耐重金屬細(xì)菌與土壤膠體吸附Cu2+、Cd2+的動(dòng)力學(xué)研究

謝朝陽

(武漢生物工程學(xué)院環(huán)境工程系，湖北 武漢430415)

黃巧云，魏凌云

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430070)

耐重金屬細(xì)菌與土壤膠體吸附Cu2+、Cd2+的動(dòng)力學(xué)研究

謝朝陽

(武漢生物工程學(xué)院環(huán)境工程系，湖北 武漢430415)

黃巧云，魏凌云

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430070)

采用流動(dòng)法探討了耐重金屬細(xì)菌與土壤膠體復(fù)合體系吸附Cu2+、Cd2+的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。結(jié)果表明：加入耐重金屬細(xì)菌NTG-01以后，褐土膠體和紅壤膠體對Cu2+的吸附動(dòng)力學(xué)過程依然用拋物線擴(kuò)散方程擬合最好，即顆粒表面吸附點(diǎn)位數(shù)目控制反應(yīng)速度；而使褐土膠體和紅壤膠體對Cd2+的吸附機(jī)理發(fā)生了變化，最優(yōu)方程由原來的拋物線擴(kuò)散方程變?yōu)橐患墑?dòng)力學(xué)方程，即在有細(xì)菌存在的土壤體系中，反應(yīng)的速度取決于溶液中重金屬的濃度。

細(xì)菌；土壤膠體；Cu2+；Cd2+；吸附；動(dòng)力學(xué)

土壤對重金屬離子的吸附特性受到多種因素的影響，與土壤組分、土壤中的微生物等都有密切聯(lián)系。動(dòng)力學(xué)研究主要解決元素各形態(tài)的轉(zhuǎn)化速度和機(jī)理問題。另外，污染元素的環(huán)境毒性主要與其被土壤吸持或釋放的速度有關(guān)。因此，研究重金屬離子吸附的化學(xué)動(dòng)力學(xué)行為是預(yù)測和控制土壤重金屬污染的重要基礎(chǔ)。目前有關(guān)單一土壤組分、純微生物體系對重金屬的吸附動(dòng)力學(xué)機(jī)理已有較多報(bào)道[1～3]，但有關(guān)土壤微生物與土壤組分的共存體系對重金屬的吸附動(dòng)力學(xué)機(jī)理的研究卻鮮有報(bào)道。通過研究耐重金屬細(xì)菌與土壤膠體的共存體系對Cu2+和Cd2+的動(dòng)力學(xué)特性，來探索復(fù)合體系吸附Cu2+和Cd2+的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 供試菌株

利用自行分離篩選到的對Cu2+和Cd2+有較高抗性的產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacteraerogenes)為供試菌株,編號NTG-01。該菌株對Cu2+和Cd2+的抗性水平均為3 mmol/L。菌株純化后，用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，在28 ℃恒溫?fù)u床上培養(yǎng)至對數(shù)期， 16 000 r/min下離心8 min，棄去上清液，用去離子水洗滌菌體2～3次，60 ℃恒溫烘干12 h，用瑪瑙研缽研磨，裝安培瓶置干燥器中備用。

1.2 供試土壤膠體

供試紅壤和褐土分別采自湖北溫泉和河南鞏義，采樣深度分別為11～40 cm和0～20 cm；風(fēng)干粉碎后提取小于2 μm的粘粒，烘干后磨碎過100目篩備用。供試土壤膠體的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤膠體的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physico chemical properties of experimental soil colloids

注：有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；游離氧化鐵和非晶形氧化鐵含量分別采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉和草酸銨提取、比色法測定；礦物組成用X-衍射法測定

1.3 土壤膠體懸液的制備

分別稱取紅壤膠體、褐土膠體樣品1.6 g于250 mL的三角燒瓶中，加入100 mL去離子水，超聲波分散并搖勻后，用0.01 mol/L的NaOH或HCl多次調(diào)節(jié)體系的pH穩(wěn)定在5.5左右，補(bǔ)充去離子水使體系總體積為200 mL。

