吸附态砷的氧化还原转化与释放机理

Redox transformation and release of the adsorbed arsenic into aquifer is the key scientific issue in arsenic biogeochemistry. This research will study the arsenic adsorbed on goethite, titanium oxide, and sediments. The research will develop multiple complementary characterization techniques including synchrotron-based methods to explore the redox reaction processes. The project will elucidate the key steps and controlling parameters during the arsenic redox reaction and release. The effects of microorganism, especially arsenic-, iron-, and sulfate-reducing bacteria, will be highlighted. The impact of electron shuttle in the presence of arsenic-reducing bacteria will be investigated. The research should shed light on the molecular-level mechanisms on the redox reactions and release of adsorbed arsenic. The results should provide the theoretical basis for further understanding of arsenic biogeochemical cycling.

地下水体系中吸附态砷的价态转化及脱附释放过程与机制是砷生物地球化学研究中的关键科学问题。本项目将围绕吸附态砷的氧化还原转化为中心，以针铁矿、氧化钛、土壤沉积物为环境介质，发展以同步辐射为主的多种谱学技术原位研究固液微界面上砷的氧化还原反应动态过程；阐明吸附态砷在氧化还原转化及脱附释放中的关键过程及主控因子；重点研究微生物,尤其是砷、铁、硫还原菌群，在此过程中的作用与调控机制，探讨电子梭在砷还原菌参与下对吸附态砷的价态转化及释放的影响。有望在吸附态砷的还原脱附分子机制及基于微界面的微生物诱导调控原理等基础理论研究方面取得突破，为全面深入阐述砷的生物地球化学循环提供理论基础。

地下水体系中吸附态砷的价态转化及随之引起的脱附释放过程与机制是砷生物地球化学研究中的关键科学问题。在自然环境中，砷、铁、硫的生物地球化学循环相互耦合，导致吸附态砷的价态转化及吸附脱附过程非常复杂，因此需要联合应用多种分析手段，从砷的含量、形态分析、表面络合构型、微生物作用机理等多角度考察吸砷的微界面过程。.项目围绕吸附态砷的氧化还原转化为中心，发展了以同步辐射XANES、EXAFS、STXM、µ-XRF等技术为主，结合原位流动槽ATR-FTIR，表面增强拉曼散射（SERS），建立了以表征吸附态砷微界面特征为核心的原位分析方法平台。.利用这一平台，研究了砷在环境复杂介质微界面的吸附/脱附机理，结合密度泛函理论（DFT）的量化计算，发现地下水共存的二价阳离子会与电中性的三价砷在TiO2表面形成三元表面络合，从而促进砷的吸附，降低砷的迁移。利用地球化学分析软件（MINTEQ、PHREEQC），将建立的分子吸附模型与实际地下水条件结合，模拟预测砷在宏观尺度的界面反应及行为。.明确了砷、铁、硫还原菌在吸附态砷的还原及脱附释放过程中的作用与调控机制。砷的两种还原基因，arsC及arrA，均不能直接还原吸附态As(V)。吸附态As(V)首先从固相脱附释放，然后自由溶解态As(V)再被还原成As(III)。因此脱附释放是厌氧砷还原菌还原吸附态砷的前提条件。铁、硫还原菌在一定条件下会促进砷的脱附。发现并阐明了一株高砷抗性菌株（Pantoea sp. IMH）的砷抗性分子机制，此菌株具有2个ars砷抗性的基因簇，两个基因簇的启动子都属于温度敏感启动子，在不同的温度下调控砷的还原。.在项目支持下，培养四名博士，九名联合培养硕士生，项目主持人获得杰出青年基金的资助。共发表SCI论文28篇，其中影响因子大于5的14篇，包括6篇论文发表在环境领域的顶级期刊Environmental Science & Technology.