自然水体生物膜及其在水环境中的作用

自然水体生物膜在决定水环境中痕量污染物的迁移、最终归宿、生物地球化学特性、生物可利用性和毒性过程中起着非常重要的作用。本文结合国内、外的研究,简述了自然水体生物膜的定义、组成、吸附特性以及在环境中的作用,分析了该研究领域存在的主要问题,展望了自然水体生物膜的研究前景。     

自然水体生物膜及其在水环境中的作用

自然水体生物膜在决定水环境中痕量污染物的迁移、最终归宿、生物地球化学特性、生物可利用性和毒性过程中起着非常重要的作用。本文结合国内、外的研究，简述了自然水体生物膜的定义、组成、吸附特性以及在环境中的作用，分析了该研究领域存在的主要问题，展望了自然水体生物膜的研究前景。     

自然生物膜对水体中磷浓度的影响研究

以BG11营养液为水源,弹性填料为人工基质培养自然生物膜,设计对比实验,研究生物膜对沉积物磷释放的影响及生物膜作用于该过程的主要机制。随着培养时间的延长,水体中各形态磷浓度均有不同程度的上升,并呈现明显的垂直分布特征;生物膜干重呈对数上升（R2=0．9544）,且与水体中的总磷浓度呈负指数相关（R2=0．7192）;生物膜中磷的解析实验中,溶液中正磷酸盐浓度随时间变化呈对数上升（R2=0．8769）。自然生物膜对水体中的磷有较强的吸附能力和去除效果,且主要作用机制是吸附,磷的迁移转化及最终归宿都要受到生物膜的影响。     

锰氧化物对水体中铊的去除机制研究进展

铊（Tl）是国际公认的优先控制的13种金属污染物之一,近些年频繁发生的水体Tl污染事件推动了Tl去除研究工作的进展,作为去除Tl的高效吸附剂、催化剂和氧化剂,锰氧化物是研究热点之一.该研究综述了Tl在合成锰氧化物、矿物锰氧化物、改性锰氧化物及锰氧化物复合材料上的吸附特征,总结了pH、共存离子和有机质对锰氧化物去除Tl的影响,深入探讨了Tl在锰氧化物上的吸附机制.前人的研究成果表明:经过科学改性的锰氧化物及锰氧化物复合材料在吸附选择性、可重复利用及易分离方面表现出更好的Tl去除效果.pH主要通过静电作用和氧化还原作用影响锰氧化物对Tl的去除机制,是影响锰氧化物去除Tl效率的最关键因素;共存离子和有机质分别通过竞争吸附位点和络合作用的方式抑制锰氧化物对Tl的吸附;锰氧化物去除Tl的主要机制为络合作用、氧化沉淀和静电引力,矿物锰氧化物还可以依靠离子交换和同位素分馏作用去除Tl.锰氧化物对Tl去除机制的定性和定量研究,以及不同晶型结构锰氧化物及锰氧化物与微生物的结合对地下水中Tl的去除技术是未来的研究方向.      

自然水体中铁-锰氧化细菌的研究

通过在河流中悬吊自行设计的载玻片架,获取了具有由铁-锰氧化细菌产生的特异的铁锰氧化物结构的生物膜,设计了4种培养基,采用2种不同的细菌分离方法,对生物膜上的铁细菌进行分离,应用荧光X射线分析仪(XRF)分析了分离菌株产物的化学元素组成,并对分离菌株的铁锰氧化形态进行了观察.研究发现,铁细菌2号培养基为合适的分离培养基;采用平板涂布法分离出的2株氧化铁和锰的细菌,经系统发育地位的分析确定为纤发菌属;对运动纤发菌的产物分析确定无定形铁和锰为其主要金属元素;形态观察确定霍氏纤发菌呈树枝状鞘结构,而运动纤发菌呈蛛网状鞘结构.采用原位培养法分离出1株具有独特铁锰氧化物结构的细菌,经基因序列比对,确定为丛毛菌属.该实验获得的3株铁-锰氧化细菌的序列为设计针对于自然水体中的铁-锰氧化细菌FISH探针及PCR引物提供了关键数据.     

