四方纤铁矿的生物矿化特征及其对重金属的吸持研究

从环境矿物材料的理论与应用角度展开纳米四方纤铁矿(β-FeOOH)的生物矿化特征及其对重金属的吸持研究。通过在富含氧化亚铁硫杆菌的FeCl2溶液中β-FeOOH的矿化形成研究，了解生物有机质(多糖/蛋白质)在FeOOH矿化中的调控作用，确定起调控作用的功能生物有机质结构组成，在此基础上进一步研究有机基质调控β-FeOOH形成过程中发生的各种化学、生物化学作用，以揭示生物矿化的内在机理。β-FeOOH材料对重金属的吸持研究，可揭示矿物材料与重金属的界面作用机制。上述研究不仅能促进环境矿物学、化学、材料学及生物选冶技术的发展，也可拓宽环境科学的研究领域，并为进一步开展β-FeOOH等铁的生物矿化材料的环境污染治理应用及工业应用提供理论依据。

青年科学基金紧密围绕项目目标，探讨了四方纤铁矿及有相似结构的施威特曼石的生物矿化规律，揭示了氧化亚铁硫杆菌细胞及其胞外多聚物在铁的氢氧化合物形成过程中的重要意义。氧化亚铁硫杆菌培养体系中，生长介质所含无机离子(如Cl-和SO42-)和有机化合物(如非离子表面活性剂)等物质对细菌的生长及催化氧化Fe2+的能力有重要影响，进而影响了铁的氢氧化合物沉淀产物的颗粒形貌、大小和结构。在适宜细菌生长的表面活性剂浓度范围内，不同浓度非离子表面活性剂对“针垫”聚集球状施威特曼石的形貌及其向菱形黄钾铁矾颗粒转化的影响，是由于不断增加的胞外多聚物与表面活性剂共同作用，进而调控矿物形貌的发展。另一研究工作即阴离子Cl-和SO42-对细胞催化作用下Fe2+溶液中铁的氢氧化合物形成的影响，其进一步揭示了细菌细胞及其代谢物质在Fe2+的催化氧化及铁矿物的生物矿化过程的调控作用。这些结果有助于我们对富含阴离子(Cl-和SO42-)或非离子型表面活性剂自然环境中铁的氢氧化合物形成、归宿与细菌催化氧化Fe2+及生长条件关系的理解。同时，在只含有胞外多聚物或多糖的Fe3+溶液体系中，形成四方纤铁矿产物颗粒均匀，但其形貌和大小与含细菌细胞体系中的产物基本一致，这更证实了有机质在四方纤铁矿等铁矿物生物矿化过程中的重要地位。生物四方纤铁矿在pH3–8范围内对Cr(VI)的去除效果较好，该矿物对Cr(VI)的吸附机理主要为配位络合作用，随时间变化，反应符合Lagergren二级速度方程，可见四方纤铁矿是潜在的环境矿物吸附材料。