氢自养细菌介入下纳米铁的厌氧腐蚀动力学及机制研究

Nano-iron of high adsorptive and reductive capability can remove kinds of pollutants in groundwater. However, the anaerobic corrosion of nano-iron could be accelerated due to many factors in groundwater, leading to decrease the nano-material ability. Present researches focus on the effect of environmental conditions on the changes of nano-iron, but little study pay attention to the effect of microorganisms in groundwater. Especially, hydrogenotrophic bacteria, which can use hydrogen produced in the process of nano-iron corrosion, can couple with nano-iron and thus change its corrosion process. In this work, several analytic methods, such as electron microscope, X-Ray, chromatograph, mass spectrum, also some basic analysis, are used to discover the characteristics of corrosion process of nano-iron, to calculate the kinetics of nano-iron corrosion in the presence of hydrogenotrophic bacteria, and to explore the influence mechanism of the bacteria. The results of this work may be very useful for practical application of nano-iron for groundwater remediation.

纳米铁具有极强的吸附和还原能力，为地下水中多种污染物的原位修复提供一条全新的途径。然而，纳米铁在实际地下水环境中的厌氧腐蚀速率过快，导致其修复能力远低于预期。目前的研究着眼于地下水本身的理化条件所引起的纳米铁腐蚀过程，而缺乏地下水中微生物影响方面的相关报道。特别是地下水中的氢自养细菌，可以利用纳米铁在水中厌氧腐蚀产生的H2进行生长代谢，从而与纳米铁耦合而形成共存体系，因此极有可能会影响纳米铁在水中的厌氧腐蚀过程。本项目以氢自养细菌和纳米铁共存体系为研究对象，综合运用电镜分析、X射线分析、色谱分析、质谱分析等多种手段，并结合理化参数测定结果，揭示纳米铁在氢自养细菌存在下的形态转化规律，确定氢自养细菌介入下纳米铁的加速腐蚀动力学，阐明氢自养细菌对纳米铁厌氧腐蚀过程的影响机制，从而为纳米铁在实际地下水污染修复中的应用提供理论基础。

本项目以氢自养反硝化细菌Alcaligenes eutrophus和纳米铁共存体系为研究对象，综合运用电镜分析、X射线分析、色谱分析、质谱分析等多种手段，研究纳米铁在细菌存在下的厌氧腐蚀过程。基于试验结果：（1）氢自养细菌—纳米铁体系中纳米铁的腐蚀规律为：Fe0→Fe2O3→Fe2O3&Fe3O4→Fe2O3&Fe3O4&FeOOH；且细菌的引入可以将纳米铁与硝酸盐的反应产物Fe2O3改变为Fe3O4&FeOOH。（2）细菌介入下纳米零价铁腐蚀速率与纳米铁浓度、菌液浓度、硝酸盐浓度直接相关，同时受pH、温度、竞争性离子等环境因素的影响，而与碳源、磷含量、溶解氧等因素关系不大。（3）铁菌耦合体系中的电子供体是吸附态二价铁，而不是分子氢、零价铁、游离态二价铁或者二价铁氧化物等。通过上述研究，基本摸清了纳米铁在氢自养细菌存在下的形态转化规律，构建了氢自养细菌介入下纳米铁的厌氧腐蚀动力学方程，阐明了氢自养细菌对纳米铁厌氧腐蚀过程的影响机理，从而为纳米铁在实际地下水污染修复中的应用提供了理论基础。