沉积物有机磷地球化学与铁矿物转化的耦合机制

This project is contrapose the bottleneck of research on the release mechanism of endogenous organophosphorus in water around the world. Firstly, a set of scientific and effective sequential extraction procedure for organic phosphorus in sediments will be developed. Then, through taking the electrochemical method as a platform combined with the mineral characterization technique, the reaction process and mechanism between iron minerals with different crystalline form and organic phosphorus, the regulation of related environmental factors (pH, temperature, ion, etc.) on the electrochemical degradation of organic phosphorus catalyzed by iron minerals, as well as the interaction process and coupling mechanism between microbial redox transformation of iron minerals and environmental geochemical behavior of organic phosphorus in sediment would be investigated. All the research results could help to further understand the relationship between organic phosphorus load and iron mineral composition, revealing the biogeochemical cycle process of organic phosphorus and the release mechanism of endogenous organic phosphorus in the sediments, which are providing important scientific basis for water resources protection and lake water quality security control.

针对国内外对水体内源有机磷释放机制研究的薄弱环节，本项目通过改进传统的沉积物有机磷提取方法，以不同湖泊沉积物为实验材料，研究沉积物中有机磷相的空间分布及其与其它磷组分的关系，发展一套科学有效的沉积物中有机磷分级提取及定量检测的方法体系；在此基础上，以电化学方法为平台结合矿物表征技术定量研究不同晶形铁矿物与沉积物有机磷的反应过程与机理、铁矿物与有机磷的界面反应及形态结构表征、相关环境因素（pH、温度、伴随离子等）对铁矿物电化学催化降解有机磷反应的调控、以及铁矿物的微生物氧化还原转化对沉积物有机磷环境地球化学行为的动态相互作用过程与耦合机制。研究结果有助于深入了解沉积物有机磷负荷与铁矿物组成的关系，揭示沉积物中有机磷的生物地球化学循环过程和内源有机磷释放机理，为水资源保护和湖泊水质安全控制提供重要的科学依据。

本项目系统研究了铁矿物的氧化还原转化与沉积物有机磷环境地球化学行为的动态相互作用过程与耦合机制。首先，通过对武汉东湖自然沉积物中有机磷含量与亚铁含量之间的相关性分析，发现在以有机质降解为驱动力的早期成岩过程中，三价铁逐渐被还原为亚铁，同时伴随着有机磷含量的降低，揭示沉积物中铁的微生物还原会促进有机磷的降解转化。另外，开展了利用一种新型改良芬顿技术高效降解转化植酸的相关工作，该技术的植酸降解转化率能高达80%以上，并发现亚铁与植酸的预络合是提高植酸去磷酸化的关键因子：植酸络合态的亚铁在反应开始阶段能缓慢释放Fe2+, 减缓H2O2的消耗；植酸及其去磷酸化的中间产物会与Fe3+ 络合，形成可溶性的络合物，抑制Fe（III）氢（氧）化物沉淀生成, 促进Fe(III)的还原生成Fe(II)，从而增加羟基自由基的生成。此外，建立原位模拟系统“DIRB+铁矿物+PA”开展了异化铁还原对植酸有机磷降解转化作用的相关研究，发现在正磷酸盐严重缺乏的培养体系中异化铁还原微生物才会转化利用植酸释放PO43-来维持铁还原微生物的正常的生长代谢，并且确定了铁还原微生物生长所需PO43-的阈值, 对转化过程中的铁矿物形态进行了表征，发现生成了蓝铁矿，并利用液相31P-NMR对植酸降解的中间产物进行了鉴定，据此推断了铁异化还原过程中植酸降解转化的路径，主要以去磷酸化为主。