1.4 細(xì)菌懸液的制備

將收集到的菌體用無菌水洗滌多次并轉(zhuǎn)入到三角瓶中，再定量加入150 mL無菌水，制得細(xì)菌懸液。稀釋平板計(jì)數(shù)法計(jì)算懸液濃度。

1.5 土壤膠體-細(xì)菌懸液的制備

吸取已制備好的土壤膠體懸液12 mL于干燥干凈的小燒杯中，然后加入已制備好的細(xì)菌懸液3 mL(細(xì)菌細(xì)胞濃度為6.5×109個(gè)/mL)，于電磁攪拌器上攪拌5 min，用0.01 mol/L NaOH或HCl調(diào)pH穩(wěn)定在5.5左右，繼續(xù)攪拌。

1.6 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用流動(dòng)法[4]，分別吸取土壤膠體懸液4 mL、土壤膠體-細(xì)菌懸液5 mL于動(dòng)力學(xué)反應(yīng)柱中，先將膠體懸液中的水從反應(yīng)柱底部吸凈，則膠體顆粒全部吸附在反應(yīng)柱底部的濾紙上。連接好裝置，將反應(yīng)柱置于水浴鍋中(25 ℃)預(yù)熱30 min，開啟蠕動(dòng)泵，使重金屬溶液自下而上均勻通過反應(yīng)室，在反應(yīng)后的第一滴流出液時(shí)計(jì)時(shí)收集，流出液收集時(shí)間間隔為2 min，每次收集2 mL，反應(yīng)歷時(shí)80 min，共收集40次。用原子吸收法測定收集液中重金屬濃度，根據(jù)下列公式計(jì)算重金屬的吸附量[5]。

x=V×(co-c)/m

式中，x為重金屬吸附量，mmol/kg；V為流出液體積,mL；c為流出液重金屬濃度,mmol/L；co為反應(yīng)液重金屬濃度，mmol/L；m為反應(yīng)土樣的質(zhì)量，g。

1.7 動(dòng)力學(xué)方程的擬合

表2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程模型Table 2 Equation models of reaction kinetics

注：A、B為模型參數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間；Xt為t時(shí)間的反應(yīng)量；X0為反應(yīng)達(dá)到平衡的反應(yīng)量

描述離子吸附的動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)學(xué)模型有一級動(dòng)力學(xué)方程、Elovich方程、權(quán)函數(shù)方程和拋物線方程等[6～10]。幾種方程表達(dá)式見表2。

一級動(dòng)力學(xué)方程是基于反應(yīng)物濃度與反應(yīng)速度之間調(diào)控關(guān)系的化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程；拋物線方程說明了吸附與解吸過程的擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制；Elovich方程則是基于吸附劑表面吸附熱隨其表面覆蓋度的增加而線性下降，并于此條件對理想吸附等溫式加以改進(jìn)而推導(dǎo)得到的方程。對動(dòng)力學(xué)方程模型的評價(jià)指標(biāo)一般采用決定系數(shù)(r2)和標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)，擬合程度好的方程應(yīng)具有較高的相關(guān)系數(shù)(r)和較低的標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)[4，5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 對Cu2+的吸附動(dòng)力學(xué)

圖1、圖2分別為紅壤膠體及紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cu2+的吸附量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖和褐土膠體及褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cu2+的吸附量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。

圖1結(jié)果顯示，紅壤膠體與紅壤膠體-細(xì)菌的復(fù)合體系對Cu2+的吸附速率差異不大，72 min以后紅壤膠體-細(xì)菌的復(fù)合體系對Cu2+的吸附量有大于紅壤膠體對Cu2+的吸附量的趨勢。這說明加入細(xì)菌后，未使紅壤對Cu2+的吸附速率加快，而使紅壤膠體對Cu2+的吸附容量有增加趨勢。在反應(yīng)初始階段，褐土膠體對Cu2+的吸附速率與褐土膠體-細(xì)菌的復(fù)合體系無菌體系相比，沒有太大變化(圖2)，38 min后，褐土膠體-細(xì)菌的復(fù)合體系對Cu2+的累積吸附量的增加量大于褐土膠體。但隨著時(shí)間的延長，兩者對Cu2+的吸附速率都趨于穩(wěn)定。

