富里酸和Ca2+共存對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌介導生成次生高鐵礦物的影響*

黃海濤 王 崇 耿康慧 魏彩春# 靳振江

(1.桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室,巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心,廣西 桂林 541004;2.桂林理工大學環境科學與工程學院,廣西 桂林 541004;3.桂林理工大學生態環?，F代產業學院,廣西 桂林 541004)

酸性礦山廢水(AMD)是煤礦和各種有色金屬礦開采后的殘留礦物經過化學和生物反應形成的廢水,具有pH低,鐵、硫及重金屬含量高的特點[1-2]。當廢水pH<4時,Fe2+很難被空氣中的氧氣氧化[3],那就需要先進行預氧化處理[4-5]。嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillusferrooxidans)能夠氧化Fe2+合成次生高鐵礦物,可免去AMD處理中的預氧化,次生高鐵礦物一般因含有羥基、硫酸根等基團而具有較強的吸附能力,可作為吸附材料[6-7]。

已有研究表明,Ca2+能夠促進各種細菌生物膜形成[8-11]。劉奮武等[12]1145研究表明,Ca2+也有助于提升嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的能力,并可以促進次生高鐵礦物的生成。富里酸在酸和堿中都能溶解,有助于金屬還原時傳遞電子[13-16]。然而,富里酸和Ca2+共存于AMD中時,對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+以及生成次生高鐵礦物的影響會發生如何變化還鮮有報道。本研究通過對pH、Fe2+氧化率、鐵沉淀率、礦物礦相和基團等指標考察,探究了富里酸和Ca2+共存對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+和形成次生高鐵礦物的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

富里酸,分析純,純度98%;Ca(NO3)2·4H2O,分析純,純度99%。9K培養基的配置：(NH4)2SO460.0 g、KCl 2 g、K2HPO410.0 g、Ca(NO3)2·4H2O 0.2 g、MgSO4·7H2O 10.0 g溶于1 L去離子水中,用體積比1∶1的H2SO4調節pH為2.5,攪拌至溶液澄清。嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌休止細胞懸浮液的制備：稱11.12 g FeSO4·7H2O,取12.5 mL 9K培養基置于錐形瓶中,將嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(ATCC23270)按總體積的20%接種在9K培養基中,補充去離子水,使錐形瓶中溶液總體積為250 mL,并調節pH=2.50±0.02,在28 ℃、180 r/min的恒溫振蕩條件下培養至指數生長階段后期,抽濾除去沉淀物,將濾液在10 000倍重力加速度(4 ℃)的離心力下離心10 min后收集細菌,用H2SO4配制的pH=1.5的酸性溶液洗滌3次,再在10 000倍重力加速度(4 ℃)的離心力下離心10 min,保存于H2SO4配制的pH=2.5的5 mL酸性溶液中,制備多份嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌休止細胞懸浮液備用。

1.2 試驗設置

共設置9組試驗,每組3個平行樣,在250 mL Fe2+摩爾濃度為160 mmol/L的溶液中加入富里酸和Ca2+,分別使得富里酸質量濃度為0、0.2、0.4 g/L,Ca2+為0、0.1、0.3 g/L,其中富里酸和Ca2+質量濃度均為0 g/L作為空白對照,用1 mol/L的H2SO4調節pH=2.50±0.02,最后加入提前制備好的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌休止細胞懸浮液1 mL。置于28 ℃、180 r/min的恒溫振蕩條件下培養,分別在12、24、36、48、72、96、120、144、168 h取樣,測定pH、Fe2+和Fe3+。168 h試驗結束,過濾得到次生高鐵礦物,用H2SO4配制的pH=1.50的酸性溶液沖洗,去除可溶性離子,再用去離子水沖洗至中性,60 ℃下干燥24 h,稱量,備用。

1.3 測定與分析

pH采用pHs-3C酸度計測定;Fe2+和Fe3+采用鄰菲羅啉比色法(UV-5800PC紫外分光光度計)測定[12]1144。

次生高鐵礦物礦相采用X’Pert 3 Powder X射線衍射(XRD)儀測定,測定條件：管電壓50 kV,管電流150 mA,2θ掃描范圍10°～80°(步長0.02°),彎晶單色器Cu靶。次生高鐵礦物基團采用Frontier FT-IR傅立葉紅外光譜(FTIR)儀測定。

2 結果與分析

2.1 富里酸和Ca2+共存對pH的影響

嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌處理AMD過程中pH隨時間的變化如圖1所示,先短暫上升后下降,這是因為嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+消耗H+,而生成的Fe3+水解又會釋放H+[17]。富里酸較低時,共存對pH上升階段影響不大,而富里酸較高時,共存可能對pH的上升產生一定抑制作用,說明高濃度富里酸會抑制嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+。pH下降階段,最終Ca2+濃度越高,pH越低,當低濃度富里酸存在時,可以進一步促進Fe3+水解,而高濃度富里酸則抑制。

圖1 富里酸和Ca2+共存對pH的影響Fig.1 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on pH

2.2 富里酸和Ca2+共存對Fe2+氧化率的影響

如圖2所示,無富里酸共存時,Ca2+濃度越高,Fe2+氧化越快,表明Ca2+能夠提高嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的活性,促進Fe2+的氧化;富里酸質量濃度為0.2 g/L時,48 h后Fe2+都氧化完全,而富里酸質量濃度為0.4 g/L時,高濃度的富里酸反而不利于Fe2+的氧化。由此可見,適量的富里酸與Ca2+共存才有利于促進Fe2+的氧化。

