色氨酸对生物成因铁硫酸盐次生矿物形成的影响

采用氧化亚铁硫杆菌催化合成铁硫酸盐次生矿物,研究不同L-色氨酸添加浓度对矿物合成体系pH、氧化还原电位（ORP）、Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率,以及次生矿物产量、化学组成及矿物相的影响.结果表明,随着体系色氨酸浓度的增加,pH降低幅度越小,ORP上升越不明显.色氨酸对铁硫酸盐次生矿物合成的影响依赖于其浓度,当色氨酸浓度低于1.67 g·L^-1时,色氨酸对铁硫酸盐次生矿物的形成起促进作用,表现为总Fe沉淀率及矿物产量随着色氨酸浓度升高而增加.而当色氨酸浓度升高至6.67 g·L^-1时,Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率和矿物产量远低于对照组,表明高浓度色氨酸会抑制铁硫酸盐次生矿物的形成.次生矿物内Fe/S比介于施氏矿物和黄钾铁矾的理论值之间,表明不同合成体系所得次生矿物均为黄钾铁矾和施氏矿物的混合物.矿物学特征分析表明,随着色氨酸浓度的升高,矿物的合成表现为黄钾铁矾向施氏矿物转移.     

三种次生矿物固定A. ferrooxidans的Fe2+氧化及成矿性能比较

氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）介导的生物矿化方法促使可溶性Fe向次生铁矿物转变对酸性矿山废水（AMD）治理具有重要意义.化能自养菌A.ferrooxidans易受水流冲击而流失,常采用固定化方式来提高菌密度,从而保证较高的Fe²⁺氧化和成矿速率以满足实际需要.本研究在相同初始条件下（pH=2.30、Fe²⁺浓度4.48g/L、A.ferrooxidans密度8×10⁶cells/mL）生物合成固定有A.ferrooxidans的施氏矿物、黄钾铁矾和黄铵铁矾,比较矿物溶解前（固定态）和溶解后（游离态）A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化性能,并分析各矿物对A.ferrooxidans的固定能力.结果表明,生物成因次生铁矿物干重排序为施氏矿物（0.24g） < 黄铵铁矾（0.35g） < 黄钾铁矾（0.67g）,但矿物固定A.ferrooxidans的能力却依次为施氏矿物 > 黄铵铁矾 > 黄钾铁矾.以游离态A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化速率作为参比,推算出本研究所得施氏矿物、黄铵铁矾、黄钾铁矾固定A.ferrooxidans的有效生物量依次为5.33×10⁷~ 5.33×10⁸,5.72×10⁶~5.72×10⁷,6.35×10⁶cells/g（干基）.次生铁矿物载体有效生物量不仅直接影响AMD体系中Fe²⁺氧化速度,也间接决定了总Fe的矿化去除效果.     

希瓦氏菌还原作用下黄钾铁矾的相转变特征及其负载铬的迁移转化规律

黄钾铁矾对酸性矿山废水中铬（Cr）等污染物有较好的固定去除作用.微生物活动对黄钾铁矾的稳定性和Cr的迁移转化特性有重要影响.因此,本研究在厌氧条件下,通过批次实验研究了希瓦氏菌MR-1还原溶解负载Cr黄钾铁矾过程中二次矿物的形成和Cr污染物的迁移转化特性.结果表明,希瓦氏菌能够促进黄钾铁矾的还原溶解.Cr负载能够增强黄钾铁矾的稳定性,抑制矿物的溶解转化.在不含Cr实验组,黄钾铁矾相转变产物为蓝铁矿和针铁矿;而在负载Cr实验组,二次矿物仅为蓝铁矿.在希瓦氏菌还原溶解负载Cr黄钾铁矾的过程中,矿物中有少量的Cr溶出,进入水体,随后又被吸附于新形成的二次矿物中.矿物中的Cr由原来的残渣态转化为不定型铁结合态,固相中Cr释放的风险增大.XPS检测结果表明,矿物表面的Cr（Ⅵ）被还原为Cr（Ⅲ）,Cr的毒性降低.研究结果对进一步理解酸性矿山废水中Fe、S和Cr的地球化学循环过程有重要意义.     

