有机药物在锰矿物表面受激催化降解方法及相关机理

Pharmaceuticals released into environment during human domestic and industrial activities have been recognized as the most important "emerging" micro-contaminants and become a global environmental concern, which may cause long-term potential threat on human being and aquatic species. The conventional biological sewage treatment cannot efficiently eliminate most of the pharmaceuticals. After feasibility pre-study on the synergistic combination of physicochemical and biological reactions at the surface of manganese mineral, a hypothesis that the oxidation of organic pharmaceuticals can be sustainably catalyzed at the manganese mineral surface coupled with the specific inter-phase effect and microbial manganese redox cycle is established. Several sub-experiments, e.g. adsorption experiment, pharmaceutical degradation coupled with manganese dissimilatory reduction, catalyzed oxidation with the presence of oxygen at mineral surface, and a pilot experiment with connecting anaerobic and aerobic reactors in series will be implemented in accordance with the hypothesis. In this research, the performances of the studied reactors under different operation conditions will be compared; the mineral inter-phase physicochemical characteristics as well as the mass balance of manganese during the reaction processes will be studied; variations and metabolisms of the selected pharmaceuticals will be determined. The mechanisms of catalyzed degradation of pharmaceuticals at the surface of manganese mineral as well as the electron transfer mechanisms will be discovered hopefully with the help of international advanced analysis technologies after the proposed experiment study, which will make great contribution to the advanced treatment of pharmaceutical-containing water with a new pathway and theory.

人们在日常生活中排泄的有机药物是最重要的一类新兴微污染物，正对人类和水生生物的健康产生长期的潜在威胁，成为全球性的重大环境问题。常规的污水生物处理方法并不能有效降解大部分的有机药物。本项目在分析了锰矿物物理化学作用与微生物作用相协同，大幅提升有机药物降解速率可行性的基础上，初步提出了基于锰矿物相界面效应和微生物作用下锰化学价态循环的有机药物持续催化降解方法假设；并以此假设为指导，开展卡巴咪嗪和双氯芬两种难生物降解有机药物在软锰矿表面的吸附试验、厌氧锰还原菌作用下的降解试验、有氧条件下的受激氧化试验、厌氧-有氧反应器串联试验等研究工作；通过不同控制条件下的反应效果对比、反应过程中锰矿物表面物理化学形态变化分析、锰化学价态转化及物料衡算，以及有机药物及其产物分析，探索有机药物在锰矿物表面的受激催化降解机制和电子转移规律，为有机药物废水深度处理提供新的方法和理论指导。

人们在日常生活中排泄的有机药物是最重要的一类新兴微污染物，对人类和水生生物的产生长期的潜在威胁，成为全球性的重大环境问题。以锰矿物物理化学作用与微生物作用相协同，大幅提升有机药物去除率为目标，开展了厌氧异化金属还原菌与锰矿物协同降解有机药物，有氧条件下有机药物在锰矿物表面的受激氧化，铁、锰矿物垂直流人工湿地处理（carbamazepine，CBZ）和双氯芬酸（diclofenac，DCF），Mn(III)在锰氧化物氧化有机药物过程中作用等研究工作；通过不同条件下的反应效果对比、锰化学价态转化及物料衡算，以及有机药物及其产物分析，探索有机药物在锰矿物表面的受激催化降解机制，为有机药物废水深度处理提供新的方法和理论指导。项目通过研究，取得如下突出的研究进展和创新性的学术业绩：. ①在厌氧条件下，开展了铁锰氧化物和天然锰矿与自然接种异化金属还原菌协同作用对CBZ和DCF两种难降解有机药物降解实验。研究发现锰氧化物的不同晶型对有机物的降解影响很大，δ-MnO2与从淡水沉积物中富集的异化金属还原菌相协同能有效降解两种有机药物，通过LC-MS分析代谢产物，得出DCF在锰矿物表面的降解途径。. ②在有氧条件下，以石英砂和磁铁矿为填料构建两组锰生物氧化反应器，通过接种好氧污泥筛选出自养型锰氧化菌，实现Mn(II)的快速氧化，纯化得到2种好氧锰氧化菌。开展了不同晶型的锰氧化物对CBZ的降解实验，实验结果表明在有氧条件下，δ-MnO2与胶体MnO2在低pH条件下能有效氧化降解CBZ。对分析了CBZ在δ-MnO2与胶体MnO2表面的代谢途径，两者的代谢产物并不一致。. ③首次提出基于锰化学价态循环的有机药物催化降解反应系统，利用湿地植物能够通过根系向水中泌氧，自然形成湿地底部的厌氧区和顶部的好氧区，构建了基于锰化学价态循环的锰矿物垂直流人工湿地，完成了其对卡马西平和双氯芬酸降解效果研究，分析了CBZ和DCF在湿地中代谢途径和降解机理。. ④开展了Mn(III)参与有机药物氧化的作用机理研究，通过捕获反应中间体Mn(III)，说明Mn(III)是Mn化学循环过程过程中的核心中间体。初步研究表明Mn(III)是δ-MnO2氧化难降解有机物的根本原因。. 项目研究结果和新发现可能会对锰化学循环及其参与有机物转变过程的理论产生重要影响。