2020年科研成果梳理

在2020年，我们在Communications Chemistry、Environmental Science & Technology和Water Research上共发表了6篇文章，其余文章若干，包括以下方面内容：

1.        Transformation of siderite to goethite by humic acid in the natural environment发表于Communications Chemistry，主要内容如下：

腐殖酸可以与菱铁矿表面释放的亚铁离子螯合形成Fe(II)-HA络合物，从而加速铁元素从菱铁矿表面脱落并被水中的溶解氧氧化；由于Fe(II)-HA络合物使Fe原子彼此之间保持在足够短的距离内，通过团聚、结晶形成非晶前体纳米颗粒（前驱体）- 六线水铁矿。研究发现该前驱体能够有效地将低浓度的多离子络合物转移到结晶部位。因此，在腐殖酸的作用下，初级纳米铁晶体尽管在空间上彼此分离，但仍能实现晶体排列。这些发现对理解自然环境中铁矿物转化以及营养元素的迁移转化具有重要意义。这些结果不仅支持了前驱体是单晶附着的必要前体假设，而且证实了晶体生长的基本步骤。

2.        Discovery of Welcome Biopolymers in Surface Water: Improvements in Drinking Water Production发表于Environmental Science & Technology，内容如下：

地表水中污染物可分为内源污染物及外源污染物，其中微生物胞外代谢产物是内源污染物的重要组成部分，外源污染物主要指来源于土壤的腐殖质类物质。研究表明，在地表水中腐殖质类物质约占水中有机物含量（以总有机碳计）95%，因而对其在混凝、膜滤工艺单元迁移转化过程开展了大量研究。然而，由于地表水中微生物胞外代谢产物的含量较少（约5%，以总有机碳计），此类物质的特性及在给水处理工艺中的作用尚未被阐明。通过模拟典型的城市给水处理净化工艺，本研究首次揭示了地表水中的微生物胞外代谢产物的作用。研究结果表明，此类微生物胞外代谢产物的分子量为30~90 kDa，核磁共振分析结果表明其化学特性与多糖（海藻酸及纤维素）相似度高，说明其来源主要为地表水中藻类。通过对混凝过程的在线监测，发现极少量的微生物胞外代谢产物通过增强纳米颗粒间的增强黏附作用可使絮体粒径增加近2倍；在纳滤工艺单元中，本研究首次发现了微生物胞外代谢产物的存在可以减缓纳滤膜的污染，在滤膜表面形成吸附功能层减缓膜孔堵塞程度同步提高膜滤出水水质；表面丰富的官能团可使微生物胞外代谢产物在给水工艺流程中耦合吸附重金属离子，提高出水的安全性。本项研究在中国北京和英国伦敦开展，结论在使用分别取自京密引水渠和泰晤士河原水的试验中得到证实。地表水中微生物代谢产物含量虽少，但其功能性不可忽视。本研究以期为给水处理的工艺设计及高效运行提供新思路。

3.        The Fe-N-C oxidase-like nanozyme used for catalytic oxidation of NOM in surface water发表于Water Research，内容如下：

关于地表水中天然有机物在纳米酶催化下化学性质变化的研究工作。我们首次将地表水中天然有机物作为Fe-N-C纳米氧化酶的底物，在中性条件下进行反应，由此发现了一种全新的催化氧化机理，即水中天然有机物在氧化过程中与一类溶解氧和Fe-N-C形成的类超氧自由基活性结构发生反应而被氧化或矿化，并且剩余天然有机物的含氧基团数量明显增加，大幅提高了其亲水性。

4.        Carbon doped Fe3O4 peroxidase-like nanozyme for mitigating the membrane fouling by NOM at neutral pH发表于Water Research，内容如下：

我们利用一种中空花状结构的C-Fe3O4纳米过氧化物酶，研究了限制条件下的高级氧化反应对于水中有机物的改性作用，以及改性后天然有机物对膜过滤工艺的影响。我们发现在中性条件下，低浓度的羟基自由基与天然有机物反应后，能够大幅提高天然有机物的亲水性，从而有效控制了天然有机物对超滤/纳滤膜的污染。

5.        Abatement of the membrane biofouling: Performance of an in-situ integrated bioelectrochemical-ultrafiltration system发表于Water Research，内容如下：

工作研究了生物电耦合作用对超滤膜污染及超滤膜表面生物膜形成的影响。结果表明，超滤膜表面富集的微生物种群受电耦合的调控作用，电活性微生物的丰度在耦合体系中的表达显著高于常规工艺体系。此外，电活性生物膜与导电膜表面的电子交换能力随着运行时间的进行呈递增趋势，表明微生物电活性逐渐增强。生物膜结构的观察及其内部生物大分子含量的检测表明生物电耦合作用降低了生物大分子物质在膜表面的累积，从而达到缓解膜污染的效果。