不同污染條件下微生物礦化固結(jié)Zn2+的作用及機(jī)理

陸兆文 錢春香 許燕波 王明明

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189)

(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189)

重金屬對(duì)環(huán)境的污染是一個(gè)全球性的問(wèn)題，而土壤的重金屬污染尤其嚴(yán)重.重金屬污染土壤的主要途徑有以下2種:① 工業(yè)廢氣中的重金屬擴(kuò)散沉降累積于周圍的土壤之中;② 工廠污染造成河流海洋等重金屬水污染，將這些廢水灌溉農(nóng)田會(huì)造成土壤重金屬污染［1-3］.

微生物修復(fù)重金屬污染處理具有時(shí)間短、投資少、無(wú)二次污染、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注和重視.微生物修復(fù)重金屬污染的機(jī)理非常復(fù)雜，主要有以下2種:① 細(xì)胞代謝.某些途徑可使金屬生物沉淀或通過(guò)生物轉(zhuǎn)化使其低毒或易于回收.②生物吸附.將活細(xì)胞、無(wú)生命的生物體、金屬結(jié)合蛋白和多肽或生物多聚體作為生物吸附劑，空泡吞飲重金屬離子或使其發(fā)生沉淀和氧化還原反應(yīng).

目前，國(guó)內(nèi)外主要利用微生物對(duì)重金屬的吸附作用原理來(lái)處理重金屬污染［4-5］，也有微生物礦化重金屬離子產(chǎn)生沉淀的研究報(bào)道.van Roy等［6］發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌可通過(guò)2種途徑將硫酸鹽還原為硫化物:①在呼吸過(guò)程中，硫酸鹽作為電子受體被還原;② 在同化過(guò)程中，利用硫酸鹽合成氨基酸(如胱氨酸和蛋氨酸)，再通過(guò)脫硫作用使S2－分泌于體外，S2－可以和重金屬 Cd2+形成沉淀.Fujita等［7］利用細(xì)菌對(duì)尿素的分解作用，使得分解產(chǎn)物和Sr共沉淀固結(jié)在方解石礦物中，修復(fù)被Sr污染的地下水.然而，這些研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法應(yīng)用于大面積修復(fù)，而且其機(jī)理過(guò)于復(fù)雜，目前尚未完全探明，只能大致推測(cè).

在前期實(shí)驗(yàn)［8-10］中發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽礦化菌能夠在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生特定酶，并通過(guò)適當(dāng)酶化作用產(chǎn)生，固結(jié)污染體系中的重金屬離子.在眾多重金屬離子污染中，Zn2+的污染最常見(jiàn)，對(duì)微生物的毒性最小，實(shí)驗(yàn)環(huán)境下不會(huì)對(duì)人體造成較大危害，故本文選用Zn2+作為研究對(duì)象，對(duì)不同環(huán)境體系中微生物礦化重金屬Zn2+離子的機(jī)理和作用進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 菌液培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)材料包括菌種A、培養(yǎng)基、ZnCl2溶液、CuCl2溶液以及PbCl2溶液.培養(yǎng)基中包含5.0 g/L的蛋白胨和3.0 g/L的牛肉膏.

將菌種A接種至培養(yǎng)基中，于搖床中30℃下振蕩培養(yǎng)(轉(zhuǎn)速為170 r/min)，初始pH值為7.0，培養(yǎng)24 h后取出.

1.2 礦化產(chǎn)物

緩慢摻入濃度為2 mol/L的ZnCl2溶液，迅速產(chǎn)生沉淀，將其過(guò)濾、烘干，待定性分析.所得沉淀為白色細(xì)狀粉末，取樣分別進(jìn)行X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀測(cè).

1.3 多種污染條件下的礦化效果

當(dāng)pH＜5或pH＞9時(shí)，菌種A的酶活性會(huì)受到較大的影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需將pH值調(diào)節(jié)到5～9.當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，菌種的酶活性也會(huì)降低，故建議將溫度設(shè)置在20℃以上.復(fù)合污染條件下，酶活性可能會(huì)受到影響.

考慮到以上因素，本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變?nèi)芤旱膒H值、溫度、Zn2+濃度，并考慮其他重金屬離子(Pb2+，Cu2+)復(fù)合污染情況，研究微生物礦化固結(jié)Zn2+的作用效果與機(jī)理.

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化機(jī)理分析

為了定性分析所得沉淀物質(zhì)，對(duì)樣品進(jìn)行X射線衍射分析及掃描電子顯微鏡觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 微生物礦化鋅離子產(chǎn)物分析

由圖1(b)可知，礦化產(chǎn)物XRD圖譜的特征衍射峰與純堿式碳酸鋅Zn5(OH)6(CO3)2一致，證明產(chǎn)物主要為堿式碳酸鋅.由圖1(a)可知，產(chǎn)物的形狀不規(guī)則，顆粒尺寸分布不均勻且團(tuán)聚嚴(yán)重，說(shuō)明生物礦化過(guò)程中晶體生長(zhǎng)過(guò)程受到外界高分子有機(jī)物的調(diào)控作用.

