发酵磷源驱动微生物转化芬顿污泥为晶态铁矿物及其重金属固定化机制研究

本研究针对芬顿污泥(FS)非晶态结构导致的吸附效率低、稳定性差问题，通过Fe(III)还原菌(如Shewanella oneidensis MR-1)结合发酵上清液磷源，将其转化为晶态铁矿物（磁铁矿magnetite与蓝铁矿vivianite）。结果表明：低磷条件生成magnetite对Cu吸附达139.8 mg g?1，高磷条件形成vivianite对Pb/Cd吸附分别提升至200.1/123.9 mg g?1，显著优于原始FS（23.5/15.1/13.9 mg g?1）。该策略为工业废渣资源化与土壤修复提供新思路。

　　

在工业废水处理领域，芬顿反应(Fenton reaction)因其高效氧化特性被广泛应用，但每年产生的数百万吨芬顿污泥(Fenton sludge, FS)却成为环境负担。这些富含无定形铁氢氧化物的污泥虽具吸附潜力，却因结构不稳定、功能基团有限，难以有效固定重金属。与此同时，全球土壤重金属污染日益严峻，传统修复材料成本高昂。如何将废弃物转化为高效修复剂，实现"以废治污"，成为环境科学领域的重要命题。

针对这一挑战，中国科学院等机构的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表创新成果。研究人员巧妙利用铁还原菌(Fe(III)-reducing bacteria)的代谢能力，结合厌氧发酵获得的磷源，将FS转化为具有明确晶体结构的铁矿物——蓝铁矿(vivianite)和磁铁矿(magnetite)。通过调控磷浓度定向调控矿物类型：低磷(≤50 mg L^?1)时主要生成magnetite，高磷(≥200 mg L^?1)则优先形成vivianite。这两种生物矿物展现出惊人的重金属吸附性能，其中vivianite对铅(Pb)和镉(Cd)的吸附容量分别达200.1 mg g^?1和123.9 mg g^?1，较原始FS提升13倍和9倍；而magnetite对铜(Cu)的吸附量达139.8 mg g^?1，提高近6倍。

关键技术包括：(1)采用模式菌株Shewanella oneidensis MR-1进行铁还原；(2)利用污水处理厂污泥厌氧发酵上清液作为磷源；(3)通过X射线衍射(XRD)和穆斯堡尔谱分析矿物相变；(4)结合同步辐射技术解析重金属固定机制；(5)开展中试反应器验证规模化应用潜力。

【微生物转化FS至蓝铁矿或磁铁矿：磷酸盐浓度的影响】
通过XRD和电子显微镜分析发现，原始FS主要为无定形水铁矿(ferrihydrite)。在低磷条件下(50 mg L^?1)，微生物活动受限，Fe(II)产量较低(最终浓度~1.2 mM)，形成黑色磁性magnetite；而高磷条件(200 mg L^?1)下，微生物活性增强，Fe(II)积累达3.8 mM，生成蓝色片状vivianite。磷酸盐通过调控电子传递链活性影响矿化路径。

【重金属吸附性能提升机制】
EXAFS分析揭示三种重金属固定机制差异：Pb通过vivianite溶解-再结晶过程进入矿物晶格；Cd主要依赖表面沉淀形成Cd₃(PO₄)₂；Cu则以同晶置换(isomorphic substitution)方式取代magnetite中Fe位点。这种结构固定使重金属浸出毒性降低70%-90%。

【中试应用与土壤修复】
在50L反应器中，利用实际FS和发酵液成功合成目标矿物。修复污染土壤28天后，有效态Pb、Cd、Cu分别降低82.3%、76.8%和88.1%，且生物有效性显著低于原始FS处理组。

该研究开创性地将两种工业废弃物(FS与发酵液)转化为高值修复材料，阐明磷介导的生物矿化调控机制，为重金属污染治理提供"废物-资源-治理"闭环解决方案。特别值得注意的是，研究中采用的发酵磷源来自污水厂剩余污泥，实现"以废治废"的双重循环经济效应。团队开发的定向矿化调控策略，可针对不同污染类型(如Pb/Cd为主或Cu为主)灵活选择工艺参数，具有重要工程应用价值。未来研究可进一步优化菌群组合与磷源配比，推动该技术向产业化迈进。