微生物與生物炭復(fù)合修復(fù)鉻污染土壤的室內(nèi)試驗(yàn)研究

夏夢(mèng)蓮, 樊 杰, 雷學(xué)文*, 董 歡, 陳億軍

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢430065；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430071)

隨著鉻酸鹽生產(chǎn)、電鍍、制革等工業(yè)活動(dòng)的發(fā)展[1]，越來(lái)越多的鉻廢棄物、鉻渣排入土壤中，鉻在土壤中常見(jiàn)的為三價(jià)和六價(jià)，三價(jià)鉻易被土壤顆粒吸附，不易遷移；六價(jià)鉻由于其強(qiáng)氧化性、高溶解性、高流動(dòng)性、不易被土壤吸附[2-3],被認(rèn)為是毒性最強(qiáng)的鉻，且被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)列為A級(jí)人類(lèi)致癌物[4]。因此，需要對(duì)六價(jià)鉻污染土壤進(jìn)行處理。

針對(duì)重金屬鉻污染土壤，傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法已經(jīng)被廣泛研究和使用，但這些方法也存在局限性，如成本高、產(chǎn)生二次污染、工程量大等[5]。當(dāng)重金屬Cr(VI)濃度低于300 mg/kg時(shí)，物理和化學(xué)還原技術(shù)變得無(wú)效或昂貴[6]。而微生物具有適應(yīng)重金屬污染土壤的能力，在污染土壤中可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的生物生長(zhǎng)，生物修復(fù)Cr(VI)污染土壤是一種對(duì)環(huán)境友好，并且不會(huì)造成二次污染的修復(fù)方法[7]。目前，許多微生物如枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)[8-9]已被分離出來(lái)并發(fā)現(xiàn)對(duì)Cr(VI)污染土壤有良好的修復(fù)效果。Xu等[10]研究巴氏芽孢桿菌(Bacilluscereus)在有氧條件下對(duì)鉻的分餾，結(jié)果表明巴氏芽孢桿菌是一種耐鉻性菌并且對(duì)鉻具有還原和吸附作用。

由于直接將微生物加入污染土壤中可能會(huì)導(dǎo)致微生物流失或被吞噬，影響修復(fù)效果。王婷[8]將微生物枯草芽孢桿菌先附著于生物炭上，再加入重金屬污染土壤中取得了較好的修復(fù)效果。生物炭具有較大的比表面積能夠?yàn)槲⑸锾峁└街d體，其次也為微生物的生長(zhǎng)提供碳源和營(yíng)養(yǎng)源?；诖耍诎褪涎挎邨U菌處理過(guò)程中輔以添加生物炭，通過(guò)設(shè)計(jì)不同組試驗(yàn)，對(duì)不同試驗(yàn)組中的Cr(VI)殘余值含量、浸出濃度、鉻形態(tài)分布進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)定，來(lái)評(píng)價(jià)巴氏芽孢桿菌、生物炭及兩者復(fù)合對(duì)鉻污染土修復(fù)的可行性，并通過(guò)XPS檢測(cè)進(jìn)一步分析巴氏芽孢桿菌與生物炭復(fù)合修復(fù)效果。

1 材料與方法

1.1 配制Cr(VI) 污染土壤

供試用土為現(xiàn)場(chǎng)取樣，屬于粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)前將土壤在40 ℃下烘干至恒重，測(cè)得試驗(yàn)土壤的物理性質(zhì)如表1所示。為制備摻有Cr(VI)的土壤樣品，通過(guò)添加K2Cr2O7溶液得到Cr(VI)污染土壤，直至混合物風(fēng)干至恒重，粉碎全部過(guò)2 mm篩，得到土壤中Cr(VI)濃度為270 mg/kg，浸出濃度為90 mg/L。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested siol

1.2 供試菌株及培養(yǎng)基

采用一種耐鉻性菌巴氏芽孢桿菌作為修復(fù)劑，為保證菌的活性與生長(zhǎng)，為此需要配置細(xì)菌生長(zhǎng)所需的液體培養(yǎng)基：胰蛋白胨15 g，蛋白胨5 g，氯化鈉5 g,尿素20 g，去離子水1 L,調(diào)節(jié)pH至7.3。然后將活化好的菌種接種于此液體培養(yǎng)基，在30 ℃，130 r/min 振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)24～36 h得到菌液，菌液濃度用OD600表示，試驗(yàn)所用的菌液濃度OD600為0.6和1.0。

