinetobater,和埃希氏菌属Escherichia)和Alphaproteobacteria (Mirovirga, Erythrobacter, Sphingopyxis和Sphingomonas)仅出现在Mn, Pb和As 浓度高的土壤中，是目前研究中重要的抗砷菌种来源，其胞外分泌物（EPS）对重金属的吸附和捕获作用展现了其重要的重金属抗性和修复机理。土壤腐殖酸是由动植物遗骸经过微生物分解转化以及地球化学过程衍变积累起来的一类成分复杂的天然有机物质，其中富里酸（FA）主要介导了植物对土壤中的低环多环芳烃（3环-PAHs）以及疏水性的碳数范围在C16-C21之间脂肪烃（AHs）的富集，而胡敏酸（HA）使得高环数PAHs（3环以上PAHs）和高碳数AHs（C21以上）滞留在表层土壤中，减少了其在土壤中的迁移同时也降低了生物对其的降解作用，这与前人研究的随着碳数增加有机污染物更容易长期存在于土壤中。金属氧化物等矿物质结合态的PAHs与植物中的PAHs呈正相关关系，因此推测其是植物中富集的3环 PAHs的又一重要来源，而矿物质结合态的AHs与FA结合态的AHs呈负相关关系，推测植物通过吸水通道富集的AHs与矿物质结合态的AHs不具有同源性。研究还通过全国典型铜冶炼区收集的土壤样品，研究了Fe和Mn金属氧化物、砷等重金属、土壤性质与EPS之间的关系，并且结合土壤微生物酶活和分子生物学组成揭示了微生物对土壤重金属污染的响应机制。