3种填料A.ferrooxidans挂膜效果及对模拟酸性矿山废水中Fe2+生物矿化能力比较

氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）介导的生物矿化方法可促使酸性矿山废水（Acid Mine Drainage,AMD）中Fe离子向次生铁矿物转变. 采用固定化的方式来提高A.ferrooxidans密度有助于强化Fe²⁺的生物矿化能力.选取流化床19孔填料、弹性填料、悬浮球填料作为挂膜对象, 通过多批次的连续培养来考察3种填料的A.ferrooxidans挂膜能力及稳定挂膜所需周期,继而比较3种挂膜填料对模拟AMD中Fe²⁺的生物矿化能力,并估算A.ferrooxidans有效生物量.结果表明,3种填料（5.00 g）的A.ferrooxidans挂膜能力依次为弹性填料（1.76 g）＞流化床19孔填料（0.90 g）＞悬浮球填料（0.78 g）（干重）,且挂膜启动至稳定状态至少需要4批次.X射线衍射分析（X-ray diffraction,XRD）表明,3种填料表面 含矿生物膜均为施氏矿物和黄钾铁矾的混合物.以游离态A.ferrooxidans的Fe²⁺氧化速率作为参比,估算出流化床19孔填料、弹性填料、悬浮球填料生物膜中A.ferrooxidans有效生物量依次为1.67×10⁸、8.52×10⁸、1.92×10⁸ cells·g^-1 （干基）.研究还发现,等同Fe²⁺生物氧化速率下, A.ferrooxidans挂膜填料比游离态A.ferrooxidans具有更强的AMD矿化驱动能力.     

粤北大宝山AMD水-表层沉积物的重金属分布特征及其影响因素

粤北大宝山铁铜多金属矿床的尾矿富含硫化物矿物,在化学和生物氧化作用下,产生pH5的酸性矿山废水(AMD).本文对大宝山槽对坑、铁龙AMD的10个采样点的表层沉积物进行物相和微观形貌分析,测定水样和表层沉积物中Pb、Cu、Mn、Cr等重金属离子的含量,讨论pH与次生矿物对重金属元素在水-表层沉积物分布差异的影响.结果表明:AMD的表层沉积物的次生矿物主要由铁、锰的氢氧化物、铁矾类矿物、羟氧硫铅矿和偏砷酸氢铁矿组成,其中含铁次生矿物具有一定的空间演化特征.水-表层沉积物的重金属浓度空间分布差异主要受pH和次生矿物组合控制.水的重金属含量总体是随着pH的降低而增大,且Pb、Cu、Mn具有显著相关性.羟氧硫铅矿是Pb的主要沉淀方式;水钠锰矿的析出沉淀影响Mn、Pb、Cu的沉降率;水铁矿、针铁矿、施威特曼石控制低pH环境中Cu的沉降行为;针铁矿、黄钾铁矾、施威特曼石是水溶液中Cr的强力清除剂.     

碳酸盐岩对Fe2+生物氧化及铁矿物合成的影响

利用从高硫煤矸石堆场浸出液中培养驯化获得的氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans,A.f）,通过静态实验,探讨添加不同量的碳酸盐岩对酸性硫酸盐体系中Fe²⁺生物氧化速率及次生铁矿物合成的影响.结果表明：添加10 g和30 g碳酸盐岩不会对体系中pH、氧化还原电位（ORP）和Fe²⁺生物氧化速率产生明显影响,但总铁（TFe）的去除率可从37%分别提高到55%和62%,矿物生成量也从8.17 g·L^-1分别增加到12.03 g·L^-1和13.69 g·L^-1;同时,体系中合成的次生铁矿物相与不加碳酸盐岩时无明显变化,主要为黄铁矾和施氏矿物的混合物.随着碳酸盐岩添加量增至50、70和90 g时,体系pH快速上升,Fe²⁺生物氧化速率受到抑制,并产生大量结晶程度较好的硫酸钙,形成的铁矿物主要为纤铁矿或针铁矿.而适量的碳酸盐岩添加可使体系中产生Ca²⁺和Mg²⁺,从而影响次生铁矿物的合成.因此,在以碳酸盐岩为反应介质的酸性矿山废水处理工艺设计中,可通过添加A.f菌并控制碳酸盐岩投加量,强化系统中Fe²⁺生物氧化及次生矿物的合成,从而进一步提高反应系统对TFe的去除效果.     

