夏庆银：粘土矿物和螯合剂协同作用下还原态铀的稳定性和生物修复效果评价【ES&T，2022】

发布时间：2022-01-21       阅读：3次

微生物还原固定已被作为原位U污染治理的主要策略和手段，将易迁移的六价铀U(VI)还原为溶解度较低的四价铀U(IV)，实现场地修复目标。粘土矿物普遍存在于自然环境，并被认为是处置放射性含U废料的最佳地质屏障。有机酸、铁载体等有机螯合分子，作为生物代谢产物亦广泛存在于U污染场地。在这样一个复杂的自然体系中，生物修复产物U(IV)的稳定性，对评价U污染治理体系起着至关重要的作用。

针对上述科学问题，我校地球科学与资源学院“极端环境生物地球化学循环”求真研究群体博士研究生夏庆银在董海良教授指导下，以绿脱石为典型含铁粘土矿物，并选取环境中常见有机螯合分子（有机酸、铁载体等），通过实验+模拟的方式探究粘土矿物和螯合剂协同作用下生物还原U(IV)的稳定性。通过系统研究分析，取得如下创新性认识：

1、在没有螯合剂存在条件下，绿脱石即可氧化生物还原的U(IV)矿物，但氧化速率和程度相对较低；螯合剂可以极大程度地改变U(IV)的氧化动力学过程，与螯合剂种类及浓度相关（图1）；

2、柠檬酸和EDTA可以增强粘土矿物结构Fe(III)氧化U(IV)的速率和程度，且增强效果与螯合剂浓度成正比；铁载体DFOB则部分抑制了U(IV)的氧化，但是其抑制效果却与螯合剂浓度成反比（图1），e.g., DFOB体系内存在着方向相反的两套驱动机制：钝化DFOB-Fe(III)，活化DFOB-U(IV)；此外，DFOB吸附在粘土边部，抑制平行基面的电子传递过程，减缓U(IV)氧化过程；

3、螯合剂主要通过形成ligand-U(IV) complex，克服固相-固相反应屏障，影响绿脱石和U(IV)矿物之间的电子传递；实验数据和数值模拟证实，ligand-Fe(III) complex的形成不是NAu-2-U(IV)的主要限速步骤（图2）；

4、粘土的层状结构可以捕获氧化产物U(VI)，降低溶液中游离态U(VI)浓度，进一步加速U(IV)氧化；粘土界面电子传递和溶液相中形成的Fe²⁺/Fe³⁺电子穿梭体亦是U(IV)氧化的驱动力（图2）。

该结果帮助我们了解自然界中普遍存在的含铁粘土矿物和有机螯合分子对生物还原U(IV)产物稳定性的作用机制，有助于我们更为妥善地设计铀污染修复策略和含铀尾矿的处置方法；对于全面理解包括U在内的重金属的生物地球化学行为具有重要的启示意义。

图1: 螯合剂对绿脱石氧化生物还原U(IV)产物的影响

图2：螯合剂存在条件下绿脱石氧化生物还原U(IV)产物的途径与机制

上述研究成果经主编许可，以超出article千字形式发表在环境科学与工程领域国际权威刊物 《Environmental Science & Technology》上： Qingyin Xia, Qusheng Jin, Yu Chen, Limin Zhang, Xiaoxu Li, Sheng He, Dongyi Guo, Juan Liu and Hailiang Dong. Combined Effects of Fe(III)-Bearing Nontronite and Organic Ligands on Biogenic U(IV) Oxidation, 2022. [IF2020=9.028]

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04946