進(jìn)一步對(duì)礦化機(jī)理進(jìn)行分析，將菌種A接種至培養(yǎng)基中，并以培養(yǎng)基中的底物B為營(yíng)養(yǎng)源，產(chǎn)生酶化作用，底物B不斷分解，致使溶液中pH值適宜升高，更利于菌體的生長(zhǎng)繁殖，酶化作用也得以不斷增強(qiáng).在這一循環(huán)過(guò)程中，底物B的不斷分解使溶液中的CO2－3濃度不斷增加.此時(shí)在溶液中引入Zn2+，菌體細(xì)胞膜界面處帶負(fù)電荷的可溶有機(jī)質(zhì)(SM)立即螯合Zn2+，導(dǎo)致局部的晶體陰離子濃度進(jìn)一步增大，從而吸引更多的Zn2+.晶體前驅(qū)物濃度不斷增大達(dá)到過(guò)飽和，沉積出Zn5(OH)6(CO3)2顆粒.反應(yīng)過(guò)程可表示為

然而，在堿式碳酸鋅的沉積過(guò)程中，外界條件(如環(huán)境pH值、溫度、反應(yīng)物濃度、復(fù)合污染條件等因素)都可能會(huì)影響礦化效果，甚至礦化產(chǎn)物形貌.

2.2 pH值對(duì)礦化效果的影響

實(shí)驗(yàn)中，將體系的pH值分別調(diào)整至9，7，5，對(duì)樣品進(jìn)行X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀測(cè).

從圖2中可以看出，在不同的pH值下，沉淀物質(zhì)都為堿式碳酸鋅.當(dāng)pH=5時(shí)，特征衍射峰的強(qiáng)度比pH=7，9時(shí)弱，說(shuō)明在pH=5時(shí)，堿式碳酸鋅結(jié)晶較差.而在pH=7，9時(shí)，衍射峰強(qiáng)度相似，說(shuō)明當(dāng)pH≥7時(shí)，堿式碳酸鋅結(jié)晶較好，基本不受pH的影響.

圖2 不同pH值下鋅離子產(chǎn)物的XRD譜圖

從圖3中可以看出，礦化產(chǎn)物的形貌發(fā)生了變化，尤其是晶粒的尺寸差別較大.隨著pH值的降低，礦化產(chǎn)物的粒徑逐漸變小.為了進(jìn)一步確定不同pH值下鋅礦化產(chǎn)物粒徑的分布，對(duì)礦化產(chǎn)物進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果見(jiàn)圖4.

由圖4可以看出，當(dāng)pH=9時(shí)，礦化產(chǎn)物的平均粒徑約為95 μm;當(dāng) pH=7時(shí)，平均粒徑約為80 μm;當(dāng) pH=5 時(shí)，平均粒徑僅為 30 μm 左右.這一結(jié)果與SEM的結(jié)果一致.由此可見(jiàn)，當(dāng)pH值較低時(shí)，礦化產(chǎn)物不穩(wěn)定，極易被分解，不利于晶體成核以及晶粒的生長(zhǎng)，故整體粒徑較小.

圖3 不同pH值下鋅離子產(chǎn)物的SEM照片

圖4 不同pH值下的礦化粒徑分布圖

2.3 溫度對(duì)礦化效果的影響

在15～40℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，微生物菌種A的酶活性也逐漸升高.在一定的時(shí)間內(nèi)，同樣菌液用量下會(huì)分解產(chǎn)生更多的底物和碳酸根離子，從而對(duì)礦化率產(chǎn)生影響.

將培養(yǎng)好的菌液，分別置于20和30℃的恒溫水槽中，完成Zn2+的礦化沉積實(shí)驗(yàn).基于底物分解量和礦化率，研究溫度對(duì)微生物礦化固結(jié)Zn2+的影響(理論生成量以Zn2+礦化產(chǎn)物為Zn5(OH)6(CO3)2計(jì)算)，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 不同溫度下的礦化率

由表1可知，20℃時(shí)的礦化率相比30℃時(shí)降低22%，這是因?yàn)闇囟葧?huì)影響碳酸鹽礦化菌粉的脲酶活性:一方面不利于脲酶的穩(wěn)定性;另一方面也影響著脲酶分解底物反應(yīng)的進(jìn)行.因此，溫度越低，越不利于脲酶的活性，微生物礦化固結(jié)Zn2+的效果越差.

2.4 Zn2+濃度對(duì)礦化效果的影響

取1 L培養(yǎng)好的菌液，加入8 g底物(固體)，根據(jù)重金屬的污染情況再加入不同濃度的ZnCl2溶液，充分反應(yīng)后，將產(chǎn)物過(guò)濾、烘干，對(duì)所得樣品進(jìn)行X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀測(cè).3組樣品的礦化產(chǎn)物成分均為Zn5(OH)6(CO3)2.不同Zn2+濃度下的SEM 照片見(jiàn)圖5.當(dāng) ρ(Zn2+)=65 mg/L時(shí)，礦化產(chǎn)物呈小球狀，粒徑較小;當(dāng)ρ(Zn2+)=650，6500 mg/L 時(shí)，礦化產(chǎn)物形貌類似;當(dāng)Zn2+濃度更低時(shí)，沒(méi)有足夠的Zn2+供晶體繼續(xù)生長(zhǎng)，限制了晶粒的長(zhǎng)大.

