磷酸盐对异化铁还原诱导的次生铁矿形成与镉转化过程的影响

发布时间：2020-07-05 20:05

【摘要】：土壤重金属具有残留时间长、毒性大、难迁移等特点,其形态转化是影响重金属毒性和迁移的关键因子。同时,不同形态土壤重金属通过迁移进入到作物、水、大气循环中对人类的健康构成极大威胁。厌氧条件下,土壤中丰富的铁含量和微生物异化铁还原过程为自然环境中不同晶型次生铁矿的形成提供了有利条件。水铁矿异化铁还原受多种环境因素(无机含氧盐离子、有机质、微生物种类和数量等)的影响,形成具有不同微观性质和晶型结构的次生铁矿物,如磁铁矿、绿锈或者蓝铁矿等。这些次生铁矿物由于其形态特征差异显著(不同的比表面积和表面反应活性等),对重金属镉的形态转化产生的影响效应也不尽相同。以磷酸盐为例,磷酸盐可以促进水铁矿的二次成矿过程生成蓝铁矿或菱铁矿和绿锈,次生铁矿微晶形结构大量吸附溶液中的Cd(Ⅱ)或离子团,或与溶液中的Cd(Ⅱ)或离子团发生共沉淀,从而改变镉的形态;而在无磷酸盐作用下生成的是磁铁矿或针铁矿和赤铁矿,部分Cd(Ⅱ)被次生铁矿磁铁矿和针铁矿吸附,体系中有效态Cd(1)浓度下降。本论文以实验室分离纯化的高效铁还原菌Geobactersoli GSS01为异化铁还原驱动力,将“铁还原一次生成矿过程”与“镉的形态转化过程”联系起来,研究异化铁还原诱导次生铁矿物形成过程对Cd形态转化的影响效应,探讨了水铁矿生物成矿过程及二次成矿产物对Cd形态转化的影响,证实了水铁矿异化还原速率和成矿产物的不同导致了 Cd的形态发生不同改变。同时,以湖南株洲镉污染的水稻土为研究对象,进一步考察异化铁还原诱导次生矿物影响Cd形态转化过程与微生物群落结构的响应关系,以期揭示铁生物成矿过程耦合土壤镉钝化的化学-微生物机制,拓宽对土壤镉形态转化机理的认识,为镉污染土壤原位修复提供理论依据。本论文的主要结论如下:(1)研究了有无磷酸盐条件下的GSS01驱动水铁矿生物成矿过程及次生矿物对镉形态转化的影响。实验结果表明,磷酸盐影响水铁矿的二次成矿矿物晶型,且次生铁矿对镉形态转化有显著影响。在含磷酸盐的处理中:无定型水铁矿生成结晶度较高且对可溶态镉具有吸附作用的蓝铁矿。次生矿物蓝铁矿对镉形态有明显影响:可溶态镉浓度减少;交换态、铁氧化物表面结合态及无定型铁氧化物结合态镉浓度增加,这表明蓝铁矿对镉起到钝化效果。而在磷酸盐不存在的条件下,异化铁还原诱导生成的是高结晶度的磁铁矿或针铁矿,其中在Cd胁迫下生成的针铁矿对降低可溶态镉浓度效果不明显。(2)通过构建“水稻土混合菌—铁氧化物—镉”的共存厌氧体系,研究磷酸盐作用下水铁矿生物成矿过程及其对镉形态转化的影响,以及水铁矿生物成矿过程与微生物群落之间的联系。结果显示,在含磷酸盐的处理中,磷酸盐可加速无定型水铁矿还原,生成的次生矿物主要是菱铁矿,Cd的形态趋于向稳定形态转化;在不含磷酸盐的处理中,次生矿物晶型主要为磁铁矿和赤铁矿,而Cd胁迫下生成的磁铁矿对实验体系中有效态镉的钝化效果明显。随着反应的进行,Cd胁迫导致体系中典型异化铁还原菌Geobacter丰度下降;有磷酸盐时,地发菌属Geothrix和脱硫菌属Desulforispora取代部分地杆菌Geobacter,成为主导异化铁还原的驱动力。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53
【图文】：

路线图,路线,土壤镉,成矿过程

图１－２本研究的技术路线逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｔｈｉｓ邋ｓｔｕｄｙ逡逑１．６主要创新点逡逑（１）过去一般将铁氧化物对土壤镉的钝化效应归因于吸附／络合作用，本研逡逑[偨疤乖欢纬煽蟆庇隫x转化”过程联系起来，提出“铁生物成矿过程耦合逡逑镉形态转化”假说，可拓宽对土壤镉固定机制的认识。逡逑（２）从“铁还原菌一铁氧化物一磷酸盐一镉”纯培养体系入手，研宄铁氧化逡逑物还原一Ｆｅ（ＩＩ）生成一二次成矿过程与镉转化的关系，为镉污染土壤修复提供理逡逑论依据和技术支撑。逡逑

水铁矿,还原过程,菌株

逦１８逡逑Ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ邋ｔｉｍｅ邋（ｄａｙ）逡逑图３－２菌株ＧＳＳ０１驱动水铁矿还原过程中总Ｆｅ浓度变化逡逑Ｆｉｇ．３－２邋Ｃｈａｎｇｅ邋ｏｆ邋０．５Ｍ邋ＨＣＩ邋ｅｘｔｒａｃｔｅｄ邋ｔｏｔａｌ邋Ｆｅ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔ

次生矿物,粉末衍射图谱,单晶,晶型结构

次生矿物类型影响不大；无磷酸盐时，Ｃｄ对次生矿物晶型有显著影响。逡逑为了进一步验证ＸＲＤ图谱的结果，采用扫描电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，邋ＳＥＭ）观察次生矿物形态结构，图３－６展示了不同反应条件下形成逡逑的矿物晶型结构。从图中可以看出，Ｆｈ＋Ｃｄ＋ＧＳＳ０１处理中生成的晶型主要为斜逡逑方片状，跟针铁矿（Ｇｏｅｔｈｉｔｅ）的晶型结构相似；ＦｈｆＣｄ＋Ｐ＋ＧＳＳ０１和Ｆｈ＋Ｐ＋ＧＳＳ０１逡逑处理中生成的矿物呈片状，为典型的蓝铁矿（Ｖｉｖｉａｎｉｔｅ）晶型结构，特别是在Ｃｄ逡逑存在条件下加Ｐ处理中，除了形成蓝铁矿（Ｖｉｖｉａｎｉｔｅ）以外，还观察到了尺寸更逡逑小的正方体结构，与菱铁矿（Ｓｉｄｅｒｉｔｅ）的晶体极为相似。ＦｈｆＧＳＳＯｌ处理中展示逡逑的矿物松散多孔性，为磁铁矿的晶型结构，和ＸＲＤ鉴定结果一致。结果表明，逡逑存在磷酸盐时，生成的矿物晶型以蓝铁矿为主，当体系中加入２邋ｍｇ／ＬＣｄ时，有逡逑少量菱铁矿生成；而不存在磷酸盐时

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