生物氧化锰与砷交互作用的动态过程及机制

锰是地壳中重要的变价元素，决定着多种元素在环境中的归趋。以锰氧化物形成转化及环境行为为核心的环境化学和生物学过程是土壤微界面复杂反应过程的代表，综合反映了微生物调控的锰氧化物对重金属环境行为的影响。氧化锰矿物、包括生物氧化锰与Pb、Cd、Zn等重金属的交互作用已有较多研究，而基于锰氧化细菌合成的生物氧化锰与变价污染元素As作用的研究还很少开展。本研究针对水环境下生物氧化锰对As氧化及吸附的动力学过程，分析不同反应阶段体系中不同形态As浓度的动态变化及其与生成的生物氧化锰的吸附解吸过程，借助拉曼光谱、同步辐射等仪器分析技术，考察微生物作用下Mn-As氧化吸附的耦合过程及其影响因素。在此基础上，采用模拟土壤溶液为研究体系，探索土壤胶体/水界面环境下锰氧化物对As的氧化作用机制。研究结果有助于揭示生物氧化锰对As这一变价污染元素在土壤微界面中环境行为的影响，为环境污染控制提供科学技术依据。

本研究自主获得的锰氧化菌(WH4 and GY16)对砷具有更好的耐受性(与成熟的商业化锰氧化菌株MnB1相比)，具有更好的砷污染修复潜力。pH，Mn2+浓度等因素对锰氧化菌的氧化能力有较大影响，特别是菌株之间具有较明显的差别，表明不同的菌株可应用于不同的修复环境。生物氧化锰(由WH4以及GY16合成)均能够大量吸附As(V)，而化学氧化锰(水羟锰矿)几乎不吸附As(V)。此外，生物氧化锰对As(III)的氧化速率慢于化学氧化锰，这是由于生物氧化锰先吸附As(III)，然后将其氧化，同时产生的As(V)会很快与生物氧化锰结合，从而降低其对As(III)的氧化效率，造成体系中As(III)/As(V)的并存。化学氧化锰则是快速氧化几乎全部As(III)，体系中全部为游离态As(V)，没有被氧化锰吸附。