硫酸盐还原菌调控砷在纳米TiO2-水-土界面氧化还原转化的机制研究

Using nano particles in arsenic (As) pollution treatment is the hot issue in environment field. However, the behavior of adsorbed As associated with nano particles in natural environment is not fully understood. Microorganism regulates As biogeochemical cycling as a key factor. Therefore, clarifying the molecular-level mechanism of redox transformation and release of adsorbed As associated with nano particles mediated by microorganism on groundwater-soil interface is necessary. This project will focus on the adsorbed As on nano TiO2, and study the effect of sulfate reducing bacteria on adsorbed As associated with nano TiO2 using in situ ATR-FTIR technique and synchrotron-based methods. This research will investigate key factors in redox transformation and release processes of adsorbed As, and the transport of adsorbed As in natural environment, to clarify the role and mechanism of sulfate reducing bacteria on the adsorbed As associated with nano TiO2. The research should shed light on the molecular-level mechanisms on the release and redox transformation of adsorbed As associated with nano particles on groundwater-soil interface. The results should provide the theoretical basis for biogeochemical cycling of As adsorbed on nano particles.

应用纳米材料治理水体砷污染是当前国际环境领域研究的前沿热点，但纳米颗粒表面吸附态砷在自然环境中的行为尚不明确。微生物作为调控砷地球化学循环的主要驱动力，需要在分子机制上明确其对纳米颗粒表面吸附态砷在实际水—土界面的氧化还原转化及脱附释放的调控机理。本项目以纳米二氧化钛表面吸附态砷为研究对象，以硫酸盐还原菌为调控因素，利用红外光谱原位在线技术及同步辐射技术相结合的方法，研究硫酸盐还原菌调控纳米颗粒表面吸附态砷氧化还原的过程及机制，考察砷的氧化还原转化、脱附释放的主控因素及关键过程，探讨吸附态砷在实际土壤环境中的迁移过程，从而阐明硫酸盐还原菌在吸附态砷氧化还原转化及脱附释放过程中的作用及在分子水平上的调控机制。预期在基于微生物诱导的纳米颗粒表面吸附态砷在实际水—土环境中的还原脱附分子机制理论研究方面取得一定进展，为阐明纳米颗粒表面吸附态砷在自然环境中的环境化学行为提供理论基础及科学依据。

应用纳米材料治理水体砷污染是当前国际环境领域研究的前沿热点，但纳米颗粒表面吸附态砷在自然环境中的行为尚不明确。本课题研究了厌氧硫酸盐还原菌调控纳米二氧化钛表面吸附态砷在水—土界面的机制过程。通过红外光谱在线流动槽技术和静态培养试验，将吸附态砷的还原及脱附过程进行了解构，研究了纳米颗粒表面吸附态砷的价态和脱附变化。揭示了硫酸盐还原菌引起的吸附态砷的还原主要受硫酸根还原过程控制，砷的还原发生在TiO2固体表面，并且硫酸盐还原菌表面的磷酸根在TiO2表面形成P-O-Ti内层络合物。研究了环境竞争离子磷酸根及硫酸根对砷在纳米TiO2表面吸附‒脱附行为的影响。磷酸根及硫酸根显著影响五价砷在纳米TiO2表面的脱附行为，并且溶液pH对砷的脱附影响明显。同时，探讨了纳米粒子表面吸附态砷在土壤中的迁移行为。硫酸盐还原菌引起了溶解态砷浓度降低，促进了颗粒态砷的迁移。通过同步辐射技术（XRF和XANES）分析，土壤中的铁矿物发生氧化还原变化，生成铁的次生矿物，这些次生矿物对砷进行了再吸附，从而引起了颗粒态砷的迁移。此外，研究了我国沿海湿地及水体砷污染特征及来源，结合Langmuir和Freundlich吸附模型探讨了砷在湿地土壤中的吸附及迁移行为。本课题阐明了硫酸盐还原菌在吸附态砷氧化还原转化及脱附释放过程中的作用及在分子水平上的调控机制，为纳米颗粒表面吸附态砷在自然环境中的环境化学行为提供理论基础及科学依据。