1.3 供試生物炭

該試驗(yàn)采用熱解溫度500 ℃的玉米秸稈生物炭，測(cè)得生物炭理化性質(zhì)如表2所示，生物炭灰分含量測(cè)定參照《木質(zhì)活性炭灰分含量的測(cè)定》(GB/T 12496.3—1999)；采用綜合吸附儀測(cè)定生物炭比表面積；采用元素分析儀測(cè)定生物炭的基本理化性質(zhì)。

表2 生物炭理化性質(zhì)Table 2 Physical-chemical properties of biochar

1.4 試驗(yàn)方法

在Cr(VI)含量為270 mg/kg-1的鉻污染土中添加不同量的巴氏芽孢桿菌和生物炭進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，土水比為1:1，巴氏芽孢桿菌和生物炭與土壤充分混勻，然后置于塑料碗中在30 ℃下培養(yǎng)，并保持田間持水量的70%，分別在第1、5、10、15、20 d時(shí)進(jìn)行取樣測(cè)定修復(fù)后土壤浸出濃度、土壤中Cr(VI)含量、土壤pH、修復(fù)20 d后土壤重金屬Cr的形態(tài)分布。試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照CK，所有試驗(yàn)設(shè)三組平行試樣，取其平均值，具體試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme

1.5 分析方法

土壤pH按照文獻(xiàn)[11]測(cè)定，浸出濃度和 Cr(VI)殘留值試驗(yàn)均按照美國(guó)EPA的測(cè)定方法[12-13]，鉻形態(tài)提取試驗(yàn)采用改進(jìn)(BCR)四步連續(xù)提取法(BCR)，將重金屬鉻劃為4種不同形態(tài)，即弱酸態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)，具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[14]，并通過(guò)X射線光電子能譜分析(XPS)試驗(yàn)進(jìn)一步分析驗(yàn)證其修復(fù)效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 修復(fù)前后土壤 pH的變化

圖1 添加劑隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)土壤pH的影響Fig.1 Effect of additives on soil pH with curing time

2.2 添加劑對(duì)Cr(VI)浸出濃度的影響

不同添加劑對(duì)Cr(VI)浸出濃度的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，未經(jīng)處理的土，Cr(VI)浸出濃度為90 mg/L ，而經(jīng)不同添加劑處理下Cr(VI)的浸出濃度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加均降低。由圖2(a)可知，添加菌液濃度OD600為1.0，培養(yǎng)至5 d時(shí)，Cr(VI)浸出濃度降低為12.54 mg/L，后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間緩慢降低趨于穩(wěn)定，在培養(yǎng)至20 d時(shí)達(dá)到最低值為8.42 mg/L，這是因?yàn)榘褪涎挎邨U菌具有還原和吸附Cr(VI)的能力，降低了Cr(VI)的浸出濃度，這與Xu等[10]的研究結(jié)果一致；由圖2(b)可知，添加生物炭濃度為40 g/kg時(shí)，Cr(VI)浸出濃度隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加逐漸降低，培養(yǎng)至20 d時(shí)，降低為22.46 mg/L，這是因?yàn)樵撋锾扛叩幕曳趾亢捅缺砻娣e具有吸附鉻的能力；由圖2(c)可知，當(dāng)菌液濃度OD600為1.0和生物炭濃度為40 g/kg復(fù)合時(shí)，Cr(VI)浸出濃度降低至1.08 mg/L，修復(fù)效果最好，這可能是因?yàn)樯锾亢桶褪涎挎邨U菌修復(fù)鉻污染土壤具有協(xié)同作用；同時(shí)，由圖2可知，提高添加劑濃度Cr(VI)浸出濃度降低效果越好。

圖2 添加劑隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)浸出濃度的影響Fig.2 Effects of additives on leaching concentration with curing time

