生物硫铁复合材料处理重金属污染事故的应用基础研究

In recent years, heavy metal pollution incidents occurred frequently, which have caused serious water pollution. How to dispose these pollution incidents quickly and remedy the polluted environment efficiently has become extremely urgent. In the past years, funded by Youth Science Foundation, we discovered the mechanism of biological iron sulfide composites in treating heavy metal wastewater efficiently. Based on this works, and referenced the progress in bioavailability of heavy metal geochemical form, the biological iron sulfide composites will be used to treat and remedy a simulated aquatic ecosystem polluted by heavy metal. The changes of geochemical form and vertical distribution of the heavy metal will be monitored, and the biotoxicity of different geochemical form will be tested. At the same time, the vertical distribution, enzymatic activity, negative aerotaxis and biosorption of sulfate reducing bacteria will be also observed in order to find the treatment and remediation mechanisms of the biological iron sulfide composites. Then the key factors affecting the treatment effect will be studied, the treating process also be optimized. Finally, an efficient treating technologies for heavy metal pollution incidents by biological iron sulfide composites will be found.

近年来，重金属污染事故频发，引起严重的水体污染，如何快速处理、高效修复已成为迫切需要解决的难题。在青年基金的研究中，探明了生物硫铁快速处理重金属的机制，而且处理重金属废水效果好、速度快。在此基础上，借鉴重金属地球化学形态生物有效性的最新成果，拟通过构建水生生态模拟系统，模拟重金属污染事故，开展生物硫铁复合材料的应急处理研究。主要研究处理后重金属地球化学形态的转变及在底泥中的垂直分布，并以生物体对重金属毒性的响应进行效果验证；同时检测系统中活性硫酸盐还原菌的垂直分布、酶活，考察其负趋氧性和重金属吸附特性，据此弄清生物硫铁处理与修复重金属污染机制。在此基础上，进一步研究影响处理效果的关键因素，优化处理工艺，最终获得高效的重金属污染事故处理技术。

针对重金属污染事故引起严重的环境污染及生物硫铁复合材料在重金属污染治理中的潜力，系统研究了生物硫铁对受重金属污染的动植物的保护作用，研究了其处理机制及影响因素。主要研究结果如下：1、生物硫铁能有效提高重金属（铜、铅、镉、六价铬）污染水体中斑马鱼、鲫鱼存活率，对体内SOD、CAT酶活等有明显的恢复作用，降低体内组织中重金属的蓄积，其中鱼鳃铜排出率可达86.26%；能有效提高镉污染水稻的发芽率，促进生根，最高发芽率可达到95.8%，且可降低水稻稻米中的镉蓄积，较未添加生物硫铁的稻米中镉含量降低了46%。2、生物硫铁通过表层纳米硫铁化合物对重金属实现硫化物沉淀、还原及活性硫酸盐还原菌胞外聚合物吸附等方式，快速降低污染水体上覆水中重金属浓度，降低重金属对水生动物的毒性影响；通过形成金属硫化物促进重金属地球化学形态从酸可溶态向铁锰氧化态转化，降低污染水体底泥中重金属的生物有效性；同时通过硫酸盐还原菌厌氧特性实现深层迁移，降低对底泥表层水生动植物的毒性影响。3、构建了适合环境混合样品中硫酸盐还原菌检测的dsrB网络数据库，建立了混合污泥中硫酸盐还原菌菌群分析及定量检测方法。4、曝气、水体扰动等因素会增加水体溶解氧，影响生物硫铁中硫酸盐还原菌活性，不利于生物硫铁的应急处理与修复重金属污染；pH在6-9范围内均有较好的处理效果；在污染水稻田中，适当添加硫酸盐还原菌碳氮源有助于提高菌的活性，保持土壤的还原力，降低重金属生物有效性。5、生物硫铁与氢氧化钠、硫化钠、硫酸盐还原菌、硫化亚铁等材料相比，在重金属污染事故应急处理与修复中，效果最为明显。. 综上，通过项目的研究，从重金属污染事故应急处理与修复效果及机理机制等方面系统的展现了生物硫铁复合材料的优异性能，为重金属污染事故的处理提供一种良好的处理材料及技术，应用前景良好。