R為紅壤膠體，R+Bac為紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體；淋洗液Cu2+濃度為0．1mmol/L圖1 紅壤膠體及紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cu2+的吸附量隨時(shí)間變化關(guān)系Figure1 Cu2+absorptionamountofredsoilcollidandredsoilcolloid?bacteriacomplexVtimeC為褐土膠體，C+Bac為褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體；淋洗液Cu2+濃度為0．1mmol/L圖2 褐土膠體及褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cu2+的吸附量隨時(shí)間變化關(guān)系Figure2 Cu2+absorptionamountofcinnamonsoilcollidandcinnamonsoilcolloid?bacteriacomplexVtime

2.2對Cd2+的吸附動(dòng)力學(xué)

紅壤膠體及紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的吸附量隨時(shí)間的變化關(guān)系、褐土膠體及褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的吸附量隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖3、圖4。

圖3表明，紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的吸附速率在反應(yīng)初始階段明顯大于紅壤膠體對Cd2+的吸附速率，隨著時(shí)間的延長，兩者的吸附速率都明顯下降最終趨于穩(wěn)定，紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的吸附速率的下降幅度大于紅壤膠體，但在供試時(shí)間內(nèi)，前者的吸附速率始終都大于后者，而且在80 min以內(nèi)，紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的累積吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紅壤膠體對Cd2+吸附量。在前10 min，褐土膠體對Cd2+的平均吸附速率為3.75 mmol/(kg·min),而褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的平均吸附速率是4.36 mmol/(kg·min)，以后，褐土膠體的累積吸附量增加的很少，吸附速率僅為1.28 mmol/(kg·min)，而復(fù)合體的吸附速率卻最終穩(wěn)定在3.5 mmol/(kg·min)。在80 min內(nèi)，褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過褐土膠體(圖4)。

R為紅壤膠體，R+Bac為紅壤膠體與細(xì)菌的復(fù)合體系；淋洗液Cd2+濃度為0．1mmol/L圖3 紅壤膠體及紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cd2+的吸附量隨時(shí)間變化關(guān)系Figure3 Cd2+absorptionamountofredsoilcollidandredsoilcolloid?bacteriacomplexVtimeC為褐土膠體，C+Bac為褐土膠體與細(xì)菌的復(fù)合體系；淋洗液Cd2+濃度為0．1mmol/L圖4 褐土膠體及其復(fù)合體系對Cd2+的吸附量隨時(shí)間變化關(guān)系Figure4 Cd2+absorptionamountofcinnamonsoilcollidandcinnamonsoilcolloid?bacteriacomplexVtime

