異化鐵還原菌還原分解含As(Ⅴ)水鐵礦：礦物生成動力學(xué)的制約

1、異化鐵還原菌還原分解含 As ( V)水鐵礦：礦物生成 動力學(xué)的制約1 引言自然界的水體中砷主要是以砷酸鹽( As5+)和亞砷酸鹽(As3+)的形式存在的。不同價態(tài)的砷的毒性差別甚大，如三價 砷的毒性比五價砷的毒性大將近60倍13。砷早已被證明是致癌物質(zhì)， 導(dǎo)致皮膚癌和內(nèi)部器官癌， 急性的砷中毒則會導(dǎo)致中 樞神經(jīng)出現(xiàn)問題、 消化道和呼吸道病變， 甚至直接導(dǎo)致中毒死亡； 慢性砷中毒也會引起神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生紊亂、食欲減退、全身乏力、 惡心及皮膚病變等 47。由于砷中毒情況日益嚴(yán)重，所以早在 1993年，世界衛(wèi)生組 織( WH)O 修訂飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將地下水砷的最大允許濃度從 50卩g/ L降到10卩

2、g/ L，中國在生活飲水國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)二 次供水設(shè)施衛(wèi)生規(guī)范(B17051-1997)中規(guī)定，飲用水中砷含 量必須小于10卩g/ L8。水鐵礦(Fe5HO8?4H2)是一種弱結(jié)晶的鐵氫氧化物，顆粒 尺寸小，通常為26 nm。水鐵礦具有極大的比表面積和高表面 活性，可以通過吸附和共沉淀與地表水中的污染物質(zhì)相互作用， 故可利用合成水鐵礦來去除廢水中的污染物質(zhì)， 如砷。研究表明， 水鐵礦對As ( V)的去除率可以達(dá)到 99.5%9。生物還原分解水鐵礦是一種重要 As 釋放機(jī)制。水鐵礦還原分解 除受到微生物種類、環(huán)境條件影響之外也受到自身特征的制約， 而其礦物學(xué)特征往往受其生成動力學(xué)的影響1014。本

3、研究的目的為通過控制水鐵礦生成速率，合成不同粒徑、 結(jié)晶度的含As水鐵礦，探討水鐵礦在 DIRB作用下還原分解和 As釋放的特征，進(jìn)而闡明水鐵礦生成動力學(xué)對其微生物還原分 解的制約。2 材料與方法2.1 含砷水鐵礦的制備含砷水鐵礦的制備：在25C恒定溫度下使用電位滴定儀將 氫氧化鈉(2.5mol/L )加入到硝酸鐵和As (V)的混合溶液(初 始pH=1.5)中并且不斷對溶液進(jìn)行攪拌來進(jìn)行水鐵礦和As (V)的共淀實驗。實驗中所使用的鐵標(biāo)準(zhǔn)貯備液含有 0.5mol/L 的硝 酸鐵和0.5mol/L的硝酸，不同實驗中的硝酸鐵-As (V)混合溶 液的初始體積均為100mL,其中含有20mL的硝酸

4、鐵標(biāo)準(zhǔn)貯備液， 硝酸鐵的濃度均為0.1mol/L ,調(diào)節(jié)As (V)的添加量使得混合 溶液中的 As/Fe 比率分為 0、0.001 、0.01 和 0.1 四個不同的水 平，剩余體積用去離子水補(bǔ)足?？刂频味ńK點為pH=7.0，通過調(diào)節(jié)滴定速率來制備不同時間梯度(Oh、3h、5h、8h、10h)的 水鐵礦-As (V)共沉淀樣品。將滴定之后所得的混合溶液靜置 2h以達(dá)到吸附平衡，之后使用離心機(jī)(LXJ- H)在3000r/min 下離心10min,使用雙道原子熒光光度計(AFS-820)測量上清液中的As (V)濃度。用去離子水將所得固體清洗35遍以洗盡其中的鹽，之后將樣品置于冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行

5、干燥，使用 XRD(D/Max-RB分析樣品。所得的水鐵礦-As (V)固體粉末在冰 箱冷凍室中冷凍保存 15 17 。如圖1和圖2所示是As/Fe=O時的水鐵礦樣品的 XRDffl譜， 從圖中可以看到該樣品無明顯衍射峰， 說明其結(jié)晶程度低， 這與 Schwert-mann 和 Cornell 所認(rèn)為的水鐵礦為結(jié)晶程度低的無定 形氧化物相符 18 。2.2 DIRB 還原分解水鐵礦實驗DIRB的活化：稱取 NaCI 1g、MgCI2 0.02g、CaCI2 0.02g、KCl 0.6g 、 KH2PO4 0.2g、 NH4Cl 0.25g、 NaNO3 0.4g、 CH3COONa 0.4g置

