磷回收过程中盐度和微生物对鸟粪石矿化影响的研究

In this proposal, a combination of mineral synthesis, microbial in situ mineralization and biomimetic mineralization will be adopted to investigate the key environmental mineralogical problems involved in struvite crystallization with the help of seawater and microbe. In the inorganic system, the influence of salinity including foreign ions on nucleation, growth and morphogenesis of struvite will be systematically studied to clarify the mineralization mechanism of struvite in the presence of foreign ions, and thus synthesize nanoscale struvite by controlling salinity and other physicochemical parameters. In the microbial system, effect of microbic metabolites on struvite morphogenesis will be investigated to reveal the molecular mechanisms of microbially mediated struvite morphogenesis. Furthermore, the typical facultative anaerobes will be used to mineralize struvite under anaerobic and aerobic conditions to understand the mechanism and efficiency of anaerobic struvite mineralization. On this basis, the combined effects of microbe and salinity on the nucleation, growth and morphogenesis of struvite will be investigated, and thus revealing the microbial mineralization mechanism of struvite under hypersalinity conditions. The obtained results can not only deepen the insight into inorganic mineralization and microbial mineralization of struvite, enrich and develop environmental mineralogy, but also provide guidance for the development of new struvite recovery route and effective recycling reuse of the non-renewable resource in experimental mineralogy.

本项目拟采用矿物合成、微生物矿化和仿生矿化相结合的实验方法，试图研究海水和微生物参与鸟粪石结晶过程中关键的环境矿物学问题。在无机体系中，系统研究盐度包括外来离子等对鸟粪石成核、生长和形貌形成的影响，了解盐度及外来离子影响鸟粪石形成的机制，进而通过调控盐度等物理化学参数，控制合成纳米鸟粪石。在微生物体系中，研究微生物代谢组分对鸟粪石形貌的影响，揭示微生物调控鸟粪石形貌的分子机制；研究典型兼性厌氧微生物在厌氧和好氧条件下对鸟粪石矿化的影响，了解厌氧条件下微生物矿化鸟粪石的能力和机制。在此基础上，研究以海水为镁源微生物矿化鸟粪石过程中盐度与微生物复合作用对鸟粪石成核、生长和形貌的影响，揭示高盐度条件下微生物矿化鸟粪石机制。成果的取得，不仅加深对鸟粪石无机矿化和微生物矿化机制的理解，丰富和发展环境矿物学，而且为发展鸟粪石回收新工艺和提高不可再生资源的循环利用提供实验矿物学上的指导。

鸟粪石(struvite, MgNH4PO4·6H2O)是一种正交晶系的磷酸盐矿物，已经被发现存在于海鸟粪沉积物、沼泽、玄武岩洞穴和富含有机质的沉积等特殊环境中。近年来，鸟粪石受到日益广泛的关注。一方面，鸟粪石是污水处理系统中的一种常见水垢；另一方面，鸟粪石含有氮磷等营养元素，可作为一种理想的缓释肥。因此，从污水中去除和回收氮磷作为鸟粪石，能够缓解磷资源稀缺的危机，平衡资源利用与可持续发展，已成为污水处理和环境矿物学领域的研究热点。其中，细菌矿化鸟粪石是最有效的途径，但涉及的许多矿物学问题如细菌诱导鸟粪石形貌形成机制，额外添加的镁源等对生物矿化鸟粪石的影响等尚未系统研究。本项目通过构建细菌原位矿化和仿生矿化体系，在模拟废水的条件下，系统研究了不同微生物矿化鸟粪石的作用过程，揭示了矿化作用机制。实验结果显示模型微生物希瓦氏奥奈达MR-1不仅能够矿化鸟粪石，而且诱导鸟粪石独特形貌的形成，进一步仿生矿化研究揭示，细菌代谢产生的低分子量多肽发挥了重要作用。在此基础上，以廉价的MgO作为镁源，系统研究了MgO对希瓦氏奥奈达菌株MR-1矿化鸟粪石的影响。结果显示该菌株能够促进MgO的溶解，并能够把有机氮磷转变为鸟粪石，实现镁资源的高效利用。同时，系统研究了盐度对海洋嗜盐放线菌微杆菌属H207矿化鸟粪石的影响，结果发现菌株H207在海水盐度范围内都有着好的矿化鸟粪石的能力，并且这样的盐度水平几乎不影响该微生物对氮磷的去除和回收。此外，系统研究了NaCl浓度和pH对鸟粪石结晶形貌和尺寸的调控作用，成功的制备了高纯度、形貌均一的鸟粪石纳米线，为实现鸟粪石肥料的高效利用提供了可行性。系列成果不仅扩大和加深了对生物鸟粪石成因机制的了解，而且能够为实现高效、低成本的废水中氮磷去除和鸟粪石的回收提供实验矿物学指导。