自然水体生物膜和表层沉积物对Hg2+的吸附、解吸研究

选择卫河流域河南段(鹤壁段)为研究站位,在水环境中直接采集生物膜和沉积物样品,进行了Hg2+吸附实验。研究结果表明水体生物膜、沉积物/生物膜复合对Hg2+的吸附动力过程符合Lagergren准二级动力学方程(R20.98),Freundlich和Langmuir等温曲线均可描述Hg2+在表层沉积物和生物膜样品上的热力学吸附过程,显著性水平达到P=0.005(n=7),pH对Hg2+在沉积物、水体生物膜、及二者复合体系的吸附均产生显著的影响,最佳吸附pH介于5~7之间,通过Langmuir等温曲线计算了三类材料对Hg2+的最大吸附容量:水体生物膜沉积物/水体生物膜沉积物。三种吸附材料上Hg2+的NaNO3解吸率从大到小依次为:沉积物沉积物/生物膜生物膜。     

不同菌株培养顺序对添加铁铝锰氧化物白浆土腐殖质组成的影响

文章旨在探索巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、黑曲霉(Aspergillus niger)和灰色链霉菌(Streptomyces griseus)3种菌株、6种培养顺序在添加铁、铝、锰氧化物情况下对混有木质素白浆土腐殖质组成的差异影响.采用室内培养法,在针铁矿、三羟铝石和δ-MnO_2参与条件下,通过6种菌株培养顺序的设置,探讨其对木质素白浆土混料腐殖质组成的影响.结果表明:基于针铁矿添加条件,在以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土腐殖化系数(CHA/CFA)的促进.而在针铁矿和δ-MnO_2添加条件下,A.niger→S.griseus→B.megaterium的培养顺序更有利于白浆土胡敏酸(HA)向富里酸(FA)的转化.基于三羟铝石添加条件,灰色链霉菌为Ⅰ期培养菌株时更有利于白浆土CHA/CFA的促进,而以巨大芽孢杆菌为Ⅰ期培养菌株时可使CHA/CFA降低;除S.griseus→A.niger→B.megaterium外的5种菌株培养顺序,δ-MnO_2均能有效促进白浆土HA的降解、使其分子结构更加简单;无论哪一菌株培养顺序,针铁矿均有利于微生物对混料胡敏素(Hu)的矿化,δ-MnO_2可使混料总有机碳(TOC)发生较大程度矿化;与对照相比,δ-MnO_2亦可促进微生物对混料水溶性物质(WSS)的消耗,且对可提取腐殖酸(HE)的形成有促进作用.     

生物炭负载铁锰双氧化物固化稳定化土壤中砷

砷(As)在土壤中的赋存形态复杂, 常规固化稳定化材料处理不同形态As时存在局限。针对该问题,通过整合生物炭(bio-char, BC)表面吸附-静电引力-络合螯合与铁锰双氧化物(ferric manganese binary oxides, FMBO)共沉淀-氧化还原作用, 制得负载了FMBO的BC新功能材料BC_FM, 并与硅酸盐水泥复配固化稳定化As, 利用响应面法探讨影响因素对处理效果的影响。结果表明:在BC_FM与硅酸盐水泥配比为9.88%和8.80%、养护20.53 d条件下, As浸出浓度最低为0.055 mg/L, 可交换态含量占比从4%降至0.5%, 残渣态含量占比从77%升至87%, 无侧限抗压强度>50 kPa。推测BC_FM固化稳定化机制为Fe-O(H)-As共沉淀、Mn-O(H)-As氧化和BC功能的联合作用。该研究结果可为长效固化稳定化As提供新的技术方案。     

铜绿微囊藻生长与铁氧化物吸附解吸磷的相互作用机制研究

本文研究铜绿微囊藻生长与铁氧化物吸附解吸磷的相互作用机制,旨在为富营养化池塘、水库调控和治理提供理论指导。采用化学方法合成铁氧化物并对其进行表征,研究铁氧化物对磷的吸附特性和铜绿微囊藻生长与铁氧化物吸附解吸磷的相互作用。结果表明铁氧化物的物相组成与自然界土壤和底泥中铁氧化物存在形态相似;铁氧化物对磷的吸附属于专性吸附,吸附等温曲线符合Langmuir方程。在含铁氧化物的BG11培养基中培养铜绿微囊藻,铁氧化物对磷的吸附导致培养液中总磷（TP）和水溶性磷（SWP）浓度降低,抑制铜绿微囊藻的生长。铜绿微囊藻在含吸附磷的铁氧化物而无磷的BG11培养基（4.02 < pH < 10.05）中能够正常生长,藻生长导致溶液pH升高是诱导铁氧化物解吸磷的主要因素,铜绿微囊藻光合作用释放的氧气可以抑制三价铁向二价铁的转化。针对铜绿微囊藻诱导铁氧化物释放磷并被其吸收的机制,要控制富营养化水体蓝藻爆发,除控制外源磷输入外,应该抑制底泥中铁磷释放,或通过藻细胞的收集和移除来降低底泥中铁氧化物的磷负荷。     

