菌株Bacillus sp.C31對湖泊沉積物中鉻的修復(fù)研究

馬巖巖 徐 晶

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 江蘇徐州 221011）

引言

由于含鉻廢物的不當(dāng)處理和處置，導(dǎo)致鉻被釋放到湖泊環(huán)境中，成為湖泊水體和沉積物中常見的污染物質(zhì)。由于重金屬本身的特性，使其很難從沉積物中徹底的分離去除。湖泊水體中的重金屬鉻污染不僅會危害環(huán)境，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康產(chǎn)生不利影響，還可能通過生物累積的方式對人體健康產(chǎn)生危害。本文將重金屬鉻抗性菌Bacillus sp.C31投加到太湖沉積物中，研究該菌株對重金屬鉻的修復(fù)作用，并以六價鉻的還原量和重金屬的賦存形態(tài)為指標(biāo)來考量抗鉻菌株的修復(fù)效果，以期為湖泊沉積物重金屬污染的微生物修復(fù)提供一定的理論依據(jù)和研究思路。

1 實驗材料

1.1 實驗沉積物

沉積物采集自太湖梅梁灣，彼得森采泥器采集得到梅梁灣表層沉積物，剔除大塊雜質(zhì)，裝入塑料袋中，帶回實驗室4℃冰箱保存。

1.2 實驗菌種

抗鉻菌株Bacillus sp.C31，分離自太湖梅梁灣沉積物。

2 實驗方法

2.1 實驗設(shè)計

將采集的沉積物樣品混合均勻，放入培養(yǎng)裝置，加入鉻標(biāo)準溶液，使 C（VI）=100 mg/kg，待性質(zhì)穩(wěn)定后，加入活化的抗鉻菌液100 mL（菌液濃度1.43×109CFU/kg），攪拌均勻，水分損失通過稱重法進行補償。定期進行沉積物中重金屬含量分析，設(shè)置空白對照和非生物對照，每次取樣設(shè)三次重復(fù)。

2.2 樣品中鉻總量和賦存形態(tài)的測定

（1）鉻總量測定

稱取一定量的冷凍干燥沉積物加入強酸進行微波消解后，根據(jù)濃度，稀釋后用Agilent 7700 ICP-MS測定。

（2）鉻賦存形態(tài)含量測定

用改進的重金屬順序提取形態(tài)（BCR）法對樣品中鉻的賦存形態(tài)進行測定，測定每次酸溶提取后上清液中酸溶態(tài)（B1）、可還原態(tài)（B2）、可氧化態(tài)（B3）和殘渣態(tài)（B4）的含量，根據(jù)濃度，稀釋后用Agilent 7700 ICP-MS測定。

2.3 六價鉻和三價鉻含量的測定

（1）六價鉻測定

稱取冷凍干燥樣品溶解后用二苯碳酞二肼分光光度法測定。

（2）三價鉻測定

總鉻濃度和六價鉻濃度之差即為三價鉻的濃度。

2.4實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

鉻含量數(shù)據(jù)均為三次重復(fù)的數(shù)據(jù)取平均值，采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件的LSD方法進行差異性分析。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 沉積物的理化性質(zhì)

沉積物樣品采集自太湖梅梁灣，實驗前實測沉積物理化性質(zhì)如下：

表1 沉積物樣品的基本理化性質(zhì)

3.2 菌株對沉積物中鉻的修復(fù)作用

（1）樣品中六價鉻含量變化

圖1 沉積物樣品中六價格含量的變化

如圖1所示：鉻添加前，沉積物樣品中六價鉻本底含量為25.674 mg/kg，鉻添加后實測含量為99.143 mg/kg，抗鉻菌株修復(fù)一個月后濃度為65.768 mg/kg，經(jīng)高溫殺菌后滅活菌體修復(fù)后和無鉻添加的空白對照的樣品中，經(jīng)過一個月的培養(yǎng)，六價鉻的含量并沒有明顯變化，分別為99.046 mg/kg和25.658 mg/kg，這說明實驗提取到的菌株Bacillus sp.C31對沉積物中的六價鉻含量有一定的修復(fù)能力，六價鉻降解率為33.9%。

（2）菌株對重金屬鉻形態(tài)分布的修復(fù)作用

①樣品中鉻總量的變化情況

如圖2所示：修復(fù)后各個樣品中總鉻含量都沒有明顯變化，這說明抗鉻菌株對鉻的修復(fù)作用主要是將六價鉻轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定和毒性作用更小的三價鉻，對鉻的總量沒有修復(fù)作用。

