乳化植物油-FeSO4强化原位生物地球化学转化修复四氯乙烯污染含水层的反应区演化与效能评估

针对氯代溶剂污染含水层修复效率低、副产物风险高的难题，研究人员通过乳化植物油(EVO)-FeSO4构建原位生物地球化学转化(ISBGT)体系，揭示反应区三阶段演化规律及硫铁矿物生物地球电池形成机制，实现PCE去除率93.3%且96.36%为无生物降解贡献，为ISBGT技术优化提供重要理论支撑。

　　

氯代有机溶剂污染是地下水环境治理的世界性难题。传统抽提处理技术难以清除低渗透区污染物，而依赖微生物的原位生物修复又常因营养缺乏或厌氧条件导致降解不完全，产生致癌物氯乙烯(VC)等危险副产物。近年来，以黄铁矿、硫化铁等氧化还原活性亚稳态相(RAMPs)介导的无生物β-消除反应展现出独特优势，可将四氯乙烯(PCE)直接转化为无毒终产物。基于此发展的原位生物地球化学转化(ISBGT)技术，通过注入乳化植物油(EVO)和FeSO₄等改良剂生成RAMPs，兼具环境友好与成本效益，但反应区演化机制、矿物老化过程及长期渗透性变化等关键科学问题尚未阐明。

中国国家自然科学基金资助项目的研究团队在模拟柱系统中构建EVO-FeSO₄强化ISBGT体系，通过300天实验首次系统解析反应区三阶段动态演化规律：乳化油分解阶段（pH骤降提供微生物生长底物）、微生物还原阶段（硫酸盐还原菌主导形成FeS_x矿物外层）和β-消除阶段（硫铁矿物生物地球电池驱动PCE降解）。借助X射线衍射和微生物测序技术，阐明FeS₂、Fe₃S₄等矿物晶体结构演变与微生物群落协同作用机制，发现体系渗透性先降后升的"自修复"特性。最终实现PCE去除率93.3%，其中无生物降解贡献占比96.36%，显著优于传统生物还原脱氯工艺。该成果发表于《International Biodeterioration》，为ISBGT技术参数优化和工程应用提供重要理论依据。

关键技术方法包括：1）模拟柱系统构建与渗透性监测；2）EVO-FeSO₄改良剂配方优化（含1%大豆油、2%吐温80及酵母提取物）；3）液相色谱分析PCE及其降解产物；4）X射线衍射表征矿物相变；5）高通量测序解析微生物群落演替。

反应区环境指标动态变化
监测显示pH值从初始7.2降至5.1后回升至6.8，ORP（氧化还原电位）持续保持<-200mV的强还原环境。硫酸盐浓度在微生物还原阶段骤降85%，伴随Fe²⁺浓度升高与H₂S生成，证实硫酸盐还原菌(SRB)的代谢活性。

矿物形态与微生物群落协同演化
FeS_x矿物经历从非晶态到晶态的转变，后期形成的黄铁矿(FeS₂)与磁黄铁矿(Fe₃S₄)构成电子传递网络。微生物分析显示Desulfobacteraceae（脱硫杆菌科）相对丰度提升12倍，与矿物表面Fe²⁺/Fe³⁺循环形成共生关系。

修复效能与渗透性变化
PCE一级降解速率常数达0.058d^-1，渗透系数初期下降60%后恢复至初始值80%，归因于矿物沉淀-溶解动态平衡。降解产物以乙烯（占比62%）为主，未检测到VC积累。

该研究创新性揭示ISBGT体系中"微生物-矿物-污染物"三元相互作用机制，证实硫铁矿物生物地球电池的持续电子传递能力。提出的三阶段演化模型为反应区寿命预测提供新思路，而渗透性自恢复现象则破解了传统技术中孔隙堵塞的工程瓶颈。未来通过优化EVO-FeSO₄投加比例与注入策略，有望推动ISBGT技术在高浓度氯代烃污染场地的规模化应用。