不同pH下铁氧化物表面结合铁系统还原硝基苯的研究

研究了针铁矿、赤铁矿、磁铁矿和钢渣4种铁氧化物表面结合铁系统对硝基苯的还原转化,并对不同pH值下的还原机制进行了分析.在pH为6.5～7.0时,赤铁矿、磁铁矿和钢渣通过吸附Fe(Ⅱ)形成的表面结合铁系统,对硝基苯具有较强的还原能力,还原效果由高到低依次为磁铁矿、赤铁矿和钢渣,磁铁矿、赤铁矿还原率随着pH值升高而升高,而钢渣组还原率差别不大.针铁矿虽然吸附的Fe(Ⅱ)量最多,但没有还原活性.在pH值为6.0时,赤铁矿和磁铁矿对Fe(Ⅱ)吸附量较少,对硝基苯没有还原效果,而钢渣在pH 6.0时仍可吸附大量Fe(Ⅱ),对硝基苯的还原率与pH 7.0时相当.在pH超过7.5时,溶解性Fe(Ⅱ)转化为Fe(OH)₂,Fe(OH)₂成为系统的还原动力,铁氧化物的存在反而抑制了Fe(Ⅱ)系统的还原能力.     

Scavenging of Cd through Fe/Mn oxides within natural surface coatings

The dynamics of Cd scavenging from solutions by Fe/Mn oxides in natural surface coatings （NSCs） was investigated under laboratory conditions. Selective extraction methods were employed to estimate the contributions of Fe/Mn oxides, where hydroxylamine hydrochloride （0.01 mol/L NH2OH-HCl ＋ 0.01 mol/L HNO3）, sodium dithionite （0.4 mol/L Na2S2O4） and nitric acid （10% HNO3） were used as extraction reagents. The Cd scavenging was accomplished with developing periods of the NSCs （totally 21 data sets）. The resulting process dynamics fitted well to the Elovich equation, demonstrating that the amount of Cd scavenged was proportional to the increments of Fe/Mn oxides that were accumulated in the NSCs. The amount of Cd bound to Fe oxides （MCdFe） and Mn oxides （MCdMn） could be quantified by solving two equations based on the properties of two extraction reagents. The amount of Cd scavenged by Fe/Mn oxides could also be estimated using MCdFe and MCdMn divided by the total amounts of Fe and Mn oxides in the NSCs, respectively. The results indicated that the Cd scavenging by Fe/Mn oxides was dominated by Fe oxides, with less roles attributed to Mn oxides. The estimated levels of Cd scavenging through Fe and Mn oxides agreed well with those predicted through additive-adsorption and linear-regression models.     

Adsorption of Pb, Cd to Fe, Mn oxides in natural freshwater surface coatings developed in different seasons

Metal oxides( Fe, Mn oxides) in natural surface coatings(biofilms and associated minerals) are believed to play a significant role n the fate and transport of trace metal in aquatic environments. Seasonal variation of Fe, Mn oxides and organic materials in surface oatings, which were developed periodically on glass slides in Nanhu Lake, Jilin Province, China over the time frame of three seasons,was investigated in order to understand the influence of metal oxides on Pb and Cd adsorption to heterogeneous surface coating materials(biofilm). Pb and Cd adsorption was measured under controlled laboratory conditions( mineral salts solution with defined speciation, ionic trength 0.05 mol/L, 25~C and pH 6.0). The classical Langmuir adsorption isotherm was applied to estimate equilibrium coefficients of Pb nd Cd adsorption to the surface coatings. In general, components in the surface coatings varied greatly with seasons altering and btained higher concentrations in summer while the content of iron oxides always exceeded that of manganese oxides. Correlation nalyses between the maximum adsorption of Pb and Cd and components in the surface coatings developed periodically indicated that Pb hase association with Mn oxides and Cd phase association with Fe oxides as well as Mn oxides were statistically significant. Effect of Mn xides on Cd adsorption was confirmed in view of its higher content in the surface coatings. The importance of ferromanganese oxides for b and Cd adsorption to the natural surface coatings developed in different seasons was evidenced.     

