[00111612]纳米零价铁与铁还原菌耦合强化修复镉污染土壤的机理研究

本项目是2015年获批的国家自然科学基金项目,项目编号：31560164 土壤重金属污染是一个全球性的环境问题,铬污染农田土壤的修复也成为土壤环境化学研究的热点,纳米零价铁处理技术是近年来国际上新兴的一种污染修复技术。本项目以源于甘肃典型污灌区湿地土壤的一株铁还原菌Shewanell sacchrophila YL09为研究对象,利用批式实验系统研究了厌氧条件下NZVI+Shewanell sacchrophila YL09+Cr（VI）共存体中,NZVI和铁还原菌协同促进Cr（VI）还原为Cr（III）的反应机理,探讨了二价铁和三价铁在反应体系中的作用,揭示NZVI一铁还原菌复合体系的Cr（VI）还原转化途径,阐明NZVI与铁还原菌共还原转化Cr（VI）的互作机制,探讨污灌区湿地土壤中Fe（III）微生物还原过程与Cr（VI）还原过程的耦合关系,阐明土壤复杂条件下NZVI促进Cr（VI）还原的微生物-化学耦合机制. 为利用NZVI协同异化铁还原促进Cr（VI）污染土壤的生物治理提供科学依据。 本研究从甘肃省典型污灌区湿地土壤（酒泉市、张掖市、白银市、兰州市、靖远县、庆阳市）中分离到一株具有高效还原Cr（VI）为Cr（III）的兼性厌氧菌,该菌同时可以高效还原Fe（III）和HS（腐殖质）,经鉴定,该菌株为Shewanell sacchrophila ,编号为LB09。LB09最适生长pH为6.5-7.0,最适生长温度为30-32 oC,在添加乳酸钠的培养基中 YL09 生长较好。 YL09表现出良好的铀耐受性,具有较好的治理放射性污染的前景。采用液相还原法制备的NZVI颗粒的结晶形态为稳定的球状结构,尺寸分布约在80nm-100nm,具有较大的比表面积。 在厌氧条件下,反应时间20min时,YL09+NZVI体系对Cr（VI）的去除率达到最大值94.7%,结果表明,NZVI对Cr（VI）具有较好的还原作用,但单纯的NZVI效果较差,而稳定的的YL09+NZVI体系处理效果相对较好。在缺氧和酸性条件下,YL09+NZVI体系在与Cr（VI）反应120min之后,NZVI表面变厚,出现FeCr2O4的晶面,比表面积增大,为Cr（VI）的还原提供了更多的活性位点,加快了Cr（VI）的还原。YL09+NZVI体系与Cr（VI）反应前后,其表面S/Fe的相对原子含量几乎没有变化,而反应后O/Fe的相对原子含量是反应前的两倍,说明YL09+NZVI在去除Cr（VI）的过程中结合了比较多的氧。YL09可以提高对纳米零价铁的胶体稳定性,但是在纳米零价铁的胶体稳定性和纳米零价铁的反应活性之间并不总是呈正相关, YL09对纳米零价铁的胶体稳定性和反应活性之间必须有一个最优的平衡点。有AQDS时NZVI的ZeTa电位随着AQDS浓度的增大而增加,AQDS在NZVI表面上的吸附是与NZVI之间的络合作用,增强的电位空间排斥效应提高了颗粒粒子在溶液中的稳定性。本研究结果揭示了NZVI一铁还原菌复合体系的Cr（VI）还原转化途径,阐明NZVI与铁还原菌共还原转化Cr（VI）的互作机制,为利用NZVI协同促进Cr（VI）污染土壤的生物治理提供科学依据。探讨污灌区湿地土壤中Fe（III）微生物还原过程与Cr（VI）还原过程的耦合关系,阐明土壤复杂条件下NZVI促进Cr（VI）还原的微生物-化学耦合机制。 存在的不足和建议主要有以下几点： ① 由于经费限制,采样的地点有点少,而且主要分布在甘肃,因此研究结果可能具有一定的局限性;目前我们已经将采样地扩展到宁夏、河南、陕西以及青海省,取了150份土样,准备对黄河经过的所有省份的污灌区进行深入研究,目前发现取样地不同,研究结果差异还是比较大; ② 现在主要做了单菌落对Cr（VI）的还原作用,但是在研究的过程中发现,菌群对Cr（VI）的还原作用更强,目前已经做了一部分工作,后续还会继续深入地将这个工作开展下去,,找到微生物在厌氧环境中还原Cr（VI）的共性规律,真正为污染土壤的修复治理提供理论依据和现实可行的技术方法。 ③ 由于Cr（VI）的还原转化过程是一个非常复杂的化学和生物学作用过程。,因此对污染地区Cr（VI）的还原转化研究是一个长期的过程,污灌区土壤中Cr（VI）的还原转化规律能直接反映土壤的质量。所以,希望国家基金委能进一步支持该项研究,该项研究的结果可以为污灌区土壤的保修复护和提供理论依据。 ④ 另外,到污灌区采样,条件十分艰苦,气候条件十分恶劣,采样过程中经常要租船、租车、租向导,导致采样成本非常高,由于经费有限,采样地点也有限,因此,本研究的数据也具有一定的局限性。