异化金属还原菌修复地下水低渗透区Cr(VI)污染过程中纳米线形成与作用机制研究

Heavy metal deposited in clay and rock matrix at low permeability zones can penetrate to groundwater in high permeability zones continuously, causing long-lasting heavy metal pollution in groundwater. Due to the special physiochemical properties of the low permeability zones, traditional remediation techniques cannot achieve satisfying pollution control. Therefore, developing specific technology for remediating pollution in low permeability zones is one of the cutting-edge areas, as well as the most challenging topic in groundwater pollution control. In this study, for the first time, dissimilatory metal reduction bacteria (DMRB) with nanowire was employed to block chromium (Cr(VI)) back-diffusion from low permeability zones to the interface of the low and the high permeability zones. Basing on our preliminary work, the formation pathway of nano wire was further explored; an integrated model combining Cr(VI) transportation from the low permeability zone to the interface and DMRB’s growth-decay process was built; the biochemical reactions among cells, nanowire, iron oxide, Cr(VI) were carefully investigated for formulating the mechanism (transformation and transportation) of Cr(VI) immobilization. Expected achievements from this project will not only provide feasible techniques for remediating pollution in low permeability zones in our country, but lay a solid theoretical foundation for this technique as well.

地下水低渗透区粘土、岩石基质中沉积的重金属污染物会持续向高渗透区域进行扩散，造成持久的地下水高渗透区域重金属污染。由于低渗透区特殊的理化性质，传统修复方法无法实现彻底的污染控制，因此，低渗透区的污染控制技术是当前地下水污染控制的难点，也是该领域研究的国际前沿。本研究开创性地采用生长有纳米线的异化金属还原菌作为技术手段阻断低渗透区铬反扩散至高渗透区过程，在前期研究基础上，深入探讨纳米线形成机理，构建Cr(VI)从低渗透区向高低渗透区交界面处迁移转化过程与异化金属还原菌生长-衰退过程的耦合模型，研究微生物、纳米线、铁矿物、Cr(VI)之间生物化学反应，阐明Cr(VI)迁移转化机理。预期成果将为我国地下水低渗透区重金属污染控制工作的开展奠定技术与理论基础。

本项目主要研究了异化金属还原菌对地下水中污染物的修复过程及胞外电子传递机制。首先，研究了异化金属还原六价铬的动力学研究及胞外胞内还原机制以及常见环境因子的影响；发现 Geobacter sulfurreducens PCA对Cr(VI)的去除主要受初始菌浓度影响，还原过程包括胞内胞外还原，Cr(VI)还原产物Cr(III)以不同形态分布于溶液中、胞外膜以及胞内。溶液中的三价铬几乎全部以有机-Cr(III)络合物的形式存在，附着于胞膜表面的还原产物主要以无机Cr(OH)3 的形成存在，有机-Cr(III)更稳定。其次，研究了异化金属还原菌还原水铁矿过程中的胞外电子传递机制以及在六价铬去除中的应用研究；结果表明，硅的存在能够促进水铁矿的生物和非生物还原过程，Fe(III)的一级还原速率从0.038 day-1 增至0.113 day-1，电子传递速率也从0.006s-1增至0.186s-1,提高了30多倍，说明电子传递速率是导致不同SiFh还原的限制因素。进一步构建原位修复低渗透区六价铬的装置并结合模型研究，结果表明，低渗透的六价铬在反扩散的过程中被异化金属还原菌 Geobacter sulfurreducens PCA原位还原并固定于高低渗透区界面，从而有效阻止了其继续反扩散至高渗透区造成二次污染，通过MODFLOW和RT3D软件能够很好的模拟实验数据；最后，研究了异化金属还原菌对水溶态二价铁与赤铁矿铁原子交换的影响，结果发现， 铁原子交换程度与比表面积成正相关，不同比表面积赤铁矿表层原子交换数不同，高浓度生物量的情况可能会抑制铁原子交换，其中表面电势的改变可能是重要的影响因素。综上，本项目深入研究了异化金属还原过程在地下水污染物中的机制及应用，从机理探讨到模型应用，为地下水中污染物控制提供理论基础和实践指导。