聚合硫酸铁絮体异化铁还原生物矿化过程的电化学研究

发布时间：2020-05-29 04:48

【摘要】：近年来,国内水体重金属污染突发事件频繁发生,对生态环境和社会带来了极大冲击。聚合硫酸铁(Polyferric sulfate,PFS)在应急处理水体重金属污染突发事件中被广泛使用。PFS絮凝携带重金属离子沉降到水体底部沉积物中,水体的重金属浓度恢复到正常水平。我们的前期研究发现:自然水体沉积物中广泛存在的异化铁还原菌(Dissimilatory iron-reducing bacteria,DIRB)能以沉积物中PFS絮体中非稳定结构的Fe(III)作为电子受体进行异化铁还原作用并伴随着微生物二次矿物的转变。不少研究采用电化学手段来进行微生物氧化还原研究,较之微生物研究方法,更加简单高效。本研究探讨采用电化学手段研究PFS絮体异化铁还原的可能性,深入探讨了PFS絮体在异化铁还原过程中的转变及明确异化铁还原过程与微生物产电之间的相互作用机制,并以PFS絮体构建不同电场条件下的微生物电化学系统并探讨了异化铁还原效率及微生物成矿差异;同时,还讨论了不同缓冲体系(PBS、PIPES、HCO_3~-)下的微生物成矿差异。研究结论如下:(1)外加0.2 V电压促进铁还原蛋白表达,从而提升菌体异化铁还原表现。PFS絮体还原反应产生的Fe~(2+)可作为电子穿梭体构建起电子供体→Fe~(2+)/Fe~(3+)→电极的间接电子传递通路,使微生物电流密度得到提升。同时,正电压促进微生物还原态Fe(II)的累积和更快的微生物二次铁矿物形成与转化,并最终形成晶型更好的铁矿物。而在外加-0.2 V电压条件下,负电压对于电化学活性微生物的冲击和对于电子传递的抑制使得上述促进现象没有发生。(2)外加0.2 V电压条件下,生物电流密度可用于表征铁还原速率。在纯菌的含PFS絮体的电化学系统中,生物电流密度和异化铁还原速率之间存在着很密切的关系。在前期的快速铁还原阶段,生物电流密度的高低直接反映了还原速率的快慢,两者呈现明显的线性关系。(3)不同的缓冲体系导致PFS絮体最终形成不同的微生物二次矿物。在PBS体系中,以硫酸盐绿绣、蓝铁矿和磁铁矿为主,硫酸盐绿绣由PFS还原解构释放出来的SO_4~(2-)与Fe~(2+)结合形成,蓝铁矿和磁铁矿由硫酸盐绿绣转化或单独形成。在PIPES缓冲体系中,磁铁矿是主要的矿物,而体系中少量存在用以维持细菌生长的磷酸根导致了微量蓝铁矿的产生。HCO_3~-缓冲体系中大量碳酸根的存在促使菱铁矿形成并占主导。
【图文】：

铁还原,机制,过程,附属物

分泌产生）电子穿梭体包括核黄素[21, 22]、黑色素[23]等。外源性电子穿梭体有腐殖酸[2蒽醌-2,6-二磺酸钠(Anthraquinone-2,6-disulfonate,AQDS)[25]等。（4）螯合促溶机制部分异化铁还原菌自身能够分泌有机质配体，而这些配体与铁的结合能力很强，，易形成溶解度较大的铁螯合体[26]。螯合作用增强了含铁矿物的迁移性，与菌体发生表接触更容易。（4）纳米导线机制纳米导线是指微生物表面类似于菌毛的直径纳米级导电性附属物。Gorby 等人[27]的研发现 Shewanella oneidensis MR-1 自身能分泌一种具有导电能力的菌毛状附属物可以接或者间接地促进微生物还原溶解 Fe(III)氧化物，并将该附属物命名为“纳米导线纳米导线可以将菌体和含 Fe(III)的物质连接起来，起到与导线一样传输电子的作用[2研究表明，严格厌氧的地杆菌在进行异化铁还原时也是靠的纳米导线。

路线图,路线图,铁还原,强化手段

1.4.2 研究意义本研究选取的 PFS 是水污染处理实践中广泛使用的一种化学药剂，其在自然环境中的转化过程和潜在二次污染风险具有极大的研究意义。同时，异化铁还原是水体底部沉积物中普遍存在的生物地球化学过程，而具高含量的三价铁的 PFS 很容易参与到这个过程中。另外在水体中普遍存在着磷酸根、碳酸根等阴离子，这些离子是异化铁还原过程微生物成矿的重要参与者，也是一部分控制因素。将电化学系统引入研究体系作为表征方式和强化手段能够更方便和深入地揭示 PFS 异化铁还原过程的机理。1.4.3 技术路线本研究的技术路线如图 1-2 所示。华南理工大学硕士学位论文
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52

【参考文献】