基于分子模拟的过渡元素与生物磁体间趋聚特性研究

掌握过渡元素在趋磁细菌吸附分离中的优先选择性规律，对趋磁型生物治污技术的实际应用与推广具有关键作用。本申请书拟基于元素周期律等化学化工基础理论，结合分子模拟和实验的方法，对过渡元素与趋磁生物体之间的趋向性聚集及吸附行为展开研究，建立抽象化的过渡元素、生物吸附壁面及固液界面体系的物理模型，分析被吸附元素的电子排布特性对趋磁生物体吸附选择性的影响规律，从微观粒子间相互作用的角度研究宏观的生物吸附过程，深化宏观研究的微观理论基础。本申请书的研究可望在趋磁生物吸附理论研究方面建立新的研究方法，并有助于获取新的生物吸附应用技术方面的原理。

趋磁细菌具备独特的趋磁性，能够借助高梯度磁场使附着金属离子的生物体从溶液中快速地脱除，回避常规微生物治污过程中离子被吸附后不易从水中直接分离出来的难题。.本项目的立题点即为趋磁细菌和重金属离子之间的作用机理，研究目标为探索吸附过程中重金属扩散特性与吸附选择性的关系，研究方法是将元素周期律的思想耦合进趋磁生物吸附过程的研究之中，即基于元素周期律，从电子排布的角度出发，研究过渡元素的族与周期演变对趋磁性微生物吸附特性的影响规律。.在青年基金的资助下，研究工作得出的结论包括：.（1）在完成菌株的分离、纯化、生理生化及16SrDNA测序等实验的基础上，开展了金属离子的吸附实验，并建立了生物磁体和吸附过程固液体系的抽象物理模型。研究发现尽管培育趋磁菌种的经济性还有待改善，但在多种水体中都容易收集到此类菌种；除了专门的培养基之外，常见的絮状污泥水体环境也比较贴近趋磁细菌的生活习性，可以在未来的研究中考虑将此菌种进行实地培养。.（2）确定了固液体系中过渡元素离子被吸附前的稳定构型，基于元素原子外围电子数及电子层数的原则，建立过渡元素离子的物理模型，根据元素周期律的特点，采用统一化的数学方程式表征被吸附离子，并用以预测吸附过程中离子被菌体捕集的倾向性。.（3）在吸附过程中，起作用的菌体表面功能基团主要包括-COOH、-PO3H、-OH等。发现了MTB吸附重金属具备选择性的原因之一在于菌体表面基团能干扰周边微电磁场，进而影响重金属向基团扩散的先后次序，导致出现竞争吸附的现象。在多元重金属体系中，各种菌体基团通过所产生的不同静电力对不同组分的动态捕集倾向存在差异，致使宏观吸附呈现出优先次序，如同-PO3H和-COOH之优先捕集Au(III)、-PO3H之优先捕集Ni(II)、-OH之优先捕集Cu(II)等；而各种菌体基团的数量和比例对宏观吸附性质同样会产生影响。.（4）本项目在探索MTB吸附机理的同时，也在尝试用MTB的廉价仿生替代物（表面改性高铁粉煤灰）实现重金属的选择性捕集。.目前为止，在本基金资助下共发表11篇外文论文（含1篇接收），5篇中文核心论文（含1篇接收），2篇中文论文；其中，5篇SCI收录（含1篇SCI源刊接收），5篇EI收录，1篇ISTP收录；共申报2项国内发明专利。