草酸盐介导下含As(V)黄钾铁矾的相转化过程与As(V)的再分配行为

黄钾铁矾能够通过吸附和共沉淀作用固定酸性矿山废水（AMD）中的重（类）金属（如砷）,降低其迁移性和生物可利用性.草酸盐广泛存在于天然水环境中,其具有的羧酸官能团能改变铁矿物的稳定性,进而影响吸持的重（类）金属的再分配行为.利用水热法合成含As（V）黄钾铁矾,探究其在不同草酸盐浓度与pH条件下的溶解、重结晶和共沉淀As（V）的行为.研究结果表明,草酸盐与含As（V）黄钾铁矾表面Fe（III）活性位点配位形成的可溶性强络合物是促进矿物溶解的第一步和关键;在pH 2.5时,含As（V）黄钾铁矾的溶解速率随草酸盐浓度增加而增加,伴随大量As（V）释放到溶液,反应过程中只有少量As（V）重新吸附到固相上,这是由于草酸盐与As（V）竞争矿物表面的同一活性位点;在pH 6.5条件下,草酸盐促进含As（V）黄钾铁矾的重结晶,经X射线衍射分析表明针铁矿和纤铁矿为主要产物,能有效地吸附释放的As（V）.研究结果有助于揭示在AMD环境下黄钾铁矾沉积物与含羧酸官能团有机酸共存时对As（V）的释放和固定机理,对AMD环境中As（V）污染控制有重要意义.     

温度对湖泊沉积物中沉水植物残体厌氧分解的影响

淡水湖泊水生植物残体的腐烂分解过程为沉积物中的异养微生物提供了重要的碳源,但是目前关于温度对沉水植物残体有机质分解的影响研究还不够深入.本研究通过室内微宇宙模拟实验,研究了4℃和25℃时马来眼子菜残体在沉积物中厌氧分解特征及其主要的微生物代谢途径.结果表明,温度对马来眼子菜残体的分解影响显著,25℃实验组沉积物中总有机碳（TOC）和纤维素去除率显著高于4℃实验组.25℃实验组沉积物初始腐殖质占TOC比例为18.23%±1.47%,90 d后达到约46%,这说明微生物对马来眼子菜残体的分解促进了沉积物腐质化.此外,温度升高促进了纤维素降解细菌（如拟杆菌门,Bacteroidetes）的生长繁殖,且硫酸盐还原细菌（如GOUTA19、脱硫球菌属（Desulfocuccus）、LCP-6、HB118）和铁还原细菌（如地杆菌属,Geobacter）是沉积物中主要的优势菌种.在25℃条件下,微生物硫酸盐还原、铁还原和产甲烷作用占马来眼子菜残体厌氧代谢的比例分别达到37.3%、27.8%和10.3%.综上所述,本研究表明温度升高促进了沉积物中马来眼子菜残体的厌氧分解,且微生物硫酸盐还原、铁还原和产甲烷过程在其厌氧分解过程中发挥了重要作用.     

粤北大宝山槽对坑酸性矿山废水中不同沉积层次生矿物研究

矿山尾矿渣中硫化物的氧化作用易形成酸性矿山废水(AMD)和重金属污染,而氧化过程中形成的次生矿物对控制重金属污染起重要的作用。本文利用XRD和SEM等主要手段,对粤北大宝山多金属矿槽对坑酸性矿山废水四种不同颜色沉积层的次生矿物种类及其形貌进行了研究,发现不同沉积层均有丰富的次生矿物。从上到下,次生矿物种类从简单变复杂多样。尾矿砂层(S1)次生矿物种类主要为叶绿矾、针绿矾、黄钾铁矾;赭色层(S2)主要次生矿物有磷铝矾、七水铁矾,四水白铁矾、黄钾铁矾等;灰绿色沉积层(S3)主要有水砷铁矿,镁叶绿矾、赤铁矾及较丰富的李时珍石;S4层主要有黄钾铁矾、施威特曼石、铁明矾、水绿矾、镁叶绿矾等。其中黄钾铁矾是最常见的次生矿物,主要呈片状、菱面体状,与施威特曼石共生;施威特曼石也相对较富集,呈海胆状、放射状、鳞片状、球状等集合体产出;石膏较富集,呈完整晶体出现。酸性矿山废水中重金属元素的活动性受到次生矿物的影响;次生矿物在一定程度上能净化酸性矿山废水中有害元素,减少酸性矿山废水对周围环境的污染。     

