菌株-锰矿渣复合体活化硅和钝化重金属协同作用机理研究

Silicate strains can activate silicon in silicon-containing minerals, thus passivating heavy metals and inhibiting plant uptake of heavy metals. Utilizing silicate strains to activate silicon in silicon-bearing mining and metallurgy slag can not only solve the problem of heavy metal pollution, but also reduce tailings and repair heavy metal contaminated soil at the same time. Manganese slag is an important source of silicon and utilization of the slag is an urgent environmental protection problem. This project plans to use microbial fermentation technology to screen out highly efficient decomposition of silicate mineral strains by using manganese slag as raw material, to explore the silicon activation efficiency with single and mixed silicate strains, and to determine the optimal mixed bacteria and conditions for activating silicon process. The project also discusses the effect of strain-mineral complex on the remediation of heavy metal contaminated soils, analyzes the migration of silicon and the occurrence of heavy metals in the strain-mineral assemblages, and clarifies the synergistic passivation mechanism of heavy metals in contaminated soil. It provides new ideas for the resource utilization and reduction of silicon-bearing mining and metallurgy wastes, and also provide theoretical and technical support for the remediation of heavy metal contaminated soil.

硅酸盐菌株能活化含硅矿物中的硅，从而钝化重金属、抑制植物对重金属的吸收。利用硅酸盐菌株将含硅矿冶废渣中的硅活化，不仅解决重金属污染问题，实现废渣的减量化，还可以用于修复重金属污染土壤。锰矿渣是一种重要的硅源，对其资源化利用和减量化处理是亟待解决的环保难题。以锰矿渣为原料，采用微生物发酵技术，筛选出高效分解浸出硅酸盐矿物菌株，探索单一和混合硅酸盐菌株硅活化效率，确定优化的混合菌种及硅活化工艺参数；利用菌株与锰矿渣的作用特征以及界面表征手段，建立菌株与矿物表面作用的电化学模型，探索菌株活化硅、菌株钝化重金属和活化硅钝化重金属的作用机制；探讨菌株-矿物复合体对重金属污染土壤的修复效能，解析菌株-矿物复合体中硅元素的浸出和重金属赋存形态变化，揭示其对污染土壤中重金属的协同钝化作用机理，为硅酸盐类矿冶废弃物资源化利用和减量化处理提供新的思路，同时也为重金属污染土壤的修复提供理论和技术支撑。

硅是植物生长的重要元素，在植物生长过程中起着重要的机械和物理屏障作用，特别是在胁迫条件下。而电解锰渣是一种硅含量较高的工业固体废弃物，但大部分硅存在于水溶性极低的硅酸盐矿物中，即非活性硅，不能被植物直接吸收和利用，对其资源化利用和减量化处理是亟待解决的环保难题。因此，开发一种高效、环保的电解锰渣硅活化工艺对于固体废物的再利用和环境的可持续性都非常重要。本项目以锰矿渣为原料，采用微生物发酵技术，筛选出高效分解浸出硅酸盐矿物菌株，探索单一和混合硅酸盐菌株硅活化效率，确定优化的混合菌种及硅活化工艺参数，探究了生物浸出过程中重金属理化性质的变化，在生物浸出过程进行至一定阶段时，溶液中重金属的含量具有降低的趋势；对电解锰渣中硅活化机理分析结果，接触/非接触模式下浸出液中有效硅含量的研究，表明硅酸盐矿物的溶解不仅与细菌代谢产物有关，而且与硅酸盐细菌对矿物表面的作用有关，硅酸盐细菌对不同硅酸盐矿物浸硅效果表明，硅酸盐细菌对于不同硅酸盐矿物的浸矿效果是有明显差异的：层状硅酸盐矿物 > 岛状硅酸盐矿物 > 链状硅酸盐矿物 > 架状硅酸盐矿物，而硅酸盐细菌对电解锰渣中硅活化的机理是微生物自身及其代谢物的联合作用，包括硅酸盐细菌在矿物表面的附着生长对矿物的分解作用，以及代谢物的酸溶及络合作用等；电解锰渣中重金属稳定化机理分析结果表明，电解锰渣中重金属稳定化机理包括有效硅对重金属作用及硅酸盐细菌对重金属稳定化作用两方面，有效硅含量较高的生物浸出体系更有利于结合金属形成稳定的析出物造成溶液中游离的重金属类物质含量有所降低。同时，硅酸盐细菌产生的有机酸、氨基酸、多糖等物质会通过配位、络合作用等反应来促进电解锰渣中重金属的稳定化。本研究利用了硅酸盐菌株能活化含硅矿物中的硅，从而钝化重金属、抑制植物对重金属的吸收的特点，将含硅矿冶废渣中的硅活化，不仅解决重金属污染问题，实现废渣的减量化，还可以用于修复重金属污染土壤。