Cr（Ⅵ）還原菌Microbacterium sp.QH-2對鋁氧化物吸附鉻影響的研究

王春勇，張震斌，崔巖山，朱博，商井遠(yuǎn)，陳玥琪

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧錦州121001；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京101408；3.葫蘆島市生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)中心，遼寧葫蘆島125000）

土壤中鋁（Al）元素主要以硅鋁酸鹽、鋁氧化物和鋁氫氧化物的形式存在于固相中[1]。含水氧化鋁（Al2O3·3H2O）和氫氧化鋁（Al2O3·nH2O）在土壤中含量較高，其中氧化鋁是最豐富和最活潑的礦物質(zhì)之一[1]。氧化鋁可以影響許多微量元素和污染物的環(huán)境行為，例如重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化等[2]。氧化鋁具有很好的材料性能，比如熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和吸附性等[3-4]。氧化鋁的吸附行為主要與其有較大比表面積和密度有關(guān)[2]。其中γ-氧化鋁具有獨(dú)特的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，是一種應(yīng)用非常廣泛的吸附材料[5]。針對土壤中氧化鋁的研究，目前主要集中在α-氧化鋁和γ-氧化鋁[6]。

鉻（Cr）是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的重金屬之一，其主要用于冶金和皮革制造等行業(yè)。環(huán)境中鉻有+2到+6 價(jià)等多種價(jià)態(tài)，其中Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）是土壤中鉻主要存在形態(tài)[7]。土壤中鉻的遷移和轉(zhuǎn)化等過程與其在土壤界面上吸附和解吸附等過程緊密相關(guān)[8]。由于土壤中氧化鋁等礦物具有較強(qiáng)吸附能力，其能對土壤中Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）的遷移和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響。

土壤環(huán)境中存在一些土著微生物，能把毒性較高的Cr（Ⅵ）還原成毒性較低的Cr（Ⅲ），被稱為Cr（Ⅵ）還原菌。已經(jīng)報(bào)道從土壤中分離的Cr（Ⅵ）還原菌有Oceanobacillus oncorhynchi[9]、Leucobacter chromiiredu?cens[10]和Bacillus dabaoshanensis[11]等。在土壤環(huán)境中，土壤礦物和土壤微生物之間存在緊密關(guān)系，例如土壤礦物可以吸附微生物，而土壤微生物也可以利用礦質(zhì)元素促進(jìn)生長[12]。研究表明土壤中存在的Cr（Ⅵ）還原菌能夠?qū)ν寥乐械湫丸F氧化物（針鐵礦和赤鐵礦）吸附鉻產(chǎn)生影響[13]，但其對土壤中不同種類鋁氧化物吸附鉻的影響尚缺乏系統(tǒng)了解。

本研究內(nèi)容主要包括：（1）α-氧化鋁和γ-氧化鋁對Cr（Ⅵ）吸附能力的比較；（2）當(dāng)Cr（Ⅵ）、Cr（Ⅵ）還原菌與α-氧化鋁或γ-氧化鋁共存時(shí)，培養(yǎng)前后兩種氧化鋁的變化；（3）Cr（Ⅵ）還原菌對α-氧化鋁和γ-氧化鋁吸附鉻的影響。

1 材料與方法

1.1 Cr（Ⅵ）還原菌的分離和鑒定

本實(shí)驗(yàn)中使用的Cr（Ⅵ）還原菌為前期工作中篩選的菌株Microbacterium sp. QH-2，即微桿菌屬菌株QH-2。該菌株分離于青海某鉻渣堆放場地灰褐土樣品[13]。菌株QH-2能耐受20 mmol·L-1Cr（Ⅵ），且對Cr（Ⅵ）還原速率可以達(dá)到2.17 mg·L-1·h-1[13]。

1.2 鋁氧化物的表征

本實(shí)驗(yàn)中鋁氧化物為α-氧化鋁（α-Al2O3）和γ-氧化鋁（γ-Al2O3），其中α-氧化鋁純度為99.9%，顆粒大小約為30 nm。γ-氧化鋁純度為99.99%，顆粒大小約為10 nm，兩種鋁氧化物均購自上海麥克林生化科技有限公司。

1.3 鋁氧化物對Cr（Ⅵ）吸附的研究

0.5 g α-氧化鋁和0.5 g γ-氧化鋁各自與pH 為4.0、體積為40 mL 的使用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）配制的5 mmol·L-1Cr（Ⅵ）溶液混合，放入恒溫?fù)u床（25 ℃、160 r·min-1）中振蕩48 h，經(jīng)離心（4 000 r·min-1、10 min）后，使用超純水清洗。一部分經(jīng)過冷凍干燥，利用微波消解儀（CEM Mars 6）消解后，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）（美國Perkin-Elmer 公司）測定總鉻含量[14]，另一部分待用。吸附實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 Cr（Ⅵ）在鋁氧化物上解吸附和還原

