氢自养反硝化菌对纳米铁迁移性能的抑制效应及作用机理

Nanoiron of high adsorptive and reductive capability can remove amounts of environmental pollutants. However, many research show its transport ability is too low to reach the requirement for in-situ groundwater remediation. Present reports focus on the effect of hydraulic parameters and water qualities on the transport ability of nanoiron, but little study pay attention to the effect of microorganisms in groundwater. In this work, batch experiments, including sedimentation test and migration test, are designed to study the transport ability of nanoiron in the presence of hydrogenotrophic denitrifying bacteria. Several characteristic methods, such as electron microscope, X-Ray, chromatograph, optical spectrum, are also used. The aim of this work is to discover the transport performance of nanoiron in the presence of hydrogenotrophic denitrifying bacteria, to reveal the application conditions of the bioinhibitive effect of the bacteria on nanoiron transport, to explore the bioinhibitive effect mechanism of the bacteria, and to analyze the effect of bioinhibitive effect on nitrate removal by nanoiron. The results of this work may be very useful for practical application of nanoiron for groundwater remediation, such as improving transport ability of nanoiron, enhancing resistivity of nanoiron on the bioinhibition caused by the bacteria, optimizing cooperative efficiency of nanoiron-bacteria system.

纳米铁是一种具有极强吸附和还原能力的污染修复材料，然而，纳米铁在地下水中的传递速度过低，无法满足原位修复的工程要求。现有的研究侧重考察水文参数和水质条件的影响，而地下水中种类繁多的微生物的作用亦不容忽视。本项目拟以氢自养反硝化菌—纳米铁协同脱氮体系为研究对象，以沉降试验和模拟迁移试验为主要研究手段，结合电子显微、X射线分析、光谱分析等多种表征方法，系统论证氢自养反硝化细菌对纳米铁生物抑制效应的表观规律，摸清氢自养反硝化菌抑制纳米铁迁移性能的起效条件，阐明氢自养反硝化菌对纳米铁迁移性能的抑制机理，以及剖析氢自养细菌抑制效应对纳米铁还原脱氮过程的环境影响，从而为增强纳米铁迁移性能、提高纳米铁抗细菌侵蚀能力及优化铁菌协同作用提供必要的支撑。

本项目将氢自养细菌分别与纳米零价铁、壳聚糖包覆纳米铁和铁铜双金属纳米颗粒构建纳米铁-菌协同脱氮体系，通过沉降试验和石英砂模拟迁移柱试验考察氢自养菌在不同条件（pH值，共存钾离子、钙离子，碳酸氢根离子，腐殖酸，硝酸盐污染物等）下对三种纳米铁颗粒迁移性能的影响，并从细菌竞争吸附位、Zeta电位、氧化产物的磁引力及细菌的组成成分、化能自养机理等方面对氢自养细菌抑制效应的机理进行分析。基于试验结果：（1）氢自养细菌的添加对三类纳米铁在多孔介质中的迁移均有促进作用，且当菌液比例为1/3时促进作用最大，但当菌液的比例增加到1/2时，对纳米铁的迁移具有抑制作用。.（2）氢自养细菌在酸性、碱性条件下会抑制这三种纳米铁颗粒的迁移，而在中性条件下，则促进其在介质中的迁移。.（3）氢自养细菌在较低浓度的钾离子和钙离子存在时，对纳米铁的迁移具有促进作用，但是当钾离子和钙离子浓度较高时(9mM)，氢自养细菌则表现出对纳米铁迁移的抑制。.（4）氢自养细菌在碳酸氢根离子存在时对纳米零价铁的迁移具有促进作用，但是对铁铜双金属颗粒的迁移却具有抑制作用。对于壳聚糖包覆纳米铁颗粒而言，当碳酸氢根离子浓度较低时(1mM)，氢自养细菌会促进其迁移，而当碳酸氢根离子浓度较高时(10mM)，氢自养细菌会抑制其迁移。.（5）氢自养细菌在腐殖酸存在时对三种纳米铁的迁移均具有促进作用，且促进作用随着腐殖酸浓度的增加而增大。.（6）氢自养细菌在硝酸盐浓度较低时(10mg/L)可以增强纳米铁的迁移能力，但是当硝酸盐浓度增大到50mg/L时，就会抑制其迁移。.（7）氢自养细菌对纳米铁迁移抑制效应的直接原因是纳米铁颗粒腐蚀产物的磁吸引力的增强；间接原因则要归为氢自养细菌因电子供体缺失导致的化能自养过程的中断。