微生物介导铁矿物转化修复高砷地下水的机理研究

For the removal of arsenic from groundwater, this project proposes a novel microbe/iron mineral system. Fe(II) is oxidized to Fe(III) by microbe and As(III) is synchronously oxidized to As(V) under the function of microorganism. Active Fe(III) as an intermediate phase generate biogenic secondary mineral involved the interaction of Fe(II) and microorganism, then arsenic is immobilized by adsorption/coprecipitation of freshly formed secondary mineral.The mineral transformation by catalytic oxidation of microorganism enhance in situ arsenic remediation. The main contents to be investigated include: ① the kinetics and mechanism of As(III) direct and indirect oxidation by microorganism-iron mineral system; ② the effect and mechanism of high arsenic groundwater remediation by microbe/iron mineral under various reaction parameters and groundwater chemistry; ③ the growth mechanism of biogenic secondary minerals; and ④ mechanisms of arsenic removal by biologically mediated mineral transformation and the process to improve the effectiveness of arsenic remediation. This study considering the actual interactions among groundwater-rock-microorganism, it has potential application for in situ remediation of high As-contaminated groundwater.

本研究针对高砷地下水，提出了一种新型的微生物-铁矿物体系。微生物氧化Fe(II)为Fe(III)，同步氧化As(III)为As(V)，活性Fe(III)作为中间态铁相与Fe(II)在微生物作用下，生成生物成因的次生矿物，砷被吸附/共沉淀到新生的次生矿物上而被固定。这种微生物催化氧化作用下的矿物转化，可以提高砷的修复效果。主要研究内容包括：① As(III)被微生物-铁矿物体系直接和间接氧化的动力学过程和机理；② 不同反应条件和地下水组成对微生物-铁矿物体系修复高砷地下水的影响和机理；③ 生物成因的次生矿物的生长过程；④ 微生物介导的矿物转化过程除砷机理，该过程提高砷修复效果的机制。本研究结合地下水-岩-微生物之间的实际相互作用，对原位修复高砷地下水具有潜在的应用前景。

越来越多的研究表明，在自然水体和土壤中，微生物参与As(V)和As(III)之间氧化还原转化过程中起着关键作用，而且微生物催化作用远大于非微生物。因此，进一步深入研究有望在高砷地下水的微生物铁还原和砷的氧化还原方面展开。. 本研究通过对Shewanella oneidensis MR-1铁还原菌对铁的还原和砷的同步氧化，通过在反应体系中设置不同的添加顺序添加As(III)和Fe(III)及铁还原菌进行培养，探讨铁还原菌对Fe(III)的还原及耦合As(III)氧化转化之间的关系，研究了微生物-铁矿物-砷的界面化学反应过程，为高砷地下水污染的防治提供科学依据。. 结果表明，Fe(III)被还原为Fe(II)的同时伴随着As(III)氧化为As(V)，微生物介导的铁矿物转化提高了地下水的砷修复效率。Shewanella oneidensis MR-1铁还原菌在含低浓度As(III)培养基上生长良好，在高浓度培养基上生长被抑制；As(III)通过制约菌体的生长与活性来抑制Fe(III)异化还原。同样，适量浓度的Fe(III)含量对As(III)氧化转化有很强的促进作用，但是过高浓度的Fe(III)浓度使得溶液中产生过多的Fe(II)，从而对As(III)氧化转化有一定程度的抑制作用。此外，弱碱环境更有利于As(III)氧化转化。