微生物-粘土矿物-重金属铀与铬相互作用的过程及机理研究

The rapid development of economy has resulted in heavy metal contamination. Uranium and chromium contamination in soils and water bodies is discharged into the environment by industries and related mining activities. Among various remediation methods, bioreduction and immobilization of heavy metals is more efficient at low cost, but this method may not be adequate because when the natural condition changes (becomes oxic), these reduced metals can be remobilized and enter the environment, resulting in secondary contamination. The purpose of this research is to use low permeability clay minerals as a way to isolate reduced heavy metals so that the chance of re-oxidation is minimized. The successful implementation of this strategy depends on the reduction potential of clay mineral Fe(III)/Fe(II) in comparison to those of U(VI)/U(IV) and Cr(VI)/Cr(III), physicochemical properties of clay minerals, reaction conditions, and microscopic associations between clay minerals and reduced metals. We will measure all these parameters and investigate the mechanisms of microbe-clay mineral-heavy metal interactions and kinetics as well as the impact of organic matter on this reaction rate. Under simulated and natural field conditions, the stability of the reduced uranium and chromium and the possibility of secondary contamination will be evaluated. This study will provide important database and theoretical model for future application of using microbes and clay minerals to heavy metal remediation。

随着国民经济的高速发展，环境污染问题日益突出，工业生产及矿山开采大量排放重金属铀与铬，造成了水体与土壤的污染。重金属治理有多种方法，微生物还原法成本低、见效快，但其缺点是随着环境条件的改变，它们会重新进入环境造成二次污染。本项目首次提出用低渗透性的粘土矿物作为中间介质将还原以后的重金属包裹在矿物结构或集合体内，与外界隔离，降低二次污染的发生。但是该方案是否可行决定于粘土矿物的氧化还原电位、矿物理化性质、复杂的环境条件、重金属与粘土矿物的显微共生关系等，本项目通过系统测定这些参数，研究微生物-粘土矿物-重金属三元体系的反应机理以及动力学过程，重点关注有机质对反应的影响，采用室内与野外相结合的方法，评价还原以后重金属的稳定性以及二次污染的可能性，为将来用微生物-粘土矿物体系处理重金属污染提供实际数据与理论模型。

环境中重金属铬和铀污染物的迁移性、生物毒性与其元素价态密切相关，受到矿物、有机质、微生物等多种环境因子的影响。考虑到粘土矿物是土壤及沉积物中最为广泛存在的矿物之一，具有比表面积大、吸附能力强及反应活性高等优点，本项目提出用低渗透性的粘土矿物作为中间介质将还原以后的重金属铬或铀包裹在矿物结构或集合体内，与外界隔离，降低二次污染的发生。但是该方案是否可行取决于粘土矿物的理化性质、复杂的环境条件（如有机质和微生物）及重金属与粘土矿物的显微共生关系等，因此本项目通过系统调查铬/铀污染场地微生物群落、研究微生物-粘土矿物-重金属-有机质复杂体系的反应机理以及动力学过程，重点关注重金属还原产物的稳定性及二次污染的可能性。项目执行期间，主要取得如下研究进展：（1）粘土矿物-有机质-微生物多环境因子调控下的铬/铀的转化过程及产物赋存状态与单一环境因子体系不同。例如，环境中常见的小分子有机质显著影响着粘土矿物还原重金属铬的反应速率，同时使得铬还原产物的赋存状态由固相含铬纳米颗粒转变为可溶性有机络合态铬。对于污染物铀来说，粘土矿物与小分子有机质的共存可加入铀的生物还原反应。（2）重金属铬/铀还原产物的稳定性受矿物、微生物等环境因素的影响。例如，高pH条件下，氧气可诱发铬铁氧化物的氧化，而粘土矿物包裹的铬还原产物不易被氧化，凸显了粘土矿物在治理重金属污染的潜在优势。但是对于铀的还原产物，小分子有机酸的存在增强了粘土矿物结构铁氧化四价铀的反应速率和程度，不利于铀污染的治理。（3）重金属铬或铀污染场地微生物群落结构丰富，具有耐受和固定/活化重金属的能力。例如，铀污染场地微生物可通过分泌柠檬酸沥青铀矿中的铀元素，使得含铀矿物发生风化。项目取得了一系列高水平的研究成果，可为将来用微生物-粘土矿物体系处理重金属污染提供数据基础与理论指导。