Investigation on Fe, Mn, Zn, Cu, Pb and Cd fractions in the natural surface coating samples and surficial sediments in the Songhua River, China

Natural surface coating samples （NSCSs） from the surface of shingles and surficial sediments （SSs） in the Songhua River, China were employed to investigate the relationship between NSCSs and SSs in fractions of heavy metals （Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, and Cd） using the modified sequential extraction procedure （MSEP）. The results show that the differences between NSCSs and SSs in Fe fi＇actions were insignificant and Fe was dominantly present as residual phase （76.22% for NSCSs and 80.88% for SSs） and Fe-oxides phase （20.33% for NSCSs and 16.15% for SSs）. Significant variation of Mn distribution patterns between NSCSs and SSs was observed with Mn in NSCSs mainly present in Mn-oxides phase （48.27%） and that in SSs present as residual phase （45.44%）. Zn, Cu, Pb and Cd were found dominantly in residual fractions （〉48%）, and next in solid oxides/hydroxides for Zn, Pb and Cd and in easily oxidizable solids/compounds form for Cu, respectively. The heavy metal distribution patterns implied that Fe/Mn oxides both in NSCSs and SSs were more important sinks for binding and adsorption of Zn, Pb and Cd than organic matter （OM）, and inversely, higher affinity of Cu to OM than Fe/Mn oxides in NSCSs and SSs was obtained. Meanwhile, it was found that the distributions of heavy metals in NSCSs and SSs were similar to each other and the pseudo-total concentrations of Zn, Cu, Pb and Cd in NSCSs were greater than those in SSs, highlighting the more importance for NSCSs than SSs in controlling behaviours of heavy metals in aquatic environments.     

Selective extraction and separation of Fe, Mn oxides and organic materials in river surficial sediments

In order to investigate the adsorption mechanism of trace metals to surficial sediments （SSs）, a selective extraction procedure was improved in the present work. The selective extraction procedure has been proved to selectively remove and separate Fe, Mn oxides and organic materials （OMs） in the non-residual fraction from the SSs collected in Songhua River, China. After screening different kinds of conventional extractants of Fe and Mn oxides and OMs used for separation of heavy metals in the soils and sediments, NH2OH .HCl （0.1 mol/L） ＋ HNO3 （0.1 mol/L）, （NH4）2C2O4 （0.2 mol/L） ＋ H2C2O4 （pH 3.0）, and 30% of H2O2 were respectively applied to selectively extract Mn oxides, Fe/Mn oxides and OMs. After the extraction treatments, the target components were removed with extraction efficiencies between 86.09%--3.36% for the hydroxylamine hydrochloride treatment, 80.63%- 101.09% for the oxalate solution extraction, and 94.76%-102.83% for the hydrogen peroxide digestion, respectively. The results indicate that this selective extraction technology was effective for the extraction and separation ofFe, Mn oxides and OMs in the SSs, and important for further mechanism study of trace metal adsorption onto SSs.     

夏秋季混凝剂对复合锰氧化膜去除地表水中氨氮和锰的影响

在夏秋季较高温条件下,采用3种混凝剂(Fe Cl3、PFC和PAFC)考察其对复合锰氧化膜中试滤柱去除地表水中氨氮和锰的影响.结果表明,Fe Cl3易水解从而降低水体pH且残留大量铁于水体中均不利于氨氮和锰的去除,改变混凝剂Fe Cl3为PFC,可有效恢复滤柱去除氨氮和锰的能力.经PAFC处理后水体中氨氮和锰在滤柱运行期间去除效果稳定且良好.分析滤料结构特性发现,不同混凝剂对滤料的形貌会产生不同的影响.在以Fe Cl3作为混凝剂时,滤料比表面积上升相对缓慢,不利于氨氮和锰的去除.FTIR图谱结果表明,不同混凝剂运行条件下对滤料Fe—OH键的存在有不同影响.本研究为地表水中氨氮和锰去除过程中水质因素的影响研究提供了一定的理论基础.     

佳木斯市水源地源水铁、锰含量超标的原因分析

根据佳木斯市的地质状况及近十年水源地铁、锰的监测数据,分析了佳木斯市各饮用水源地源水铁锰含量超标原因.     

CTMAB增强调控沉积物(生物膜)吸附BPA的作用

研究了经十二烷基苯磺酸钠(SDBS]、曲拉通(TX-100)和十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)改性前后的沉积物(生物膜)吸附双酚A(BPA)的能力,并分析了CTMAB在沉积物(生物膜)吸附BPA过程中的增强机理及表面吸附和分配作用在总吸附中的贡献.研究结果表明,三种表面活性剂对沉积物(生物膜)吸附BPA的促进作用大小...     

