铅的生物还原炼制

我国是有色金属资源大国，有色金属冶炼过程产生大量的SO2和金属粉尘污染，对环境和人体健康危害日益严重。基于前期获得的特殊还原菌及其还原高价金属为单质的特性研究，本项目拟以铅为研究对象，通过双室微生物燃料电池（MFC）阳极室还原、单室无膜微生物电解池（MEC）还原与生物驱微电解还原三种不同的生物电化学还原体系的建立与调控，以碳为电子传递的介导体，实现菌株对铅（II, IV）氧化物或离子的厌氧共代谢还原，大幅度提高铅氧化物还原为单质的有机碳利用效率，获得铅生物还原炼制的优化条件及其调控机制。铅的生物还原炼制不仅杜绝了SO2和铅尘污染，而且大幅减少了高温冶炼过程的热损耗。本项目研究对我国有色金属冶炼过程节能减排、实现与环境协调的可持续发展具有重大意义。

针对我国有色金属—铅在开采、火法冶炼、生产以及使用过程中、大量铅污染物进入环境对人体健康以及生态安全带来的严重威胁的现状。本项基金以生物催化的氧化还原为核心，以生物电化学为手段，提取废弃物、废水中的还原能对废水中的铅进行了生物吸附与还原的研究。在基金执行过程中，主要开展了双室MFC、单室无膜MFC/MEC对铅的吸附和还原研究，特别是在构建的新型无膜MFC/MEC电化学系统基础上，系统开展了废水还原能的生物氧化、电子在液相体系以及外电路和阴极体系的传递与接收、铅的吸附与还原及其有氧环境中的再氧化、废弃物、废水还原能的用于氨氮直接转化为氮气、生物电合成甲烷和乙酸等系统的生物电化学及其生物电合成的研究工作。3年来的研究结果表明，在生物电化学系统中，无论在阳极室内还是阴极室内，微生物催化氧化有机碳源释放的电子能够通过共代谢以及阴极电子传递将铅氧化物或铅离子还原。其中假单胞菌MBR在阳极室内催化氧化过程中，会释放一类溶解性的吩嗪-1-羧酸的电子传递体。单质铅在有氧环境中的再氧化也给实验带来较大的困扰，在后期单室无膜MFC/MEC的研究过程中，对于铅的还原及其再氧化过程进行了深入的分析。.本项基金研究成果的最大亮点是建立了一个以导电的金属器壁作为阴极、又作为反应器主体结构的一个可灵活放大的特殊的具有旁通电子流的生物电化学系统，通过阳极、隔膜（无纺布等）与金属器壁构建成单室的无膜（不需要离子交换膜）生物电化学系统，该系统的特殊之处在于，作为阴极的金属器壁既可在单室的系统内进行正常的电子传递功能，同时又可通过阴极外侧向金属离子、其他氧化物等电子受体传递电子，该结构在电子传递的同时，又有效实现了生物氧化与其他极端环境的隔离。通过研究表明，该生物电化学系统的不锈钢阴极具有良好的生物电化学活性，单室无膜MFC以及MEC不仅显示出在阴极外表面对金属离子的吸附、还原功能。而且在外加电势下，MEC较MFC在阳极室内有机碳源的降解速率的显著升高，大量的电子通过阴极内侧产生了大量的甲烷。在此基础上，我们基于单室无膜生物电化学系统的构建原理，在单室生物电化学脱氮、单室MEC产甲烷以及利用旁通电子流进行生物电合成的废水厌氧氧化偶联生物电合成系统的构建以及还原能的利用方面取得突出的研究成果。.本项基金在研究过程中，共计发表科研论文35篇，其中SCI论文19篇，在SCI论文中，1区论文8篇，2区论文2篇。