圖5 不同Zn2+濃度下的SEM照片

在不同Zn2+濃度下，菌液的酶活性以及礦化率見(jiàn)表2.由表可知，從底物分解量來(lái)看，Zn2+濃度對(duì)脲酶的分解能力影響不大，說(shuō)明污染體系中Zn2+濃度的高低對(duì)微生物礦化固結(jié)Zn2+幾乎沒(méi)有影響.

表2 不同Zn2+濃度下Zn5(OH)6(CO3)2的礦化率

2.5 Pb2+，Cu2+對(duì)礦化效果的影響

取300 mL培養(yǎng)好的菌液，加入24 g底物，然后向底物中分別加入100 mL濃度為0.1 mol/L的CuCl2，ZnCl2，PbCl2溶液，過(guò)濾烘干礦化產(chǎn)物.對(duì)礦化產(chǎn)物進(jìn)行X線衍射分析和掃描電子顯微鏡觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 Pb2+，Cu2+，Zn2+混合條件下礦化產(chǎn)物的SEM照片

從圖6中可以看出，反應(yīng)生成了圓球塊狀和長(zhǎng)棒狀2種礦化產(chǎn)物.圖7為其XRD譜圖.由圖可知，僅存在Pb2+礦化產(chǎn)物PbCO3的衍射峰，并沒(méi)有Zn2+，Cu2+混合礦化產(chǎn)物的衍射峰.究其原因主要是:① 在Pb2+，Zn2+，Cu2+混合污染條件下，Zn2+，Cu2+的混合礦化產(chǎn)物結(jié)晶不好，故沒(méi)有出現(xiàn)明顯的衍射峰;② PbCO3的衍射峰很強(qiáng)，在它的干擾下，Zn2+，Cu2+混合礦化產(chǎn)物的衍射峰無(wú)法顯示出來(lái).

圖7 Pb2+，Cu2+，Zn2+混合條件下礦化產(chǎn)物的XRD譜圖

為了進(jìn)一步確定礦化產(chǎn)物的成分，對(duì)其進(jìn)行能譜分析.Pb2+礦化產(chǎn)物的形態(tài)及能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖8;Cu2+，Zn2+混合礦化產(chǎn)物的形態(tài)及能譜分析見(jiàn)圖9.由圖8和圖9可知，Pb的礦化產(chǎn)物呈長(zhǎng)棒狀，而Zn2+，Cu2+的混合礦化產(chǎn)物呈圓球塊狀.由此表明，在Pb2+，Cu2+，Zn2+混合離子條件下，Pb2+單獨(dú)礦化結(jié)晶，Zn2+和Cu2+的礦化產(chǎn)物則結(jié)合在一起.

圖8 混合條件下Pb2+礦化產(chǎn)物的形態(tài)及能譜分析

圖9 混合條件下Cu2+與Zn2+混合礦化產(chǎn)物的形態(tài)及能譜分析

3 結(jié)論

1)在環(huán)境pH值為5，7，9的條件下，形成的礦化產(chǎn)物形貌不同，礦化產(chǎn)物粒徑也有較大差別.當(dāng)pH=9時(shí)，平均礦化粒徑約為95 μm;當(dāng)pH=7時(shí)，平均礦化粒徑約為80 μm;當(dāng) pH=5時(shí)，平均礦化粒徑僅為30 μm左右.因此，pH值較低的反應(yīng)環(huán)境不利于晶體成核以及晶粒的生長(zhǎng).

2)不同礦化固結(jié)溫度下得到的礦化產(chǎn)物不同.當(dāng)溫度為20℃時(shí)，沉積出的Zn5(OH)6(CO3)2結(jié)晶不好，顆粒細(xì)小，為團(tuán)聚無(wú)定形狀;當(dāng)溫度為30℃時(shí)，顆粒呈塊狀，粒徑較大，且分布較均勻.由此可見(jiàn)，溫度的升高有利于脲酶分解底物反應(yīng)的進(jìn)行以及礦化產(chǎn)物的沉積和成型.

3)不同的污染濃度會(huì)導(dǎo)致礦化效果不同.當(dāng)ρ(Zn2+)=65 mg/L時(shí)，礦化產(chǎn)物呈小球狀，粒徑僅為幾微米;當(dāng)ρ(Zn2+)=650，6500 mg/L時(shí)，兩者的礦化產(chǎn)物形貌相似.由此可見(jiàn)，當(dāng)Zn2+濃度較低時(shí)，沒(méi)有足夠的Zn2+供晶體繼續(xù)生長(zhǎng)，限制了晶粒的長(zhǎng)大.此外，Zn2+濃度對(duì)脲酶的分解能力影響不大.

4)在 Pb2+，Zn2+，Cu2+混合污染條件下，Pb2+單獨(dú)礦化結(jié)晶，Zn2+和Cu2+的礦化產(chǎn)物則結(jié)合在一起.

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