生物强化化学混凝去除高原湖泊水体中砷的协同作用机制研究

Arsenic pollution in water exerts great risks on human health and ecosystem, and has been recognized as a globally environmental challenge, which is especially serious in some areas of Yunnan Province. Although microbial flocculation technology has gradually become an important research field of arsenic pollution in water, the removal mechanism of microbial flocculant for arsenic still needs to be further discussed clearly, and a few researches on simultaneous removal of As(III) and As(V) in water have been reported. This project intends to isolate and enrich arsenic-resisting bacteria from high arsenic contaminated soil, tailings or slag, and prepare microbial flocculants (MBF-As) of high arsenic removal. The biological characteristics of arsenic-resisting bacteria, flocculating activity and properties of MBF-As, and arsenic bioconcentration effect will be studied to make arsenic degeneration law clear in microbial flocculation. The competition, interference or promotion of microbial flocculation and chemical flocculation behavior in flocculation process of arsenic enrichment and removal will be studied in detail to reveal the law of flocculation,the removal performance and synergistic effect mechanism of As(III) and As(V) by biological flocculation and chemical flocculation processes simultaneously. The research results of this project will lay a wonderful theoretical foundation for the treatment of the actual water with heavy metal arsenic pollution in future.

水体砷污染是一个世界性的环境问题，云南部分地区砷污染问题尤其严重。尽管前期针对部分含砷水体采用化学絮凝沉积法进行过应急处理，但对于水体中不同形态砷的去除成效仍有很大提升空间，特别是实际高原湖泊水体中特定微生物在化学沉积过程中针对As(III)和As(V)的协同去除作用机制和匹配规律均有待深入探究。本项目拟以高砷污染土壤、尾矿或矿渣为砷抗性菌株提取基质，通过筛选培育获得砷抗性菌株，并制备出高效砷富集特性微生物絮凝剂MBF-As，开展砷抗性菌株生物学特性、絮凝活性、砷生物富集效果及絮凝性能研究，掌握砷在生物絮凝过程的迁移规律，同时探究生物絮凝和化学絮凝行为在富集除砷过程中的竞争、相互干扰或促进作用，深入揭示生物絮凝和化学絮凝同时去除水体中As(III)和As(V)的砷捕集性能及协同作用机制，优化调控方法，为今后开展实际水体砷污染治理应用研究提供重要的理论基础和数据支撑。

水体砷污染是一个世界性的环境问题，云南部分地区砷污染问题尤其严重。开展实际高原湖泊水体中特定微生物在化学沉积过程中砷的协同去除作用机制和匹配规律探究，对于前期已采用化学沉积除砷的湖泊水体的后续维护尤为重要。. 本项目以云南个旧和阳宗海高砷土壤、水体和污泥为砷抗性菌株提取基质，筛选优育获得21株砷抗性菌株，通过耐砷和除砷实验优选出一株高效耐砷菌株。在此基础上采用离心-醇提法制备具有高效富集砷特性的微生物絮凝剂MBF-As，开展砷抗性菌株生物学特性、絮凝活性、砷生物富集效果及絮凝性能研究。MBF-As的最佳絮凝效果达到99.2%，其最佳除砷条件为pH8，投加量5mL，5mL CaCl2浓度5%，转速180 r/min，静置40 min时除砷率为58.5%。实际水体中可能共存Cl-和SO42-对除砷效果影响较小，而适量的HCO3-、Mg2+ 和Ca2+对除砷具有促进作用。电镜观察和絮凝活性组分分析确定絮凝有效成分主要分布于培养液离心后的菌悬液中，主要来源于该菌细胞的胞外分泌物，且主要为多糖类物质。. 通过扫描电镜、红外光谱、砷形态转化规律以及吸附动力学特性研究，重点从生物吸附和生物转化两个方面对芽孢杆菌的除砷机理进行了研究。生物吸附过程中起主要作用的官能团有羟基，氨基，羧基，酰胺基团和多聚糖等物质。生物转化方面，砷形态转化规律研究表明，芽孢杆菌对水体As（Ⅲ）具有一定的生物转化作用，可以将水体As（Ⅲ）转化为毒性更低的As (V)，并可以通过甲基化作用将水体As（Ⅲ）转化为MMA和DMA。对低浓度砷污染湖泊水体而言，芽孢杆菌和FeCl3协同作用下的除砷效果更好，水体中As（Ⅲ）的去除主要是以氢氧化铁和芽孢杆菌的吸附共沉淀作用去除的；芽孢杆菌（灭活）和FeCl3协同作用下，水体As（Ⅲ）的吸附过程满足准二级动力学模型。多糖类物质和酪氨酸/色氨酸蛋白类物质在协同除砷过程中起到一定的作用。已在国内外期刊及学术会议上发表相关研究论文7篇，其中SCI收录1篇，EI收录1篇。专利申请1项，获云南省科技进步特等奖1项。依托本项目培养研究生5名，完成预期的研究任务及研究目标。本项目针对前期已采用化学沉积除砷的云南地区部分高原湖泊水体，研究成果将为后续生物-化学絮凝处理实际水体砷污染的应用研究提供重要的理论基础和数据支撑，具有明显的现实意义和应用价值。