钢铁工业氮氧化物污染防治途径研究

针对钢铁工业氮氧化物减排的紧迫形势,首先介绍了钢铁工业氮氧化物主要排放源,提出了烧结工序和自备电厂是氮氧化物排放的主要污染源,其烟气中氮氧化物控制是钢铁企业氮氧化物减排的重点;其次对钢铁工业氮氧化物生成机理,热力型、燃料型、快速型进行了分析;在此基础上,总结了钢铁工业烧结、自备电厂、焦化、炼铁、轧钢工序氮氧化物污染防治技术途径,为钢铁工业进一步开展氮氧化物减排工作提供了技术支撑.     

南亚热带地区水库夏季铁、锰垂直分布特征

铁(Fe)和锰(Mn)均为氧化还原敏感性元素,是水质评价的重要指标之一.为了解南亚热带地区供水水库夏季Fe、Mn的垂直分布特征,于2016年7月调查了粤东地区9座水库敞水区湖沼学变量和Fe、Mn浓度的垂直分布特征.在有明显温度分层的深水水库中Fe、Mn存在显著的梯度分布,表层水体中总Fe(TFe)、总Mn(TMn)以及溶解性Fe、Mn(DFe、DMn)的浓度显著(TFe,F=6.708,P=0.032;TMn,F=9.720,P=0.014;DFe,F=8.129,P=0.029;DMn,F=11.125,P=0.016)低于底层.5座深水水库底层水体中TFe、TMn平均浓度分别为0.399 mg·L~(-1)和0.422 mg·L~(-1),其中溶解态离子占70%以上,而在没有明显温度分层的浅水水库中,表层水体TFe、TMn以及DFe、DMn浓度略低于底层但无显著性差异(TFe,F=0.135,P=0.726;TMn,F=0,P=1;DFe,F=0.006,P=0.943;DMn,F=0.007,P=0.936),4座浅水水库底层水体中TFe、TMn平均浓度分别为0.110 mg·L~(-1)和0.089 mg·L~(-1),且主要以非溶解态存在.水体中TFe和DFe浓度与溶解氧(DO)浓度、p H值和深度呈显著相关关系(P0.05),与总磷(TP)、总氮(TN)浓度没有显著相关性.水体热分层及高的水体稳定性导致DO和p H值呈现明显的梯度分布,是导致深水水库Fe、Mn在水层间形成梯度分布的关键原因.深水水库底层水体低DO浓度和酸性条件有利于沉积物中Fe、Mn的释放,是导致Fe、Mn以溶解态存在的主要原因.同时,以红壤为主的土壤类型可能是该地区水体中Fe、Mn普遍较高的重要原因.以上结果表明,南亚热带地区夏季分层稳定的深水水库底层水体普遍存在Fe、Mn较高的现象,以深层取水的供水方式易出现Fe、Mn浓度超标,湖上层取水则可避免该问题.     

覆盖金属氧化物对湖泊沉积物溶解性有机质特征的影响

为揭示不同金属氧化物对湖泊沉积物DOM（溶解性有机质）影响机制,通过室内模拟试验,在沉积物表层分别覆盖Fe、Al、Mn氧化物及湖沙后培养1 a,并利用三维荧光和紫外光谱方法进行表征.结果表明:① 覆盖Al、Fe、Mn氧化物和湖沙主要降低了0~3 cm沉积物的w（DOC）,降幅分别为8.61%、6.27%、22.38%和0.44%. ② 沉积物中DOM的类络氨酸峰（peak B₁）和类色氨酸峰（peak T₂）均产生较大变化.其中三种氧化物均显著降低了上层沉积物中DOM的peak T₂,使底层DOM的peakT₂显著增加. Mn氧化物使DOM的peak B₁降低,Fe和Al氧化物使DOM的peak B₁增加,湖沙则使两类峰均降低. ③ 覆盖金属氧化物改变了沉积物DOM结构特征,其中覆盖Fe氧化物增强了其芳香性,而覆盖Mn氧化物和Al氧化却降低其芳香性,但三者均使DOM腐质化程度及官能团数量增加,并使FI（Fluorescence Index,荧光指数）增大,表明DOM向生物源转化.研究显示,沉积物表层覆盖金属氧化物影响了沉积物中DOM迁移和转化,并促进了其降解,导致其分子量和腐殖化程度增加.