从水力压裂返排水中回收的含Fe(III)固体微生物还原及其对废水处理的启示

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水力压裂 返排水 微生物还原 废水处理 含铁固体

水力压裂（hydraulic fracturing）是一种从非常规储层中提取天然气的技术，但其过程中会产生大量的返排水和产出水。这些水中含有复杂的有机和无机成分，尤其是与这些流体相关的固体物质，通常富含铁（Fe）、有毒有机物、重金属和天然放射性物质（NORM）。尽管这些固体物质对环境和人类健康构成潜在威胁，但关于其成分及其与微生物群落的相互作用的研究仍然有限。此外，这些固体物质的长期环境归宿也缺乏深入理解。

本研究旨在分析来自英国Bowland页岩（Bowland Shale）水力压裂井的返排水中的固体物质，并探讨这些富含Fe(III)的固体在厌氧条件下被微生物还原的潜力。通过使用电子穿梭体（electron shuttle）——蒽醌-2,6-二磺酸盐（anthraquinone-2,6-disulfonate, AQDS），研究团队鉴定了生物还原后的矿物相，并分析了微生物群落的组成。该研究为开发基于微生物的废水处理策略提供了新的见解，尤其是如何利用这些Fe(III)固体来氧化有毒有机物并减少废物的毒性。

论文来源

该研究由来自英国曼彻斯特大学（University of Manchester）地球与环境科学系Williamson分子环境科学研究中心（Williamson Research Centre for Molecular Environmental Science）的Natali Hernandez-Becerra、Sophie L. Nixon、Christopher Boothman和Jonathan R. Lloyd共同完成。论文于2024年12月2日被接受，并发表在期刊《Geo-Bio Interfaces》上，DOI为10.1180/gbi.2024.11。

研究流程与结果

1. 固体物质的回收与表征

研究首先从Bowland页岩的返排水中回收了悬浮固体。通过离心法（centrifugation）分离出固体物质，并使用X射线衍射（XRD）技术对其进行表征。结果表明，这些固体物质主要包含赤铁矿（akaganeite, β-FeOOH）和含钡的天青石（celestine, SrSO4）。此外，研究还使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）进一步确认了这些矿物的形态和元素组成。

2. 微生物还原实验

研究团队设计了一系列微生物还原实验，使用了两种接种物：一种是纯培养的Shewanella frigidimarina（一种兼性厌氧嗜盐细菌），另一种是从返排水中分离的Fe(III)还原富集培养物。实验在厌氧条件下进行，使用了AQDS作为电子穿梭体。研究监测了Fe(II)的生成量，并通过XRD和SEM分析了还原后的矿物相。

实验结果显示，所有接种处理的Fe(III)固体均被还原为Fe(II)，其中AQDS的加入显著加速了还原过程。在Shewanella frigidimarina和富集培养物中，Fe(II)的浓度分别从0.5 mmol/L和2 mmol/L增加到15 mmol/L和21 mmol/L。XRD分析表明，富集培养物处理中形成了铁白云石（ankerite, Ca(Fe,Mg,Mn)(CO3)2），而Shewanella处理中则未检测到高度结晶的Fe(II)矿物，可能是由于形成了无定形矿物相。

3. 微生物群落分析

通过16S rRNA基因测序，研究团队分析了固体物质中的微生物群落组成。结果表明，固体物质中主要的微生物类群包括Chromohalobacter、Caminicella和假定的Fe(III)还原菌属。在Shewanella处理中，Shewanella属的序列占主导地位，而在富集培养物处理中，Fuchsiella属的序列最为丰富。这些微生物的Fe(III)还原能力为开发基于微生物的废水处理策略提供了潜在的应用价值。

结论与意义

该研究首次对英国Bowland页岩水力压裂返排水中的Fe(III)固体进行了详细表征，并证明了这些固体在微生物还原过程中的潜力。研究结果表明，Fe(III)固体可以通过微生物还原转化为更容易处理的矿物相，如铁白云石。此外，微生物还原过程还可以通过优化条件（如pH和盐度）来促进磁性矿物（如磁铁矿）的形成，从而进一步提高废物的回收效率。

这项研究为水力压裂废水的管理提供了新的思路，尤其是如何利用微生物还原Fe(III)固体来氧化有毒有机物并减少废物的毒性。此外，研究还强调了微生物群落在废水处理中的重要作用，为未来的废水处理策略设计提供了科学依据。

研究亮点

  1. 首次对非北美页岩系统的返排水固体进行表征：该研究首次对英国Bowland页岩的返排水固体进行了详细分析，填补了地理区域上的研究空白。
  2. 微生物还原Fe(III)固体的潜力：研究证明了Fe(III)固体在微生物还原过程中的潜力，并鉴定了生物还原后的矿物相。
  3. 电子穿梭体的应用：AQDS的加入显著加速了Fe(III)的还原过程，为优化微生物还原条件提供了新的思路。
  4. 微生物群落的多样性：研究揭示了返排水固体中丰富的微生物群落，尤其是Fe(III)还原菌的存在，为废水处理策略的设计提供了重要参考。

其他有价值的信息

研究还指出，返排水中的Ba和Sr（可能包括Ra-226）在Fe(III)还原过程中仍然被固定在矿物相中，表明这些矿物相在废水处理中具有潜在的稳定性。此外，研究团队建议未来的研究应进一步探索微生物群落对有机物的降解能力，并通过宏基因组学方法鉴定与有机物降解相关的功能基因。

这项研究为水力压裂废水的管理提供了新的科学依据，并为开发基于微生物的废水处理策略奠定了重要基础。