2.3 對Cu2+、Cd2+的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與方程的擬合

表3為土壤膠體、膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cu2+、Cd2+的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與幾種方程的擬合情況，紅壤膠體對Cu2+的吸附與拋物線擴(kuò)散方程擬合最好，相關(guān)系數(shù)為0.951 2，并且標(biāo)準(zhǔn)誤差最小(0.038 5)，與一級動(dòng)力學(xué)方程擬合的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到顯著水平，盡管Elovich方程也有較高的相關(guān)系數(shù)，但其標(biāo)準(zhǔn)誤差太大(2.821 5)。紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體系中擬合較好的方程仍然是拋物線擴(kuò)散方程，與一級動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)性由未加細(xì)菌時(shí)的0.949 3下降到0.895 4，且標(biāo)準(zhǔn)誤差增加，由于一級動(dòng)力學(xué)方程是基于反應(yīng)物濃度與反應(yīng)速度之間調(diào)控關(guān)系的方程，這說明加入細(xì)菌后，反應(yīng)物濃度并不是控制吸附反應(yīng)的最重要因子，其速度決定于顆粒內(nèi)部擴(kuò)散過程。 褐土膠體對Cu2+的吸附數(shù)據(jù)與拋物線擴(kuò)散方程和權(quán)函數(shù)方程擬合相關(guān)性達(dá)到顯著水平，其相關(guān)性是：物線擴(kuò)散方程gt;權(quán)函數(shù)方程，這說明，褐土膠體對Cu2+的吸附速度決定步是Cu2+在膠體顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)過程。當(dāng)加入細(xì)菌后，復(fù)合體系對Cu2+的吸附數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)方程的擬合情況發(fā)生了如下變化：首先是與拋物線擴(kuò)散方程和權(quán)函數(shù)方程擬合相關(guān)性的變化，權(quán)函數(shù)方程gt;拋物線擴(kuò)散方程。其次，與一級動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)性也較好，并且標(biāo)準(zhǔn)誤差減小，說明褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體對Cu2+的吸附機(jī)制趨于復(fù)雜，淋洗液濃度對褐土膠體-細(xì)菌復(fù)合體系Cu2+的吸附影響變大。

紅壤膠體對Cd2+的吸附數(shù)據(jù)與拋物線擴(kuò)散方程和一級動(dòng)力學(xué)方程擬合相關(guān)性都達(dá)到顯著水平，其擬合相關(guān)性是：拋物線擴(kuò)散方程gt;一級動(dòng)力學(xué)方程，這說明紅壤膠體對Cd2+的吸附首先是由淋洗液濃度決定的由溶液向膠體顆粒表面擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，但這一步并不是速度決定步，決定步由Cd2+在膠體顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制所決定。加入細(xì)菌后，復(fù)合體系對Cd2+的吸附數(shù)據(jù)與拋物線擴(kuò)散方程和一級動(dòng)力學(xué)方程也都達(dá)到顯著水平，但是其擬合相關(guān)性是：一級動(dòng)力學(xué)方程gt;拋物線擴(kuò)散方程。這說明加入細(xì)菌的復(fù)合體對Cd2+的吸附機(jī)制發(fā)生了變化，淋洗液濃度控制了吸附反應(yīng)速率的快慢，雖然Cd2+在膠體顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)也在一定程度上決定了反應(yīng)進(jìn)行的快慢，但就復(fù)合體系對Cd2+的吸附反應(yīng)而言，它已不是決定步。褐土膠體對Cd2+的吸附數(shù)據(jù)與一級動(dòng)力學(xué)方程和拋物線擴(kuò)散方程都能較好地?cái)M合，其相關(guān)性比較是：拋物線擴(kuò)散方程gt;一級動(dòng)力學(xué)方程，當(dāng)加入細(xì)菌后，復(fù)合體系對Cd2+的吸附機(jī)理發(fā)生了變化，與一級動(dòng)力學(xué)方程擬合相關(guān)性明顯上升，標(biāo)準(zhǔn)誤差也減小，雖然與拋物線擴(kuò)散方程的擬合也有一定的相關(guān)性，但是與權(quán)函數(shù)方程擬合相關(guān)性更好一些，三者相關(guān)性比較是：一級動(dòng)力學(xué)方程gt;權(quán)函數(shù)方程gt;拋物線擴(kuò)散方程。

表3 土壤膠體及復(fù)合體系對Cu2+、Cd2+的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與幾種方程的擬合Table 3 Fitting of kinetic functions for absorption of Cu2+、Cd2+ by red soil and cinnamon soil colloids

