负载微生物的改性纳米材料与重金属铜在包气带中迁移转化机理研究

Heavy metal copper ions (II) pollution is one of the most crucial environmental problems today. Vadose zone is the media for copper ions (II) to pollute soil and aquifer, but in the same time is the natural barrier to prevent heavy metal copper ions (II) from transferring into groundwater. Methods for removing heavy metal copper ions (II) from porous media mainly consist of physical, chemical and biological technologies. Conventional methods for removing heavy metal copper ions (II) from porous media of vadose zone are costly, and generate large quantity of secondary waste difficult to treat. In recent years, applying nanoparticles to control and remove heavy metal pollution has gained broad attention due to its excellent surface properties. However, there have been limited studies for nanoparticles bioavailability, potential ecotoxicity and their transfer regulation in vadose porous media. The objectives of this study are to 1) synthesize ferroferric oxide nanomaterials covered with organic solvent and biofilms; 2) characterize the physical, chemical and biological interact reactions among synthesized nano materials, copper ions (II) and porous media in vadose zone; 3) analyze the mechanism of the synthesized nano materials and copper ions (II) transfer and conversion in porous media of vadose; and 4) evaluate their transport and reaction in vadose zone. This study will establish a guideline for evaluating the transfer and reaction of heavy metal and synthesized nano materials in vadose zone, and determine their potential application in nanomaterial reparation polluted soil and aquifer, as well nanomaterials ecotoxicity reduction.

重金属铜污染是水土污染修复工程关注的热点问题。包气带既是铜环境污染行为的重要媒介，亦是保护地下水不被污染的天然屏障。已有包气带铜污染治理方法因各种问题以致应用受限。近年来，纳米颗粒以其良好的物理化学性能和优异的表面特性已被应用于污染治理和修复领域，但其环境安全性、生物可利用性及其在包气带的行为规律尚鲜为人知。为此，项目拟研制一种高效、环保的负载耐铜菌的改性四氧化三铁磁性纳米材料，揭示该纳米材料－铜-包气带孔隙介质的物理/化学/生物界面反应机制；探究负载耐铜菌的改性四氧化三铁磁纳米材料与铜在包气带中的迁移转化机理；进而定量评价其在包气带中的行为规律。研究成果，将建立评价功能性纳米材料对重金属土壤污染修复行为的理论与方法，为包气带及含水层重金属污染的纳米修复技术，及工程纳米材料的环境安全转化提供科学依据。

重金属Cu2+污染是水土污染修复工程关注的热点问题。包气带既是Cu2+环境污染行为的重要媒介，亦是保护地下水不被污染的天然屏障。已有包气带Cu2+污染治理方法因各种问题以致应用受限。近年来，纳米颗粒以其良好的物理化学性能和优异的表面特性已被应用于污染治理和修复领域，但其环境安全性、生物可利用性及其在包气带的行为规律尚鲜为人知。项目研制出一种高效、环保的负载耐铜菌的改性Fe3O4磁性纳米材料，揭示该纳米材料－Cu2+-包气带孔隙介质的物理/化学/生物界面反应机制；探究负载耐铜菌的改性Fe3O4磁纳米材料与Cu2+在包气带中的迁移转化机理；进而定量评价其在包气带中的行为规律。结果表明，负载生物膜的Fe3O4@CS -石英砂对Cu2+的吸附既是简单的单分子层吸附过程，还包括多分子层不均匀的吸附过程，且生物膜起主导作用。包气带条件下，粗、中、细砂三种介质中Cu2+ / 负载生物膜的Fe3O4@CS共迁移，当流速增加，注入液中pH降低、IS、腐殖酸浓度升高时，包气带多孔介质对于Cu2+的吸附能力下降， Cu2+的出流浓度增加。各环境因素对Cu2+/负载生物膜Fe3O4@CS共迁移规律的影响，由小到大为：粗砂<中砂<细砂。非平衡两点吸附（TSM）模型，结合Hydrus-1D软件，很好地模拟了Cu2+协同负载生物膜Fe3O4@CS在石英砂中的共迁移规律。模型反演获得的参数表明，Cu2+协同负载生物膜Fe3O4@CS在石英砂中共迁移时，由于部分负载生物膜Fe3O4@CS沉积在介质表面，导致介质对于Cu2+具有更大的吸附能力。Cu2+协同负载生物膜Fe3O4@CS在石英砂中共迁移的过程中，发生的吸附反应受速率限制较大。吸附点位差异导致的非平衡作用是主导Cu2+迁移的主要因素。模型预测结果说明，随着埋深增加，流出液中Cu2+相对浓度降低且幅度较大，出流时间相对滞后，且在埋深80 cm处未见Cu2+出流。项目的研究成果为包气带重金属污染的纳米修复技术，及工程纳米材料的环境安全转化提供科学依据。