在地下水过滤器中，生物膜会加速涂有活性MnOx的过滤砂上As(III)的氧化过程

《ACS ES&T Water》：Biofilm Accelerates As(III) Oxidation on Reactive MnOx Coated Filter Sand in Groundwater Filters

表面催化与生物氧化协同作用提升地下水砷去除效率，实验证实生物氧化速率达4.64 min?1，是化学氧化的14倍。抑制微生物后氧化速率显著下降，表明生物机制主导后期反应。微生物群落中Comamonadaceae和Polaromonas丰度增加，证实其参与砷氧化过程。

　　
地下水滤沙中锰氧化物涂层对砷污染的氧化机制研究显示，生物氧化作用显著提升了砷的去除效率。该研究通过实验室模拟和实际滤沙样本分析，发现地下水滤床中的生物膜在长期运行中逐渐主导砷（III）的氧化过程，其反应速率较传统表面催化氧化提升14倍。这一发现为开发可持续的砷安全饮用水处理系统提供了新思路。

研究团队采集了比利时某水处理站成熟滤沙样本，发现其表面形成混合型锰氧化物涂层（含 Birnessite、Todorokite等矿物）。通过为期66天的实验室柱状滤芯实验，观察到砷（III）氧化机制随运行时间发生显著转变：

初期阶段（前3周），砷（III）氧化主要依赖表面催化作用。此时每氧化1摩尔砷（III）会释放1摩尔锰（II），反应速率常数达0.318 min?1。但该过程存在局限性：随着滤沙表面吸附饱和，催化效率逐渐下降，且释放的锰（II）浓度与砷氧化量出现偏离（最终降至0.07 mol比）。

转折点出现在第22天（运行13,600个孔隙体积后），此时生物膜主导的氧化机制完全取代了表面催化。新形成的生物膜中富含已知砷氧化菌门Comamonadaceae（占比17%）和Microscillaceae，其优势菌种Polaromonas展现出高达4.64 min?1的氧化速率常数，使砷（III）半衰期缩短至9秒。通过NaN?抑制实验证实，微生物活性与氧化效率直接相关。

研究创新性地提出"生物-矿物协同"机制：成熟滤沙表面形成的生物膜不仅增强砷氧化效率，其自身还参与锰氧化物的形成与更新。电子显微镜显示，生物膜以斑块形式附着在滤沙颗粒表面，形成动态更新的催化界面。XRD和拉曼光谱分析表明，涂层矿物组成在氧化过程中发生演变，结晶度提升并出现更多 Birnessite 相结构，这可能是生物膜调控矿物表面活性的结果。

与传统技术相比，该机制具有三重优势：1）生物膜的形成与再生具有自适应性，克服了表面钝化问题；2）氧化速率提升14倍，满足快速过滤需求；3）无需添加氧化剂，符合发展中国家经济适用的技术要求。研究特别指出，滤沙中初始存在的Nitrospiraceae等微生物在砷浓度达500 μg/L时仍能维持活性，证明生物膜对高浓度砷具有耐受性。

该成果对饮用水处理工艺革新具有重要指导意义。在工程应用中，可通过优化滤沙表面条件（如孔隙结构、矿物比例）促进目标菌群定殖，实现生物氧化主导的砷去除系统。未来研究需进一步解析生物膜与矿物相互作用的分子机制，以及不同水质条件下的菌群演替规律，为规模化应用提供理论支撑。