李氏禾湿地系统净化水体Cr(VI)的关键生物地球化学过程

Cr(VI) contamination in water is not an urgent environmental problem but also an eco-security problem which relate to public health. Leersia hexandra Swartz constructed wetland (LCW) was considered to be a cheap and effective technology for Cr(VI) removal from water. To increase the efficency of Cr(VI) removal in LCW, key biogeochemistry processes of Cr(VI) removal from water must be clarified. This study will focus on transfer and distribution of Cr in LCW, oxidation-reduction of Cr and role of microorganism in LCW. The main work of this research project will be i) to investigate Cr transfer and distribution, Cr adsorption and release in the fallen litter layer in a laboratory scale LCW and microcosm experiments; ii) to understand Cr species in substrate, plant and litter, and to find the major factors which impact Cr reduction using EPR and XANES analysis; iii) to determine the character of microbial community and which bacteria can reduce Cr(VI) by the molecular ecology methods such as PCR-DGGE, RT-PCR and ect. The results are hoped to be helpful to understand the biogeochemistry mechanism of Cr(VI) removal from water by LCW. This study will be the groundwork for the successful decontamination of Cr(VI) in water using LCW.

水体Cr(VI)污染是亟待解决的环境问题，也是关系到公众健康的生态安全问题。李氏禾湿地系统有望成为解决水体Cr(VI)污染的廉价有效手段。阐明该系统净化水体Cr(VI)的生物地球化学过程是充分发挥其Cr(VI)净化潜力的关键。本项目将着力研究李氏禾湿地系统中铬的迁移分布、氧化还原和微生物作用等三个重要过程。主要内容包括：（1）利用波形潜流式李氏禾湿地模型和微宇宙实验，研究铬沿程的迁移和分布特征以及凋落物对铬吸附和释放规律。（2）应用EPR和XANES等技术手段分析铬在基质、植物和凋落物中的形态变化，明确影响Cr(VI)还原的主要因素。（3）运用PCR-DGGE、RT-PCR等分子生态学方法研究湿地系统中微生物群落特征，筛选和鉴定Cr(VI)净化功能菌。研究结果将为进一步揭示湿地系统净化水体Cr(VI)的生物地球化学机理奠定基础，为提高李氏禾湿地系统的Cr(VI)净化功能提供科学依据。

本项目以李氏禾湿地系统为研究对象，着力研究李氏禾湿地系统中铬的迁移分布、氧化还原和微生物作用等三个重要过程。研究取得以下原始创新性成果：（1）李氏禾湿地系统对Cr(Ⅵ)污染水体的净化效果明显好于无李氏禾的湿地系统；湿地系统对Cr(Ⅵ)的去除效率随水流方向逐渐降低，Cr(Ⅵ)主要在湿地系统的前两个阶段被去除；重金属主要截留在湿地基质中。（2）李氏禾凋落物对Cr(Ⅵ)有很好的吸附效果，吸附过程中伴随氧化还原反应的发生且有Cr(Ⅲ)生成。凋落物在初始阶段快速分解，随后分解速率有所下降，微生物对凋落物的分解会造成少部分铬的重新释放，大部分的铬被凋落物所吸附。（3）李氏禾组织中的Cr主要以Cr（Ⅲ）形式存在；李氏禾叶部中的Cr（Ⅲ）以有机酸结合态的形式存在，根部中的Cr（Ⅲ）以氢氧化物的形式存在；FTIR分析显示基质表面的羟基、氨基、羧基、Ｃ﹦Ｏ、Ｃ—Ｏ、Ｃ—Ｈ等基团与Cr的吸附有关，表明湿地基质中的有机质作为电子供体参与了Cr（Ⅵ）的还原。利用X射线吸收近边结构谱（XANES）和X射线光电子能谱（XPS）表明李氏禾湿地系统能够有效地将Cr（Ⅵ）转变为Cr(III)。（4）腐植酸和亚硫酸钠的添加明显提高李氏禾湿地对Cr(VI)和总铬的去除能力，促使湿地基质中的Cr(VI)向Cr(III)转换，湿地基质中铬主要以三价存在。腐植酸和亚硫酸钠都能明显促进李氏禾根、茎、叶对铬的吸收，但不能改变植物体内铬的主要存在价态，植物体内铬主要以Cr(III)存在。(5) 李氏禾人工湿地基质中有机质、放线菌、细菌和真菌的菌落数显著高于比无植物的对照湿地。PCR-DGGE分析表明，随着湿地运行时间的变化，微生物群落结构发生演替，敏感种消失和耐铬种逐步成为优势种。回收特征条带，进行分子生物学鉴定，表明细菌主要以鞘氨醇单胞菌属、孢囊杆菌属、热厌氧菌属为主，真菌主要以为孢霉属、薄膜革菌属为主。（6）分离到一种高效的铬还原菌株，根据细胞形态、生理生化数据、16S rDNA序列和dnaJ功能基因序列数据多项鉴定为：蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）。该菌对Cr（VI）48h还原率到的100%。