土壤亚砷酸盐氧化菌与铁氧化物相互作用下砷的氧化与赋存机制研究

Soil arsenic (As) contamination of is widespread and the mechanism of biotransformation of soil arsenic is one of the most concerned issues. Arsenite-oxidizing bacteria and iron (hydro) oxide interaction on arsenite oxidation and arsenic adsorption is one key problem still unknown. .In this project, two arsenite-oxidizing bacteria isolated from As-contaminated soil will be used and the study of this project includes: assessing oxidation ability, arsenic resistance and kinetic characteristics of the two arsenite-oxidizing bacteria; determining influence factors and mechanism of arsenite-oxidizing bacteria adsorb on iron (hydro) oxide based on the arsenite-oxidizing bacteria and iron (hydr) oxide characteristics as well as environmental conditions; illuminating the arsenite-oxidizing bacteria and iron (hydro) oxide interaction on arsenite oxidation ability, kinetic characteristics and redistribution of arsenic between solid and liquid. This research will not only play a significant role in promoting the theories and methods of arsenic oxidation, migration and transformation in soil but also provide some scientific understanding in soil arsenic bioremediation and its health risk assessment.

土壤中砷(As)的生物转化机制是As污染土壤重点研究内容之一。土壤中亚砷酸盐（As(Ⅲ)）氧化菌与铁（氢）氧化物相互作用下，As(Ⅲ)的氧化及其赋存状态，是这一领域尚未解决的关键科学问题之一。本项目拟以As污染土壤中筛选到的两株As(Ⅲ)氧化菌为研究对象，从不同培养和环境条件比较两种As(Ⅲ)氧化菌的As(Ⅲ)氧化能力和耐砷能力，并探讨相关调控机制；从As(Ⅲ)氧化菌和铁（氢）氧化物特点及环境条件等方面研究As(Ⅲ)氧化菌在铁（氢）氧化物上的吸附、影响因素及相关机制；构建铁（氢）氧化物-As(Ⅲ)氧化菌-砷体系，明确铁（氢）氧化物和As(Ⅲ)氧化菌相互作用下As(Ⅲ)氧化的影响因素、不同形态As在固液两相中的赋存、再分配及相关机制。本项目的研究必将对土壤中As(Ⅲ)的氧化及As在土壤中迁移转化的理论与方法起到很好的推动作用，也将为未来进行As污染土壤的生物修复及其健康风险评估提供相关依据。

本项目围绕土壤亚砷酸盐氧化菌与铁氧化物相互作用下砷的氧化与赋存机制及其相关内容进行了研究，取得了如下研究结果：（1）两株砷氧化菌Pseudomonas sp. HN-1和Pseudomonas sp. HN-2，最佳生长pH为6∼9。菌株HN-1、HN-2可分别使97.3%（64.9 µM）的As（III）和92.0%（61.4 µM）的As（III）发生氧化。（2）铁（氢）氧化物与微生物的吸附（粘附）受pH影响。铁（氢）氧化物与微生物的吸附（粘附）作用由静电作用力主导，并且还有氢键等非静电作用力。针铁矿、赤铁矿与菌株HN-1之间的吸附（粘附）与氢键形成有关；而磁铁矿与菌株HN-1之间的吸附（粘附）过程不涉及价键变化。微生物的存在会减少铁（氢）氧化物对砷的吸附量，且抑制程度随微生物量的增大而增大。（3）菌株 HN-1可以使固相 As（III）发生氧化，且其氧化速率远低于液相中。在好氧条件下，As（V）是固相和液相中无机砷的主要存在形态。固相表面砷的氧化受pH影响明显，受离子强度影响较小。不同矿物表面，砷氧化速率不同：磁铁矿>针铁矿>赤铁矿。EXAFS 分析结果表明，赤铁矿、针铁矿、磁铁矿与砷形成不同类型的内层络合物，因此会对三种铁（氢）氧化物表面砷氧化速率造成影响。故土壤中固相无机砷的价态与土壤矿物组成有关。（4）三株还原菌菌株JQ、DJ-3及DJ-4对As(V) 还原率为DJ-3>DJ-4>JQ。DJ-3可大大刺激OM-Fe络合As(V)的还原和释放，并导致大量的As(III)释放，56%的OM-Fe-As(V)转化为OM-Fe-As(III)。DJ-4只能减少游离As(V)，但不能促进As从复合物中释放。针铁矿吸附的As(V)的还原在pH 7最好，在磷酸盐存在下，蓝铁矿将首先沉淀并吸附大量As(III)(40%-44%固相As)。不断增加的Fe(II)可能导致形成纤铁矿并最终形成磁铁矿。项目结果有助于我们深入理解土壤砷氧化还原行为，也为砷污染土壤修复和健康风险评估提供相关科学基础依据。