將上述吸附飽和Cr（Ⅵ）的0.5 g α-氧化鋁和0.5 g γ-氧化鋁各自加入到40 mL在LB（Luria-Bertani）培養(yǎng)基中培養(yǎng)的QH-2 菌液（OD600=2.0），后置于30 ℃、160 r·min-1恒溫?fù)u床中培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)過程中，在12、24、48、72 h 和96 h 分別取樣，樣品過0.22 μm 的濾膜，待測液相培養(yǎng)基中總鉻和Cr（Ⅵ）。待測樣品經(jīng)微波消解后，使用ICP-OES測定總鉻，Cr（Ⅵ）測定則參考《水質(zhì)六價(jià)鉻的測定二苯碳酰二肼分光光度法》（GB/T 7467—1987）。解吸附和還原實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

混合液培養(yǎng)96 h 測定pH 后，使用60%（m：V）蔗糖溶液離心（8 000 r·min-1，10 min），將菌株與鋁氧化物分離[15]。一部分培養(yǎng)液用于掃描電鏡觀察，另一部分經(jīng)冷凍干燥后，待測X射線衍射（XRD）和固相中總鉻。以僅添加吸附飽和Cr（Ⅵ）α-氧化鋁和γ-氧化鋁的LB培養(yǎng)基（pH=8.2）作為對照。

1.5 掃描電鏡觀察

混合液加入體積分?jǐn)?shù)為2.5%戊二醛固定。測定前移除戊二醛溶液，用超純水清洗3 次后，使用50%、70%、85%、95%和100%（V：V）乙醇溶液逐級脫水，每級脫水過程保持10 min。用臨界點(diǎn)干燥法進(jìn)行干燥，噴金待測（Hitachi SU8010，Japan）[16]。

1.6 XRD表征

XRD 儀器購自日本SmartLab 公司，掃描角度為10°～80°，目標(biāo)電壓為45 kV，電流為200 mA。

2 結(jié)果與討論

2.1 α-氧化鋁和γ-氧化鋁的掃描電鏡表征

培養(yǎng)前后，α-氧化鋁和γ-氧化鋁掃描電鏡觀察結(jié)果如圖1所示。

在含有Cr（Ⅵ）的培養(yǎng)基培養(yǎng)后，菌株QH-2 在α-氧化鋁和γ-氧化鋁表面上不規(guī)則吸附，并且菌株QH-2 表面出現(xiàn)突起物，這種突起物可能是由于Cr（Ⅵ）被還原成Cr（Ⅲ）后，Cr（Ⅲ）被吸附或固定在細(xì)胞表面[17-18]。也有研究者認(rèn)為Cr（Ⅵ）還原菌在含有Cr（Ⅵ）的培養(yǎng)基中培養(yǎng)后，細(xì)胞表面產(chǎn)生的形態(tài)變化可能是細(xì)胞本身對Cr（Ⅵ）的耐受性適應(yīng)所引起[19]。此外，已有研究表明鉻酸鹽通常是通過靜電作用吸附在氧化鋁的表面[2]，本實(shí)驗(yàn)中，α-氧化鋁和γ-氧化鋁與Cr（Ⅵ）的吸附行為可能也與靜電作用有關(guān)。

2.2 α-氧化鋁和γ-氧化鋁的XRD表征

培養(yǎng)后α-氧化鋁和γ-氧化鋁的XRD表征見圖2。由圖2 可以看出，培養(yǎng)前后α-氧化鋁和γ-氧化鋁的XRD 圖譜沒有明顯變化，而且特征峰位置沒有發(fā)現(xiàn)明顯偏移，表明α-氧化鋁和γ-氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)未受到Cr（Ⅵ）還原菌生長的影響。與之不同的是，Muehe 等[20]報(bào)道了希瓦氏菌屬Shewanella oneidensis MR-1 與吸附著As（Ⅲ）和As（V）的針鐵礦混合培養(yǎng)，針鐵礦上發(fā)現(xiàn)藍(lán)鐵礦和磁鐵礦兩種次生礦物。Qian等[21]研究表明一些Cr（Ⅵ）還原菌可以先將Fe（Ⅲ）還原成Fe（Ⅱ），而Fe（Ⅱ）能將Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ）。而在本次共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，α-氧化鋁和γ-氧化鋁中均未發(fā)現(xiàn)次生礦物的形成。