硫酸盐还原菌介导水铁矿相转化特征及其产物对Cr（Ⅵ）固存的影响

硫酸盐还原菌（SRB）广泛存在于酸性矿山废水（AMD）污染的土壤中,其介导的铁矿物转化过程及其相转化产物影响着重金属的迁移 转化行为.选取土壤中的典型铁氧矿物水铁矿作为研究对象,探究了SRB （Desulfovibrio vulgaris ATCC 7757）介导水铁矿的矿相转化,分析了水铁矿相转化产物对Cr（Ⅵ）的固存能力,揭示了不同相转化阶段产物对六价铬（Cr（Ⅵ））的固存能力及作用机制.结果表明,SRB介导下矿物的相转化路径为水铁矿-马基诺矿-磁铁矿,反应过程的相转化产物对Cr（Ⅵ）的固存能力呈先增加后降低的趋势：反应第5 d水铁矿相转化的产物主要为马基诺矿,此阶段相转化矿物对Cr（Ⅵ）的固存能力达到141.06 mg·g^-1,固存方式以还原作用为主;14 d时相转化矿物主要以马基诺矿和磁铁矿复合形式存在,复合产物对Cr（Ⅵ）的固存能力仅为79.59 mg·g^-1,其对Cr（Ⅵ）的固存方式包括还原和吸附作用,还原和吸附对Cr（Ⅵ） 固存的贡献占比分别为78.82%和21.17%.由此可见,水铁矿相转化产物组成的差异是导致其对Cr（Ⅵ）固存能力及作用机制变化的关键因素.     

KOH对富铁富硫酸盐酸性环境中生物成因次生铁矿物合成的影响

生物成因次生铁矿物的高效合成对处理以富铁富硫酸盐为典型环境特征的酸性矿山废水具有重要的工程指导意义.本研究通过细菌培养实验,在富铁富硫酸盐环境(改进型9K液体培养基)中,考察了KOH对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)催化合成次生铁矿物过程中体系p H、Fe2+氧化率、总Fe沉淀率及次生铁矿物矿相的影响.结果表明,A.ferrooxidans在改进型9K培养基(对照处理)中培养72 h后,p H从原始的2.50下降至2.34,而在对照处理分别加入3.3、6.7与13.4 mmol·L-1KOH的处理体系中培养72 h后,p H却分别降低至2.27、2.15与2.10.同时,KOH的加入能够在一定程度上加速Fe2+的氧化速率及总Fe的沉淀效率.例如,培养至24 h,加入3.3、6.7和13.4 mmol·L-1KOH的处理体系较对照体系Fe2+氧化率分别提高了12.1%、20.3%和23.2%.培养至72 h,加入3.3、6.7和13.4 mmol·L-1KOH的处理体系较对照体系总Fe沉淀率分别增加了26.0%、60.4%和71.8%.通过分析加入6.7 mmol·L-1KOH或3.3 mmol·L-1K2SO4处理体系上述参数的变化情况,可以得出,KOH加速体系酸化、提高Fe2+氧化率及总Fe沉淀率是K+与OH-联合作用所致.本研究不同体系所得次生铁矿物均为黄铁矾与施氏矿物共存的混合物,然而,KOH引入的K+或OH-均有利于体系无定型施氏矿物向晶型黄铁矾类矿物转化.研究结果可为次生铁矿物生物合成及其在酸性矿山废水治理领域的应用提供必要的参数支撑.     

FeSO_4-K_2SO_4-H_2O体系中Fe/K摩尔比对生物成因羟基硫酸铁矿物质量的影响及环境意义

在FeSO4-K2SO4-H2O的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌催化氧化体系中,当起始Fe2+浓度分别为20、40、80和160mmol.L-1时,通过设定系列Fe/K摩尔比(3~200)来调控溶液的K+含量,合成得到次生羟基硫酸铁矿物,主要包括施威特曼石、黄钾铁矾以及两者的混合物.结果表明,当起始Fe2+浓度较低,如20mmol.L-1和40mmol.L-1时,72h反应后,不同Fe/K摩尔比处理所得矿物质量很少,最大只有0.38g.而随着Fe2+浓度增大,Fe/K摩尔比例的减小,矿物质量明显增加,例如在Fe2+=160mmo.lL-1、Fe/K=3时,250mL体系中矿物质量达到了4.48g,同时矿物相由结晶度差的施威特曼石逐渐过渡到结晶度好的黄钾铁矾.笔者发现矿物质量与矿物相有非常密切的关系,当产物为晶型黄钾铁矾时,其对应的矿物质量也更多.因此,微生物成因羟基硫酸铁矿物质量在很大程度上取决于起始Fe2+浓度和Fe/K摩尔比,该现象对去除酸性矿山废水中可溶性Fe和SO24-有潜在意义.     

