铁还原菌介导的含氧阴离子黄钾铁矾还原转化：矿物沉淀对潜在有毒元素迁移性的影响

推荐：本研究针对酸性矿山排水(AMD)中黄钾铁矾(jarosite)共沉淀的潜在有毒氧阴离子(AsO43-、CrO42-等)在还原条件下的迁移性问题，通过Shewanella putrefaciens介导的Fe(III)还原实验，揭示了矿物相转变(针铁矿→菱铁矿)及副产物(如副砷铁矿、硒颗粒)对元素固定的关键作用，为AMD治理提供了微生物-矿物协同调控新思路。

　　

在酸性矿山排水(AMD)等极端环境中，黄钾铁矾(jarosite)作为典型的Fe(III)羟基硫酸盐矿物，能通过共沉淀作用固定As、Cr等有毒氧阴离子。然而当环境从氧化态转为还原态时，这些被固定的污染物可能重新释放，威胁生态系统安全。尽管前人已发现微生物能介导铁氧化物的还原溶解，但关于不同氧阴离子如何影响黄钾铁矾的微生物还原路径，以及次级矿物沉淀对污染物再固定的作用机制仍不明确。这一知识缺口严重制约了AMD生物修复策略的精准设计。

针对这一挑战，庆北国立大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表研究，系统比较了含五种氧阴离子(AsO₄^3-、CrO₄^2-、MoO₄^2-、SeO₄^2-、SeO₃^2-)的黄钾铁矾在Shewanella putrefaciens作用下的转化规律。研究采用微生物培养耦合矿物表征技术，通过X射线衍射(XRD)、扫描/透射电镜(SEM/TEM)和电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)等手段，追踪了56天内矿物相变与元素迁移的动态过程。

矿物学性质验证
合成的纯黄钾铁矾与含2/10摩尔百分比氧阴离子的变体均显示标准晶体结构，SEM显示其呈50μm左右的球形颗粒，为后续还原实验提供标准材料。

微生物介导的矿物相变
XRD图谱揭示了三阶段转化规律：(1)所有样品(除10%CrO₄^2-组)在7天内首先生成针铁矿(α-FeOOH)，源于Fe(III)还原溶解后的再沉淀；(2)28天后菱铁矿(FeCO₃)开始形成，与微生物代谢产生的HCO₃^-反应相关；(3)特定体系出现特征沉淀：AsO₄^3-组生成副砷铁矿(Fe₃(AsO₄)₂·8H₂O)，SeO₃^2-/SeO₄^2-组产生单质硒颗粒，而10%SeO₃^2-组还形成铁硒化物。值得注意的是，高浓度CrO₄^2-完全抑制微生物活性，表明铬毒性是环境修复的关键限制因子。

元素迁移性调控机制
ICP-OES数据显示：(1)铁溶出动态呈"钟形曲线"，28天峰值后因次级矿物沉淀回落，10%AsO₄^3-组因副砷铁矿快速形成使铁浓度最低；(2)氧阴离子行为分异：As通过矿物共沉淀速降至0mg/L，Se依赖化学还原为不溶态，Mo主要依靠针铁矿表面吸附，而Cr在高浓度下完全抑制转化。HRTEM-EDS证实副砷铁矿中Fe-As-O均匀分布(39:31:30)，铁硒化物则以Fe-Se键合(61:7)为特征。

这项研究首次系统揭示了氧阴离子种类与浓度对黄钾铁矾微生物还原路径的调控规律，建立了"溶解-再沉淀-固定"的污染物迁移模型。其环境意义在于：(1)证实还原条件下As、Se可通过专属矿物相实现自然衰减，而Cr需优先控制初始浓度；(2)阐明针铁矿/菱铁矿界面吸附对Mo的持续固定作用；(3)为AMD修复中微生物-矿物协同调控提供理论依据，如可通过调控还原菌群落促进副砷铁矿生成来靶向固砷。未来研究可拓展至更多氧阴离子(如VO₄^3-)体系，并量化不同路径的动力学参数以优化修复策略。