2.3 培養(yǎng)過程中固相上總鉻的變化

使用ICP-OES 測得，培養(yǎng)前Cr（Ⅵ）在α-氧化鋁和γ-氧化鋁上吸附量分別為1 236.0 mg·kg-1和5 682.0 mg·kg-1（表1）。在pH 為4 吸附條件下，γ-氧化鋁對Cr（Ⅵ）吸附能力明顯強(qiáng)于α-氧化鋁。α-氧化鋁是一種穩(wěn)定相氧化鋁，γ-氧化鋁屬于活性氧化鋁的一種，γ-氧化鋁比α-氧化鋁的比表面積更大、表面能更高，這也是本實(shí)驗(yàn)中α-氧化鋁對Cr（Ⅵ）吸附能力弱于γ-氧化鋁的原因[22]。

共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中α-氧化鋁和γ-氧化鋁對鉻的吸附量變化見表1。培養(yǎng)后，未接種的對照中α-氧化鋁和γ-氧化鋁上總鉻量分別為62.2 mg·kg-1和1 720.0 mg·kg-1，而與菌株QH-2 培養(yǎng)后，α-氧化鋁和γ-氧化鋁上的總鉻量分別為75.2 mg·kg-1和2 331.8 mg·kg-1。因而菌株QH-2 的存在增加了α-氧化鋁和γ-氧化鋁對鉻的吸附量。這可能是由于吸附在氧化鋁的菌株QH-2 在生長繁殖和分泌有機(jī)物質(zhì)，如細(xì)胞釋放胞外酶和生物多聚物等促進(jìn)了氧化鋁對鉻的吸附[23]。此外，在本培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)pH 條件（堿性）下，Cr（Ⅵ）以CrO24-存在，Cr（Ⅲ）會以Cr（--OH）-4存在，由于α-氧化鋁和γ-氧化鋁含有較多羥基（OH），因此二者更容易結(jié)合和吸附Cr（Ⅲ），形成Cr（OH）-4，因而當(dāng)溶液中Cr（Ⅵ）被Cr（Ⅵ）還原菌株QH-2還原成C（rⅢ）后，α-氧化鋁和γ-氧化鋁對鉻吸附量增加。

2.4 培養(yǎng)過程中液相培養(yǎng)基中鉻的形態(tài)和分布

在96 h 的培養(yǎng)過程中，液相培養(yǎng)基中Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）變化見圖3。由圖3 可以看出，隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，α-氧化鋁和γ-氧化鋁上吸附的Cr（Ⅵ）逐漸解吸附到液相培養(yǎng)基中。而在液相培養(yǎng)基中，菌株QH-2又將解吸附的Cr（Ⅵ）還原成Cr（Ⅲ）。由圖3（a）和圖3（b）看出，當(dāng)培養(yǎng)到72 h 后，液相培養(yǎng)基中Cr（Ⅵ）幾乎被完全還原。但培養(yǎng)到96 h 后，液相培養(yǎng)基中Cr（Ⅲ）依然在減少，可能是由于還原生成的Cr（Ⅲ）逐漸被α-氧化鋁和γ-氧化鋁吸附。

pH 是影響氧化鋁對Cr（Ⅵ）吸附的重要因素，通常pH 能影響氧化鋁表面的電荷變化[24-25]。pH 越低，α-氧化鋁表面的正電荷越多，從而其吸附量越大，當(dāng)pH 升高后，其吸附量會減少[25]。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測定α-氧化鋁和γ-氧化鋁混合液pH 都為8.2±0.1，這是由于菌株的生長和代謝導(dǎo)致了混合液pH 升高[13]，而吸附飽和Cr（Ⅵ）的α-氧化鋁和γ-氧化鋁會隨著pH的進(jìn)一步升高從固相上釋放Cr（Ⅵ）到液相培養(yǎng)基中，液相培養(yǎng)基中Cr（Ⅵ）被菌株QH-2還原成Cr（Ⅲ）。pH 的升高會導(dǎo)致OH-離子濃度的增加，而OH-離子濃度增加會與Cr2O2-7產(chǎn)生競爭吸附，也進(jìn)一步促進(jìn)了Cr（Ⅵ）在α-氧化鋁和γ-氧化鋁表面的解吸附[24-27]。

表1 α-氧化鋁和γ-氧化鋁對鉻的吸附量（mg·kg-1）Table 1 The adsorption capacity of chromium by α-alumina and γ-alumina（mg·kg-1）

3 結(jié)論

（1）pH 為4時(shí)，α-氧化鋁對Cr（Ⅵ）吸附能力弱于γ-氧化鋁。

（2）接種Cr（Ⅵ）還原菌QH-2 不會影響α-氧化鋁和γ-氧化鋁的礦物結(jié)構(gòu)。

（3）菌株QH-2 與α-氧化鋁和γ-氧化鋁共培養(yǎng)后，能增加α-氧化鋁和γ-氧化鋁對鉻的吸附量。