Extracellular polymeric substance induces biogenesis of vivianite under inorganic phosphate-free conditions

Vivianite is often found in reducing environments rich in iron and phosphorus from organic debris degradation or phosphorus mineral dissolution. The formation of vivianite is essential to the geochemical cycling of phosphorus and iron elements in natural environments. In this study, extracellular polymeric substances (EPS) were selected as the source of phosphorus. Microcosm experiments were conducted to test the evolution of mineralogy during the reduction of polyferric sulfate flocs (PFS) by Shewanella oneidensis MR-1 (S. oneidensis MR-1) at EPS concentrations of 0, 0.03, and 0.3 g/L. Vivianite was found to be the secondary mineral in EPS treatment when there was no phosphate in the media. The EPS DNA served as the phosphorus source and DNA-supplied phosphate could induce the formation of vivianite. EPS impedes PFS aggregation, contains redox proteins and stores electron shuttle, and thus greatly promotes the formation of minerals and enhances the reduction of Fe(III). At EPS concentration of 0, 0.03, and 0.3 g/L, the produced HCl-extractable Fe(II) was 107.9, 111.0, and 115.2 mg/L, respectively. However, when the microcosms remained unstirred, vivianite can be formed without the addition of EPS. In unstirred systems, the EPS secreted by S. oneidensis MR-1 could agglomerate at some areas, resulting in the formation of vivianite in the proximity of microbial cells. It was found that vivianite can be generated biogenetically by S. oneidensis MR-1 strain and EPS may play a key role in iron reduction and concentrating phosphorus in the oligotrophic ecosystems where quiescent conditions prevail.     

酸性硫酸盐环境中菌密度对生物成因次生铁矿物形成的影响

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)促进次生铁矿物形成的现象在酸性煤矿废水(ACMD)的治理领域具有重要意义.本研究探索了A. ferrooxidans接种密度在酸性硫酸盐环境(9K培养基)中对Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率及矿物产生量的影响,同时考察了矿物合成体系矿相的变化情况.结果表明,当体系A. ferrooxidans接种密度为0.27×10⁶~5.40×10⁷ cells·mL^-1时,溶液中Fe²⁺需60~12 h氧化完全.培养至60 h,上述体系总Fe沉淀率分别达到10.7%~35.9%.不同接种体系Fe²⁺同时氧化完全时,沉淀单位质量Fe而转化的次生铁矿物量随着接种密度的增加而增大.例如,A. ferrooxidans接种密度分别为1.35×10⁶、2.70×10⁶、8.10×10⁶和1.62×10⁷ cells·mL^-1的处理在Fe²⁺同时完全氧化时刻,Fe沉淀率分别为17.6%、20.0%、24.1% 和26.5%,且沉淀1 g Fe转化的次生铁矿物量分别为2.04、2.10、2.17与2.27 g.结晶度较差的施氏矿物是次生铁矿物合成初期产生的唯一矿相,Fe²⁺完全氧化时,矿物相为施氏矿物与结晶度好的黄铁矾矿物的混合物.     

阴离子对Acidithiobacillus ferrooxidans氧化活性及次生铁矿物形成影响

酸性矿山废水（AMD）具有酸度高并含有大量可溶性Fe、硫酸根及重（类）金属的特点,采用生物矿化方法促使AMD中Fe向羟基硫酸铁次生矿物转变,对AMD后期石灰中和减少氢氧化铁和废石膏的产生,提高中和效率具有实际意义.通过模拟酸性矿山废水,考察了Cl^-、NO₃^-、PO₄^3-3种阴离子对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（A.ferrooxidans）体系中pH值、Fe²⁺氧化率、总Fe沉淀率、次生铁矿物矿相的影响.结果表明,高浓度阴离子对A.ferrooxidans氧化Fe²⁺能力具有抑制作用.A.ferrooxidans对阴离子的耐受性依次为PO₄^3- > NO₃^- > Cl^-.阴离子浓度在A.ferrooxidans耐受范围内时,其对Fe²⁺的生物氧化速率基本没有影响.但高浓度阴离子会通过抑制A.ferrooxidans的氧化活性,从而间接影响Fe³⁺的水解成矿过程,导致培养终点时总Fe沉淀率降低和次生铁矿物产量减少.受Fe³⁺供应速率降低的影响,次生铁矿物的合成途径易向施氏矿物转变.