异化金属还原菌溶矿作用对重金属解吸运移的湿地原位研究

湿地土壤中无定形态的铁（氢）氧化物具有较大的比表面积与阳离子吸附能力，是影响重金属吸附与迁移的重要因子。湿地异化金属还原菌通过对铁（氢）氧化物生物还原作用改变铁（氢）氧化物的表面形态，对重金属的吸附、解吸与迁移产生重要影响。本项目通过厌氧培养试验，定量研究生物还原作用下铁（氢）氧化物的溶解动力学，以及重金属解吸迁移的动力学。在此基础之上，通过土柱试验模拟湿地环境，研究湿地植物生长、矿物组成、水分等多重因子对铁（氢）氧化物生物还原与对重金属运移的影响。通过研发高效微量湿地原位被动平衡采样器，本研究将率先实现对野外湿地环境生物还原作用的原位监测，有望揭示人工湿地环境异化金属还原菌种群动态变化规律，以及影响其生物还原活性的湿地生物地球化学因子，从而为设计构建高效率具有重金属污染控制功能的人工湿地提供重要的理论指导。

目前，有关异化金属还原菌在湿地生态体系中活动规律以及对重金属解吸运移的作用机制缺乏深入研究。本项目通过模拟湿地环境，研究生物还原作用下铁（氢）氧化物溶解与重金属解吸动力学特征，在此基础上，通过湿地土柱与人工湿地野外原位试验，阐明湿地植物生长、土壤pH及矿物组成等多重因子对铁（氢）氧化物生物还原与重金属解吸运移的影响。结果表明：1）在厌氧湿地环境中，不同类型合成铁矿物和南方红壤中生物铁还原过程影响铜等重金属的形态转化与分布。铜吸附/共沉淀型无定形铁矿物、以及有机质含量较高的土壤中，微生物铁还原明显促进可溶态铜的固定和形态转化，形态分级提取结果显示土壤中有机质/硫化物结合态铜含量明显增加。在短期空气暴露后，土壤中可溶态铜浓度回升，主要源于有机质/硫化物结合态铜的减少。湿地环境中的电子供体种类、竞争离子浓度以及电解质水平均会影响异化金属还原菌在微生物群落中的分布及其生物还原作用，促使铁锰铜在土壤矿物相中呈现不同的形态再分布过程。2）湿地土柱中红壤对重金属的吸附-解吸受pH因子显著影响，在外加碳源驱动的微生物活动影响下铜等重金属离子在短暂释放后仍将迅速被土壤吸附固持。3）野外人工湿地小区原位监测数据表明，湿地土壤pH水平与植株生长均会影响铁锰还原作用，但铜锌等重金属并不会大量释放到间隙水中，异化金属还原菌溶矿作用最终促使重金属在土壤-矿物相间再分布。本项目研究结果深化了对湿地环境中异化金属还原作用的认知，揭示了重金属离子在生物还原作用下的解吸运移转化机制，从而为在南方矿区设计与构建高效控制重金属污染的人工湿地提供重要的科学依据。