Hexavalent Chromium Generation within Naturally Structured Soils and Sediments

自然結構土壤和沉積物中六價鉻的生成

來源: Environmental Science & Technology, Volume 51, 2017, Pages 2058-2067

《環境科學與技術》，第51卷，2017年，第2058-2067頁

 

摘要

論文摘要指出，鉻(III)礦物氧化產生的六價鉻對地下水質量構成威脅。鉻(VI)生成的關鍵決定因素是鉻(III)硅酸鹽或氫氧化物與錳氧化物之間的相互作用。研究通過人工聚集體模擬土壤和沉積物結構，探究了在固定基質中錳氧化物對鉻(III)的氧化潛力。結果表明，在低有機碳環境中，鉻(VI)濃度超過加州飲用水標準二十倍以上；鉻礦物溶解度影響氧化速率，鐵替代增加會降低溶解度并減少鉻(VI)生成；高有機碳環境中，厭氧微站點產生的鐵(II)能抑制鉻(VI)釋放。研究揭示了土壤結構內鉻和錳循環的耦合過程。

 

研究目的

研究目的是探究在模擬土壤和沉積物固定結構介質中，鉻(III)礦物與錳氧化物反應生成鉻(VI)的潛力，并評估氧化還原條件波動對鉻循環的影響，特別是厭氧微站點如何通過還原過程限制鉻(VI)濃度。

 

研究思路

研究采用人工聚集體方法，構建由鉻氫氧化物或鉻鐵氫氧化物包覆石英砂的合成聚集體，模擬自然土壤結構。聚集體被置于流動反應器中，使用合成地下水介質，通過控制條件（如添加合成水鈉錳礦或接種錳氧化細菌Leptothrix cholodnii）來模擬不同環境。測量了水性鉻(VI)濃度、氧氣剖面、固體相元素分布等參數，并結合X射線光譜和熒光映射分析，以評估鉻(VI)生成和還原的動態過程。

 

測量的數據及研究意義

1 水性鉻(VI)濃度數據來自圖1和圖2，研究意義是直接量化鉻(VI)生成水平，顯示在 abiotic 聚集體中鉻(VI)濃度快速上升并超過環境標準，證實固定基質中氧化反應的發生，且鉻礦物溶解度影響持續生成量。

 

 

2 氧氣剖面數據來自圖3，使用丹麥Unisense電極測量，研究意義是揭示聚集體內氧化還原分區，顯示好氧和厭氧區域的分布，證實結構導致氧氣梯度，影響微生物活動和鉻轉化過程。

 

3 固體相元素分布數據來自圖4，研究意義是通過微尺度映射顯示鉻和錳的空間關聯，證實鉻(VI)生成熱點位于錳氧化物附近，強調擴散控制反應的重要性。

 

 

結論

研究得出結論：在模擬土壤結構的固定介質中，錳氧化物能有效氧化鉻(III)生成鉻(VI)，濃度可達環境標準二十倍以上。鉻礦物溶解度（如鐵替代）和擴散距離控制氧化速率；高有機碳環境中，厭氧微站點通過微生物還原作用（如鐵(II)生成）抑制鉻(VI)釋放。土壤結構導致的氧化還原異質性對鉻循環有關鍵影響，低有機碳環境更易導致鉻(VI)污染。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense OX-10微電極測量氧氣剖面，以10μm尖端直徑和高空間分辨率（步長100μm）從聚集體外部到內部量化溶解氧濃度。研究意義在于直接驗證土壤結構引起的氧化還原梯度：數據顯示好氧區域限于表層（如Leptothrix接種聚集體氧濃度>200μM至4.9mm深度），而厭氧內部（如Shewanella接種聚集體氧濃度<0.3μM at 2.3mm）促進還原過程。這種測量揭示了鉻(VI)生成和還原的微環境控制，強調擴散限制下氧氣可用性對微生物群落和鉻轉化的調控，為理解自然系統中鉻遷移提供了關鍵實驗證據。