厌氧微生物作用下近海沉积物中砷的转化研究

　　沉积物中砷的稳定性主要由砷在水-沉积物固液界面的吸附/解吸、氧化/还原、沉淀或共沉淀等过程控制，使砷在各种赋存形态之间相互转化并在不同相间进行再分配。诸多影响因素中氧化还原条件是控制砷形态转化的重要因子，特别是厌氧微生物的还原作用驱动着砷及与之相关的铁，硫元素的形态转化，进而影响砷的环境地球化学过程。然而其发生的过程和涉及的机理极其复杂，目前还不十分清楚。中国科学院沈阳应用生态研究所的一个研究组对厌氧微生物驱动的砷的形态转化过程进行了深入研究，相关结果发表在2011年12月15日的《Water research》

　　该研究组发现厌氧微生物主导了的砷从铁氧化物结合的形态逐渐转化为硫化物结合的形态，以及相应过程中铁、硫元素的形态转化与砷的形态转化的关联。在这个过程中砷的归趋及可能的转化途径为首先厌氧条件下砷被释放和还原，后期再次被沉淀。通过同步辐射XANES对固相中砷的形态进行表征，发现经过厌氧培养后沉积物中的砷主要以稳定的砷的硫化物（类似As₂S₃的矿物）形态存在。

　　图1 （左）不同化学形态标样中As的K边XANES谱：(A) Na₃AsO₄； (B) Na₃AsO₃； (C) FeAsS； (D)AsS； (E) As₂S₃； (F)原沉积物；(G) 30°C条件下培养20天后的沉积物；(H) 30°C条件下培养60天后的沉积物。（右）S的XANES谱：(A) FeS；(B) FeS₂; (C) FeAsS；(D) AsS； (E) As₂S₃；(F) S；(G) FeSO₄；(H) Fe₂(SO₄)₃；(I) 30 °C条件下培养20天后的沉积物；(J)原沉积物。

　　采用同步辐射装置表征元素的微观形态能够看到更加确切的元素转化过程。本研究分别利用北京同步辐射装置（BSRF）和合肥国家同步辐射实验中心（NSRF）获得了微生物作用过程中下硫元素和砷元素的形态转化过程，并确定了硫元素是以低价混合价态的S(0)，S(-I)，S(-II)的矿物为主，砷主要为类似As₂S₃的矿物形态而存在。

　　该研究从微观的尺度开展砷的环境地球化学过程和机理的研究，阐释了当厌氧微生物驱动的锦州湾近海沉积物从氧化-亚氧化环境转向厌氧环境时砷的转化和再分配过程以及砷的环境归趋。中科院沈阳应用生态研究所副研究员许丽英这样描述他们的工作：“微生物驱动的沉积物中砷的形态转化与环境归趋受到各种环境介质和地球化学条件的影响，其地球化学过程因地域不同有所不同，加州大学的O’Day教授研究发现旧金山湾沉积物中砷的归趋是以AsS为主，而在我国锦州湾地区近海沉积物中特定环境介质与环境微生物影响下雌黄成为主要的次生矿物形态。

　　发表文章：

　　Liying Xu, Zhixi Zhao, Shaofeng Wang, Rongrong Pan, Yongfeng Jia*.Transformation of arsenic in offshore sediment under the impact of anaerobic microbial activities. Water research, 2011, 45,6181-6188.