圖2 樣品中添加抗鉻菌株Bacillus sp.KCS311修復(fù)后的總鉻含量情況

圖3 樣品中添加抗鉻菌株修復(fù)后四種形態(tài)的鉻占鉻總量的比重

②樣品中鉻賦存形態(tài)的變化

有研究表明：湖泊沉積物中重金屬的環(huán)境行為、生物可利用性和對環(huán)境的毒性與重金屬的含量和重金屬的地球化學(xué)形態(tài)兩方面相關(guān)。賦存形態(tài)不同，重金屬的活性、生物毒性及遷移轉(zhuǎn)化等特征也不同。因此，環(huán)境中重金屬賦存形態(tài)的研究對于研究重金屬來源、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和生物可利用性等具有重要的意義。

本文采用改進的BCR四步提取方法，對鉻的賦存形態(tài)進行了測定，如圖3所示：活性菌體修復(fù)后樣品中重金屬鉻的形態(tài)發(fā)生了變化，酸溶態(tài)鉻（B1）在總鉻中的含量占比由12.9%降低到了7.6%，可還原態(tài)鉻（B2）的含量占比由20.9%降低到了17.2%，可氧化態(tài)鉻（B3）的含量占比由54.8%增加到了59.7%，殘渣態(tài)鉻（B4）的含量占比由13.1%增加到了到了15.4%，這些變化在滅活菌體修復(fù)的樣品并沒有出現(xiàn)。

BCR連續(xù)提取法是根據(jù)強度不同的強酸溶液將重金屬元素分步溶解而提取的，分步提取的四種相態(tài)的重金屬形態(tài)對人體和環(huán)境的危害性依次減弱，水溶態(tài)和可交換態(tài)，在中性環(huán)境下就可以釋放進入水體，也最具直接危害性?？蛇€原態(tài)重金屬對周圍介質(zhì)的pH較敏感，在酸性條件下容易釋放，對比酸溶態(tài)來說，對環(huán)境的危害較小?？裳趸瘧B(tài)是金屬元素與鐵和錳的氧化物吸附相結(jié)合或者自身就是氫氧化物沉淀的部分，對動植物的毒性和生物可利用性都很小。

本研究鉻污染沉積物經(jīng)抗鉻菌株修復(fù)后，酸溶態(tài)和可還原態(tài)的鉻含量有所減少，可氧化態(tài)和殘渣態(tài)的鉻含量有所增加，這說明沉積物經(jīng)過抗鉻菌株修復(fù)以后不僅六價鉻的含量有所降低，而且會使鉻的賦存形態(tài)由對環(huán)境危害性較大的酸溶態(tài)和可還原態(tài)向更加穩(wěn)定的可氧化態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)變。

結(jié)語

微生物修復(fù)重金屬鉻污染的研究已經(jīng)進行了幾十年，多種微生物被證明具有還原重金屬鉻的能力，但大部分被用于水溶液中鉻的處理，僅有少量研究將抗鉻菌株應(yīng)用于修復(fù)鉻污染土壤。本研究抗鉻菌株Bacillus sp.C31對沉積物中100 mg/kg的六價鉻有33.9%的還原能力，而且修復(fù)后的沉積物中重金屬鉻的形態(tài)也發(fā)生了變化，部分轉(zhuǎn)變成了性質(zhì)更加穩(wěn)定，對環(huán)境危害小的形態(tài)。研究結(jié)果為沉積物重金屬污染的原位修復(fù)提供了一定的經(jīng)驗和思路。

本研究是在實驗室環(huán)境下進行的模擬試驗，在不考慮其他因素變化的前提下，試驗研究了菌株Bacillus sp.C31對重金屬鉻的修復(fù)，獲得了一定的修復(fù)效果。但是模擬環(huán)境與野外實際環(huán)境尚有較大差距，需要考慮抗鉻菌株對野外環(huán)境的適應(yīng)能力和生物安全性。同時該菌株只能將六價鉻還原成為毒性和遷移性較低的三價鉻，并不能將鉻污染從環(huán)境中徹底去除。在以后的研究中還有待發(fā)掘?qū)χ亟饘傩迯?fù)能力更強的菌株，還應(yīng)考慮將微生物修復(fù)與其他修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，以期取得更好的效果。