微生物还原分解硫酸盐矿物和铁氧化物:矿物溶解性的制约

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硫酸盐还原菌(SRB)是地球表生还原环境中重要的功能菌,对元素循环、地球生态及环境治理有重要作用。本文以乳酸钠为碳源,围绕矿物学性质影响硫酸盐还原菌分解矿物的效果开展了如下实验:(1)SRB对不同溶解性硫酸盐矿物(石膏和硬石膏)的分解及针铁矿对分解效果的影响;(2)SRB对铅矾的分解及针铁矿对分解效果的影响;(3)SRB菌作用下磁性铁氧化物的分解。通过监测实验过程中的pH、ORP、蛋白质、硫离子、硫酸根、磁化率等指标和对比反应前后固体相理化性质的差异,分析制约SRB生长和SRB分解矿物的矿物学机制。研究得到如下结果:在SRB-硫酸盐矿物实验体系中,实验结束后S2-上升程度及蛋白浓度均为硫酸钠>石膏>硬石膏,表明硫酸盐矿物对SRB菌生长代谢的促进作用主要与其溶解速率有关;针铁矿对SRB的生长和硫酸盐矿物的分解均有促进用,主要机制为通过形成铁硫化物的沉淀,减少S2-对SRB的毒害。在SRB-铅矾体系中,实验结束后溶液pH和ORP均有所降低;SO42-在SRB生长停滞期上升,随后保持稳定;酸可挥发性S浓度随SRB的生长逐渐升高,并最后保持稳定;实验结束后铅矾大部分转化为白铅矿(PbCO3)和方铅矿。加入针铁矿后SRB代谢产生的S2-除与Pb反应生成沉淀外,还可与针铁矿反应,还原其中的Fe3+为Fe2+,同时自身氧化为多种物相。SRB作用下,铅矾分解转化的机制为:铅矾溶解产生的SO42-供SRB生长利用,Pb与CO32-反应生成白铅矿(PbCO3);硫酸盐还原产生的S2-与铅矾和白铅矿分解释放的Pb反应生成方铅矿沉淀;针铁矿促进了铅矾的分解,机制为作为SRB生长的电子受体,提高体系中SRB的生物活性。接种SRB条件下,磁性铁氧化物的磁化率发生有规律变化:磁铁矿先上升后稳定,磁赤铁矿先上升,后下降回初始值。结果表明SRB可直接与磁性铁氧化物作用,促进其还原分解;磁铁矿中的Fe2+会与SRB菌代谢产物反应生成沉淀,覆盖包裹矿物,抑制SRB作用下其自身的还原分解;磁化率可作为表征纳米磁性铁氧化物分解的间接指标。
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