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2種途徑將硫酸鹽還原為硫化物:① 在呼吸過程中,硫酸鹽作為電子受體被還原;② 在同化過程中,利用硫酸鹽合成氨基酸(如胱氨酸和蛋氨酸),再通過脫硫作用使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,無法應(yīng)用于大面積修復(fù),而且其機(jī)理過于復(fù)雜,目前尚未完全探明,只能大致推測(cè).

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,說明生物礦化過程中晶體生長(zhǎng)過程受到外界高分子有機(jī)物的調(diào)控作用.

然而,在堿式碳酸鋅的沉積過程中,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.

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)果見圖4.

圖2 不同pH值下鋅離子產(chǎn)物的XRD譜圖

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,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+)=650,6 500 mg/L時(shí),礦化產(chǎn)物形貌類似;當(dāng)Zn2+濃度更低時(shí),沒有足夠的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表2.由表可知,從底物分解量來看,Zn2+濃度對(duì)脲酶的分解能力影響不大,說明污染體系中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)果見圖6.

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)物的衍射峰無法顯示出來.

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

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)果見圖8;Cu2+，Zn2+混合礦化產(chǎn)物的形態(tài)及能譜分析見圖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,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, 6 500 mg/L時(shí),兩者的礦化產(chǎn)物形貌相似.由此可見,當(dāng)Zn2+濃度較低時(shí),沒有足夠的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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