厌氧微生物作用下水-沉积物微界面砷的再分配机理研究

The behavior of arsenic at sediment-water interfaces and its fate in environment were significantly affected by speciation transform of arsenic, iron and sulfur. Due to the complex nature of sediment, the behavior and mechanisms of arsenic in secondary minerals have not been fully understood so far. This project will use the sediments from Yangzonghai Lake and Jinzhou Bay as the typical sediment of high iron or sulfur to investigate arsenic redistribution at sediment-water interface. The project will focus on the mechanism of arsenic mobilization and resequestration which are coupled with the changed mineral structure of iron and sulfur mediated by microbial reduction. XAS、XRD、FTIR、XPS etc. will be employed to characterize the nature of secondary minerals and arsenic speciation. GWB and PHREEQC will be applied to calculate and model the process. The objectives of this project are to shed more light on the molecular-level mechanism of geochemical processes of arsenic in typical sediment. And this work will help further studying and predicting of mobilization and the fate of arsenic in arsenic contaminated sediments, and establishing of remediation technologies.

沉积物中微生物对砷，铁，硫等元素的形态转化强烈地影响砷的固液界面行为及其环境归趋。沉积物次生矿物对砷的固持作用直接决定砷在沉积物-水微界面的再分配过程，而厌氧环境中次生矿物对砷的固持行为及其机理一直未得到清晰地认识。本项目分别以阳宗海和锦州湾砷污染沉积物为高铁和高硫沉积物的代表，将微生物作用下铁、硫元素的矿物转化过程和沉积物中砷的固定与活化过程相偶联，研究厌氧环境微生物作用下砷在沉积物-水微界面的再分配过程，不同次生矿物对砷固持的贡献及含砷矿物结构转化过程中砷的形态转化，并利用XAS、XRD、FTIR、XPS等手段从分子尺度揭示与矿物结构转化相偶联的沉积物中砷的地球化学行为机理，结合实验室研究结果和热力学软件（GWB和PHREEQC）进行模拟计算，预测砷的环境归趋。项目的成功实施有助于进一步阐明砷的环境地球化学过程及其机理，为我国水体沉积物的砷污染调控和修复方法的建立提供理论依据。

目前对于微生物还原作用下沉积物中砷在沉积物-水微界面的再分配过程以及次生矿物对砷的固持行为等方面的认识仍不够清晰。因此有必要将铁、硫元素的矿物转化过程与微生物驱动的砷固定与活化过程相偶联，研究厌氧环境中微生物作用下砷在沉积物-水微界面的再分配过程，不同次生矿物对砷固持的贡献，环境介质对次生矿物所固持砷的形态与行为的影响，从分子尺度揭示微生物还原作用下沉积物中砷的环境地球化学行为及其机理。研究对于搞清我国沉积物中砷的环境地球化学过程、砷污染发生机理，调控二次砷污染的发生等方面都具有重要的科学意义。. 项目选取典型污染区域积物为代表，与合成矿物负载砷的简单培养体系相结合，开展厌氧微生物作用下砷的界面分配、砷、铁、硫元素的形态转化研究，包括：.（1）天然体系砷污染沉积物中砷的形态转化及固-液再分配研究.（2）半人工体系中砷的形态转化与固液界面分配研究.（3）人工体系中沉积物与次生矿物对砷的固持能力与机理研究.（4）砷的环境归趋的热力学模拟计算. 通过研究我们发现了硫在土壤、沉积物体系砷的活化释放中可能起非常关键的作用，即硫还原能够强烈影响固相中铁的形态转化，可将铁还原为二价铁矿物，这些矿物对砷的固持能力较低，容易导致砷的释放。硫离子也能将砷还原为三价砷，这些砷形态较难吸附在固相表面，或者在高硫条件下与砷反应形成硫代砷形态，具有更高的活性和迁移性，是导致固相砷活化的重要原因。. 长期以来，铁氧化物的还原性溶解也被认为是导致固相砷活化的主要原因。我们研究发现，硫还原不仅可以影响负载砷的铁氧化物形态，促使砷从固相解吸，而且能够使硫化砷矿物转化为溶解度和活性更高的硫代砷形态，促进砷的活化。研究进一步认清了硫还原在砷地球化学循环中的作用，为更进一步揭示砷的活化释放提供了科学依据，为提供砷污染治理的措施指明了方向。