2.3 添加劑對(duì)土壤中Cr(VI)含量的影響

不同添加劑對(duì)土壤中Cr(VI)含量的影響如圖3 所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，原污染土壤中Cr(VI)含量為270 mg/kg,而經(jīng)不同添加劑處理后土壤中Cr(VI)含量均降低。由圖3(a)可知，添加菌液后，在培養(yǎng)前期土壤中Cr(VI)含量降低明顯，后期隨著培養(yǎng)時(shí)間土壤中Cr(VI)含量緩慢降低至穩(wěn)定。當(dāng)菌液濃度OD600為1.0，經(jīng) 20 d 修復(fù)后，土壤中Cr(VI)含量從270 mg/kg 下降為19.67 mg/kg，降低幅度為對(duì)照組的92.71%；由圖3(b)可知,添加生物炭后，土壤中Cr(VI)含量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加逐漸降低，當(dāng)生物炭濃度為 40 g/kg時(shí)，土壤中Cr(VI)含量從270 mg/kg降低為 79.68 mg/kg，降低為對(duì)照組的70.49%；由圖3(c)可知，同時(shí)添加巴氏芽孢桿菌和生物炭時(shí)，其菌液濃度和生物炭濃度越高情況下土壤中Cr(VI)含量降低越顯著，當(dāng)菌液濃度OD600為1.0和生物炭濃度為40 g/kg時(shí)，土壤中Cr(VI)含量從270 mg/kg降低至5.14 mg/kg，降低為對(duì)照組的98.09%。由此可以得出，巴氏芽孢桿菌與生物炭復(fù)合效果優(yōu)于巴氏芽孢桿菌和生物炭，巴氏芽孢桿菌效果優(yōu)于生物炭。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，提高菌液和生物炭的濃度同樣有利于降低土壤中Cr(VI)含量。

圖3 添加劑隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)土壤中Cr(VI)含量的影響Fig.3 Effect of additives on Cr (VI) content in soil with curing time

2.4 修復(fù)前后鉻的形態(tài)分布

添加菌液濃度OD600為1.0(T6)、生物炭濃度為40 g/kg(T2)及兩者復(fù)合處理(T8)修復(fù)20 d后對(duì)鉻形態(tài)分布的影響如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組土壤弱酸態(tài)鉻所占比例最高，高達(dá)66.03%，經(jīng)3種添加劑處理后土壤弱酸態(tài)鉻均下降明顯，并促使向殘?jiān)鼞B(tài)和可還原態(tài)轉(zhuǎn)化，而可氧化態(tài)還鉻無(wú)明顯變化，這可能是因?yàn)樵谡麄€(gè)過(guò)程中反應(yīng)體系土壤pH迅速升高，降低了Cr的溶解度，促使Cr形成氫氧化物、碳酸鹽的形式沉淀下來(lái)；而兩者復(fù)合修復(fù)后弱酸態(tài)鉻最低，這可能是因?yàn)橄蚝}含量的培養(yǎng)基中添加生物炭后，芽孢桿菌繁殖率增加，生物炭吸附了培養(yǎng)基中的鹽分，使其有利于芽孢桿菌的生長(zhǎng)[16]。

圖4 修復(fù)后土壤中鉻的形態(tài)分布Fig.4 Distribution of Chromium in soil after remediation

2.5 XPS檢測(cè)分析

圖5 復(fù)合修復(fù)前后Cr(VI)污染土壤的XPS圖Fig.5 XPS diagram of Cr(VI) contaminated soil before and after composite repair

3 結(jié)論

(1)相較于對(duì)照組，經(jīng)巴氏芽孢桿菌、生物炭及巴氏芽孢桿菌與生物炭復(fù)合三種不同處理后，Cr(VI)浸出濃度和土壤中Cr(VI)含量均顯著降低，其中，菌液濃度1.0、生物炭40 g/kg復(fù)合時(shí)，土壤中的浸出濃度和土壤中Cr(VI)含量最低，浸出濃度和土壤中Cr(VI)含量分別降低至1.08 mg/L、5.14 mg/kg。因此，不同處理對(duì)修復(fù)鉻污染土的效果為巴氏芽孢桿菌與生物炭復(fù)合優(yōu)于巴氏芽孢桿菌和生物炭，巴氏芽孢桿菌優(yōu)于生物炭。

(2)菌液濃度OD600為1.0、生物炭濃度為40 g/kg及兩者復(fù)合處理20 d后，可促使鉻從弱酸態(tài)向可還原態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，而對(duì)可氧化態(tài)的鉻影響不大，其中巴氏芽孢桿菌與生物炭復(fù)合修復(fù)后弱酸態(tài)鉻降低幅度最大。

(3)由XPS檢測(cè)分析可得，巴氏芽孢桿菌與生物炭復(fù)合修復(fù)污染土壤為混合還原和吸附的過(guò)程。