基于铁异化还原驱动下的污染物运移机制研究

Geochemical cycle of iron is an important driving force for contaminant transportation, and it also has played a key role in the mechanism and characteristics of transportation processes of pollutants. However, the mechanisms of contaminant transportation driven by the dissimilatory iron reduction still need the further investigations, due to the complexities of the physicochemical properties of different kinds of pollutants and the sensitivity of the geochemical cycle of iron in environmental conditions. This project focuses on the microbial dissimilatory iron reduction, and plans to carry out the experiments on the kinetic characteristics of dissimilatory reduction of the different sources and types of iron oxide/oxyhydroxide(IOH). Furthermore, the project will also plan to choose both the heavy metal contaminants (As, Sb, Cr, and U, etc) with variable valence states and organic pollutants (nitrobenzene and chlorine-containing) to investigate the typical characteristics and mechanism of geo-environmental cycles of organic/inorganic pollutants during the process of the "IOH-iron reducing bacteria - pollutants" interaction. The analytic methods of HPLC-ICP-MS, HPLC and also including the investigation on surface topography of IOH by TEM and SEM will be introduced to accurately clarify the mechanism of pollutants transportation and the characteristics of interaction process of "IOH -iron reducing bacteria - pollutants". The successful implement of this research project will be helpful to get insight into the mechanism and characteristics of the transportation behaviors (degradation, adsorption / desorption, speciation) of contaminants driven by the microbial dissimilatory iron reduction.

铁的地球化学循环是污染物运移的重要驱动力，同时也对上述运移过程机制和特征产生重要影响。由于铁的地球化学循环过程对环境介质的敏感性以及污染物种类的复杂性和差异性，铁驱动下的污染物运移机制一直没有得到清晰认识。本项目以铁的微生物异化还原为研究切入点，开展不同来源和种类铁氧化物的异化还原解离动力学特征实验研究，选择具有可变价态的重金属污染物(As, Sb, Cr和U等)和有机污染物 (硝基苯以及有机氯类)为研究对象，考察"污染物-IOH-铁还原菌"交互作用对典型有机(无机)污染物地球化学循环特征和规律的影响。并结合TEM和SEM等微观形貌和晶形表征手段、色-质联用技术等分析方法，阐明铁异化还原驱动下的污染物运移过程特征和机制，揭示"污染物-IOH-铁还原菌"三者之间耦合作用特征和规律及其环境效应，丰富基于铁的生物地球化学循环过程对污染物运移(降解、吸附/解吸、形态转变等)驱动机制的环境效应认识。

铁氧化物的异化还原过程直接制约了污染物在环境中的运移机制和生态环境效应，随之显著影响了污染物的环境地球化学行为，因此铁氧化物所发生的异化还原过程，成为环境介质中各类生源要素和污染物表生地球化学循环的重要推动力之一。因而，本项目以铁氧化物异化还原为研究的切入点，深入探究铁氧化物异化还原驱动下污染物的还原降解过程。基于“污染物-铁氧化物-微生物”耦合作用，本研究从以下几个方面展开：.1）铁氧化物异化还原动力学特征及影响因素.探究了电子运移载体、微生物呼吸强度、外源性解离态亚铁络合剂以及污染物介导条件下对铁氧化物的异化还原过程的影响。考察了铁氧化物异化还原产物-解离态亚铁不同形态的含量以及电子运移载体氧化态/还原态随反应时间的变化特征。.2）铁氧化物异化还原驱动下的污染物运移特征和规律.在建立的“微生物-铁氧化物”相互作用体系的基础上，考察了不同污染负荷条件下的污染物降解特征及影响因素。结果表明电子运移载体、微生物呼吸强度和外源性解离态亚铁络合剂均对“微生物-铁氧化物-污染物”耦合作用产生一定程度的影响。.3）铁氧化物异化还原过程中铁氧化物晶型转变特征. 铁氧化物在发生微生物异化还原时，因铁氧化物晶型的转变，其反应活性和表面形貌特征可能发生显著改变。基于此，探讨了不同类型的DOM存在条件下、微生物呼吸强度、外源性解离态亚铁络合剂以及污染物介导条件下，铁氧化物晶型转变的特征和规律。.以上研究结果表明，铁氧化物异化还原过程以及该过程中污染物运移是受微生物呼吸以及电子运移载体耦合驱动下发生的，同时铁氧化物还原产物（还原解离态亚铁）也显著影响了该过程。相比于非生物体系，在铁微生物异化还原过程显著促进了污染物降解速率，其中电子运移载体对污染物降解过程的影响有别于前人的已有结论，获得了新的认识。本项目的研究对铁氧化物异化还原介导下的污染物原位生态修复和环境地球化学循环理论研究具有一定的理论价值和实践意义。