注：*表示Plt;0.05。

3 結(jié)論

綜上所述，無論加菌與否，褐土膠體和紅壤膠體對Cu2+的吸附動(dòng)力學(xué)過程都可以較好地用拋物線擴(kuò)散方程進(jìn)行描述，拋物線擴(kuò)散方程是用來描述擴(kuò)散轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的動(dòng)力學(xué)方程，它在很多情況下比較適合顆粒內(nèi)部擴(kuò)散過程的描述[11～13]，而顆粒內(nèi)部擴(kuò)散特征是反應(yīng)速度與土壤表面吸附點(diǎn)位的數(shù)目有關(guān)，與溶液的濃度無關(guān)，這說明對于反應(yīng)體系，土壤表面活性點(diǎn)位的數(shù)目對Cu2+的吸附速率有一定的控制作用。而紅壤膠體-細(xì)菌復(fù)合體系對Cd2+的吸附動(dòng)力學(xué)過程與紅壤膠體相比，雖然拋物線擴(kuò)散方程依然擬合較好，但最優(yōu)方程卻是一級動(dòng)力學(xué)方程；褐土膠體呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律。也就是說由未加菌的土壤表面活性點(diǎn)位控制反應(yīng)速度變成由溶液濃度和土壤表面吸附點(diǎn)位數(shù)目聯(lián)合控制反應(yīng)速度[14]。這意味著在有細(xì)菌存在的紅壤和褐土體系中，污染土壤對Cd2+的吸持速度主要取決于溶液中Cd2+的濃度。因此控制土壤中Cd2+的濃度，有利于微生物對受Cd2+污染的土壤的生物修復(fù)，從而減少Cd2+對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]馬衛(wèi)東，Yu Qiming,顧國維. 海洋巨藻(Durvilaeapatatorum)生物吸附劑對Hg2+的吸附動(dòng)力學(xué)研究[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2001,7(4):344～347.

[2]張?jiān)鰪?qiáng),張一平,朱兆華. 鎘在土壤中吸持的動(dòng)力學(xué)特征研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(3):370～375

[3]楊亞提,張一平.婁土表面銅吸附-解吸的動(dòng)力學(xué)特征及滯后效應(yīng)[J]. 土壤通報(bào),2000,31(6):248～250.

[4]董元彥,羅厚庭,李學(xué)垣. 紅壤、黃棕壤吸附磷酸根后對Cu2+次級吸附的影響[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,13(5):466～472.

[5]董元彥,羅厚庭,李學(xué)垣. 黃棕壤和紅壤吸附磷酸根后對Zn2+和Cd2+次級吸附的動(dòng)力學(xué)[J]. 環(huán)境化學(xué),1995,14(4):300～305.

[6]林玉鎖,薛家驊. 幾種動(dòng)力學(xué)方程用于描述土壤中鋅吸持動(dòng)力學(xué)特性的比較[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1989,12(1):112～117.

[7]胡國松,趙春生. 變電荷土壤和礦物對Pb2+和Cu2+的吸附動(dòng)力學(xué)[J]. 熱帶亞熱帶土壤科學(xué),1994,3(3):146～150.

[8]夏海萍,柯家駿. 膨潤土對重金屬離子的吸附動(dòng)力學(xué)[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào),1995,5(4):52～54.

[9]熊明彪,雷孝章,田應(yīng)兵，等.鉀離子在土壤中吸附和解吸動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境,2003,12(1):115～118.

[10]Havin J L,Westfall D G,Olsen S R.Mathematical Models for Potassium Release Kinetics in Calcareous Soils[J]. Soil Sci Soc Am J,1985,49(8):371～376.

[11]李學(xué)垣. 土壤化學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社,2001.251～268.

[12]明玲玲，陳洪斌，張宇峰.長江三角洲地區(qū)海相沉積物母質(zhì)土壤對Cu的吸附解吸特性[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2007，16(4)：482～488.

[13]王玉軍，周東美,孫瑞娟，等. 土壤中銅、鉛離子的競爭吸附動(dòng)力學(xué)[J]. 中國環(huán)境科學(xué),2006,26(5):555～559.

[14]陳 蘇,孫麗娜, 楊春璐，等. 不同污染負(fù)荷土壤中鎘和鉛的吸附-解吸行為[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(8):1819～1826.

2009-01-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20077010)

謝朝陽(1979-)，女,湖北公安人，農(nóng)學(xué)碩士，講師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境微生物.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.03.001

X172

A

1673-1409(2009)03-S001-05