6、于500L錐形瓶中，加入200mL去離子水制成 DIRB的培 養(yǎng)基。待完全溶解之后用紗布、 錫箔紙和牛皮紙封住瓶口置于消 毒箱中在120C下消毒30min19。之后將錐形瓶置于無菌操作 臺下用紫外線殺菌20min，待溶液冷卻至室溫時，移除圖 1 As/Fe=0 時不同反應(yīng)時間得到的水鐵礦 -砷(五價)樣 品的XRD圖像圖2制備時間=10h時不同As/Fe比率的樣品的XRD圖像20mL再加入20mL DIRB菌液置于35.5 C恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)35d,帶溶液中出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象時進(jìn)行擴(kuò)培實驗。DIRB的擴(kuò)培：稱取 NaCI 2.5g、MgCl2 0.05g、CaCl2 0.05g、KCI 1.5g、

7、KH2PO40.5g 、 NH4CI0.625g、 NaNO31g、 CH3COON1ag置于500L錐形瓶中，加入500mL去離子水待完全溶解之后用紗 布、錫箔紙和牛皮紙封住瓶口置于消毒箱中在120C下消毒30mi n。之后將錐形瓶置于無菌操作臺下用紫外線殺菌20min,待溶液冷卻至室溫時，移除 50mL再加入50mL DIRB活化實驗所 得的菌液置于35.5 C恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)35d,帶溶液中出現(xiàn)渾 濁現(xiàn)象時進(jìn)行接種。取前述實驗所得的不同 As/Fe 比率和不同時間梯度的水鐵礦-As (V)樣品(As/Fe=O、0.001、0.01、0.1 ;時間為 Oh、 5h、10h)各1g置于250

8、mL鹽水瓶中。取12個250mL鹽水瓶， 用去離子水洗凈烘干待用，配置2000mL DIRB培養(yǎng)基，往12個鹽水瓶中各加入180mL培養(yǎng)基，再各加入20mL擴(kuò)培得到DIRB菌 液，封住瓶口置于35.5 C恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每隔一定時間取 其中2mL溶液離心后1mL測砷含量、1mL測鐵含量，待實驗結(jié)束 后取底部水鐵礦-As (V)樣品測量其 XRD TEM和SEM以探究 其物象變化情況 20 。3 結(jié)果與討論圖35所示是制備時間為 0h、5h和10h下不同As/Fe比率 的樣品在DIRB作用下Fe和As的釋放曲線。從圖中可以看到在 相同的制備時間下 As/Fe=0.1的樣品的As釋放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于

9、As/Fe=0.01和0.001的樣品，這是因為其初始 As含量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于其他兩個樣品， 并且隨著時間的推移， 釋放量呈逐漸上升趨勢。 As/Fe=0.01 和 0.001 的樣品的變化趨勢不明顯，這可能與其本 身含有的As的含量很有限有關(guān)；在相同的制備時間下 As/Fe=0.1的樣品的 Fe 的釋放量也低于其他 As/Fe 比率的樣品，這是因為 As 的存在阻礙了 Fe 的釋放；在相同的 As/Fe 比率的條件下，制 備時間越短， 釋放量越多， 這是由于水鐵礦的結(jié)晶程度與反應(yīng)的 時間有著密切的關(guān)系。時間越短，水鐵礦生長的時間就越短，其 結(jié)晶程度就越低， As 與水鐵礦的結(jié)合程度就越弱；相反

10、，時間 越長，水鐵礦的生長時間就越長，其結(jié)晶程度就越高，As 和水鐵礦的結(jié)合程度就越高。因此，制備時間越短， As 的釋放量越 多；制備時間越長，As的釋放量越少。As的含量對Fe的釋放有 影響，As含量越少，F(xiàn)e的釋放量越多；As含量越高，F(xiàn)e的釋放 量越少。這也與相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于 As的含量對Fe釋放的影響相一 致。時間為Oh的樣品的釋放量明顯高于制備時間為 5h和10h的 樣品，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到14d的時候，制備時間Oh的樣品的Fe含量 達(dá)到28mg/L，同樣地，As的釋放也表現(xiàn)出相同的狀況。這是因 為制備時間越長，水鐵礦的結(jié)晶度就越高，其Fe的釋放就越難進(jìn)行， As 的釋放也隨之難以進(jìn)行；相反，制備時間越短，水鐵 礦的結(jié)晶程度就越低，其 Fe和As的釋放就越易進(jìn)行。4 結(jié)論本實驗結(jié)果表明：（1）DIRB能夠有效溶解水鐵礦，當(dāng)水鐵礦表面的吸附