圖2 富里酸和Ca2+共存對Fe2+氧化率的影響Fig.2 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on Fe2+ oxidation rate

2.3 富里酸和Ca2+共存對鐵沉淀率的影響

如圖3所示,無富里酸共存時,隨著Ca2+濃度的提高,鐵沉淀率逐漸提高且差異明顯,168 h時Ca2+質量濃度為0、0.1、0.3 g/L的鐵沉淀率分別為15.4%、23.4%、26.8%;富里酸質量濃度為0.2 g/L時,也表現出隨著Ca2+濃度的提高鐵沉淀率相應提高的規律,不過168 h時不同Ca2+濃度的鐵沉淀率相近;富里酸質量濃度為0.4 g/L時,72 h后隨著Ca2+濃度增加,鐵沉淀率提高,說明對于高濃度的富里酸可以通過增大Ca2+濃度來減弱其對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的抑制作用。

圖3 富里酸和Ca2+共存對鐵沉淀率的影響Fig.3 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on Fe precipitation rate

2.4 富里酸和Ca2+共存對次生高鐵礦物礦相和基團的影響

XRD圖譜是區別晶型礦物和非晶型礦物的有效手段,草黃鐵礬(PDF No.031-0650)具有明顯尖銳的衍射特征峰,為晶型礦物;施氏礦物(PDF No.047-1775)特征峰為寬峰,是非晶型礦物[18]。由圖4(a)可見,次生高鐵礦物的XRD圖譜中未觀察到CaSO4·2H2O(PDF No.070-0982)的特征峰,推測在較低的pH下CaSO4·2H2O發生了溶解。9組試驗得到的次生高鐵礦物均有施氏礦物寬峰,與宋永偉等[19]報道的寬峰一致,但在富里酸質量濃度為0.4 g/L的情況下觀察到了草黃鐵礬的弱衍射特征峰,表明高濃度富里酸促成了草黃鐵礬生成。

圖4 富里酸和Ca2+共存對次生高鐵礦物礦相和基團的影響Fig.4 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on secondary ferrate minerals phases and radical groups

圖4(b)對獲得的次生高鐵礦物進行了基團分析,在富里酸質量濃度為0.4 g/L時也出現了草黃鐵礬類的1 180 cm-1處的硫酸根基團振動,以及1 024 cm-1處的羥基基團振動,也佐證了高濃度富里酸共存時有草黃鐵礬的生成[20-21]。

3 討 論

3.1 富里酸和Ca2+共存對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+能力的影響

本研究再次證實了Ca2+能夠促進嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+。Ca2+能夠穿梭于細胞內外傳遞信息,參與細胞的生命活動[22]。本研究的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌經過高速離心可能受到了一定的損傷,Ca2+與胞外聚合物上的負電荷基團結合可以提高細胞膜的穩定性,從而對細胞膜起到修復作用[23]。

本研究中富里酸質量濃度為0.2 g/L時對Fe2+的氧化具有顯著的促進效果,這是因為富里酸含有豐富的活性基團,能夠作為電子穿梭體,加快電子傳遞[24]。富里酸質量濃度為0.4 g/L時,富里酸反而表現出對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的抑制作用,其中羧基、醛基可能顯示出對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的毒害作用[25]。有報道稱,甲酸、乙酸和丁酸[26],蘋果酸鈉、檸檬酸鈉和草酸鈉[27]濃度高時都能夠抑制細菌對Fe2+的氧化,不過增加Ca2+能夠減弱高濃度富里酸的抑制效應。因此,適量富里酸和Ca2+共存才能對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌活性起更好的促進作用。

3.2 富里酸和Ca2+共存對次生高鐵礦物合成的影響

有研究結果表明,在次生高鐵礦物合成體系中加入活性炭、硅藻土、石英砂及次生高鐵礦物本身等可產生晶種刺激作用[28-31]。本研究中,試驗初期的硫酸鈣起到晶種刺激作用,而伴隨Fe2+的氧化,雖然可促進起晶種刺激作用的次生高鐵礦物形成,但可以推測硫酸鈣的刺激作用比次生高鐵礦物本身更強。富里酸濃度過高時,由于富里酸與Fe2+/Fe3+產生絡合或者螯合作用[32],使得72 h內鐵沉淀率出現起伏,同時Fe2+氧化緩慢,進而抑制次生高鐵礦物合成。

4 結 論

(1) Ca2+能提升嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的能力,添加富里酸時,低質量濃度(0.2 g/L)的富里酸對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌活性的提高具有促進作用,高質量濃度(0.4 g/L)的富里酸具有抑制作用,因此適量的富里酸與Ca2+共存更有利于促進Fe2+的氧化。

(2) 硫酸鈣能夠對次生高鐵礦物的形成產生晶種刺激作用,有助于Fe3+水解;適量的富里酸同樣對鐵沉淀率起到促進作用,不過Fe2+氧化完全后,最終鐵沉淀率還是基本一致的。

(3) 高濃度富里酸促進了次生高鐵礦物草黃鐵礬的生成,其原因有待進一步研究。