α-氧化鋁-細菌二元復(fù)合膠體對銻的吸附研究*

杜輝輝，陶 潔，聶 寧，雷 鳴，楊蕊嘉，鐵柏清

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南省灌溉水源水質(zhì)污染凈化工程技術(shù)研究中心，長沙 410128）

銻（Sb）是一種微量類金屬元素，在土壤中的天然濃度很低，約為0.05～4.0 mg·kg-1[1]。但近幾十年來，隨著銻礦開采和冶煉活動的增加，區(qū)域土壤銻濃度大大超過環(huán)境背景值，引起嚴峻的環(huán)境風(fēng)險問題。中國是世界上銻產(chǎn)量最大的國家，銻礦開采和冶煉區(qū)污染問題尤為突出，特別是在湖南、貴州、廣西等銻礦產(chǎn)出地[2]。因此，銻污染土壤的治理與修復(fù)工作有十分重要的意義，而深入理解銻進入土壤后的界面化學(xué)行為是治理與修復(fù)的理論前提[3]。

土壤是一個異質(zhì)多相復(fù)合體系，其中礦物約占固相組成的95%以上。銻進入土壤后，會在礦物表面發(fā)生吸附解吸、氧化還原等反應(yīng)，影響其生物有效性和歸宿[4]。大量研究表明，金屬氧化物如鐵/錳礦物對銻有較強的吸附能力[5-6]，是銻在土壤中的主要吸附載體。銻在鐵/錳氧化物表面主要形成穩(wěn)定的內(nèi)圈絡(luò)合物[7]，且Sb（Ⅲ）會發(fā)生氧化反應(yīng)[8-9]。目前，有關(guān)銻在土壤鋁氧化物表面吸附的研究還很缺乏。

土壤礦物常常與有機組分，如腐殖酸、微生物，膠結(jié)在一起形成礦質(zhì)-有機復(fù)合體[10-12]。它們之間的交互作用改變了膠體的物理化學(xué)性質(zhì)，如粒徑、比表面積、電荷及官能團等，進而影響污染物特別是重金屬在膠體界面的吸附解吸、遷移轉(zhuǎn)化等行為[13]。近年來，多有研究報道重金屬鎘（Cd2+）、鉛（Pb2+）、銅（Cu2+）等在礦物-有機物/微生物復(fù)合界面的吸附行為[14-17]；有機組分不僅促進了重金屬在礦物表面的吸附，還顯著改變它們在復(fù)合膠體界面的分配[18-19]。但目前，尚很少有研究關(guān)注有機組分對銻在金屬氧化物表面吸附的影響。

本研究擬選取代表性土壤鋁氧化物（α-Al2O3）及微生物（耐銻蠟狀芽孢桿菌），通過批吸附試驗并結(jié)合X-射線光電子能譜和電鏡能譜，從銻的吸附量、親和力、分布、結(jié)合官能團和價態(tài)轉(zhuǎn)變等方面綜合探討Sb（Ⅲ/Ⅴ）在α-Al2O3-蠟狀芽孢桿菌二元復(fù)合膠體界面的吸附過程和機制，闡明微生物在吸附過程中的作用，以期對理解銻在土壤微界面的化學(xué)行為提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

α-Al2O3購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，粒徑小于等于200 nm。

供試菌株為一株革蘭氏陽性蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus），其DNA序列數(shù)據(jù)庫（GenBank）錄入號為MH345838。該菌株為本課題組前期從銻污染土壤中篩選的一株耐銻細菌[20]。細菌的培養(yǎng)采用溶菌肉湯（Luria-Bertani）培養(yǎng)基（酵母粉5 g·L-1，蛋白胨10 g·L-1，氯化鈉10 g·L-1，pH ≈ 7.0），培養(yǎng)至指數(shù)生長末期，離心收集，用0.01 mol·L-1KCl洗滌三次后懸浮。

Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）標(biāo)準(zhǔn)溶液分別用三氧化二銻和焦銻酸鉀配制。

1.2 α-Al2O3-細菌二元膠體制備

采用吸附方式制備礦物-細菌二元膠體：將α-Al2O3和細菌分別均勻懸浮于0.01 mol·L-1KCl電解質(zhì)中，在攪拌條件下，將兩懸液均勻混合，并反應(yīng)2 h，使兩者的吸附達到平衡[21]?？疾靸煞N不同組分比例，即礦物：細菌質(zhì)量比分別為30︰70和70︰30。制備的復(fù)合膠體置于4℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 批吸附試驗

取適量吸附劑（蠟狀芽孢桿菌、α-Al2O3及其復(fù)合體）置于50 mL塑料離心管中，加入一定量的Sb（Ⅲ）/Sb（Ⅴ）溶液，最后用0.01 mol·L-1KCl 定容至30 mL。在試驗過程中，控制吸附劑濃度為0.5 g·L-1，Sb濃度為 0～100 mg·L-1，調(diào)節(jié)懸液pH為6.5，并置于恒溫搖床（25℃）振蕩12 h。隨后將懸浮液離心，上清液用 0.45 μm 濾膜過濾，并用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，PerkinElmer Optima 8300，美國）測定總銻。離心后的沉淀物用于掃描電鏡（SEM）和X-射線光電子能譜（XPS）分析。

1.4 SEM和XPS測定

掃描電子顯微鏡（FE-SEM / EDX，Quanta F250，德國）用于觀察α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體形貌。樣品用2.5%戊二醛原位固定并用乙醇脫水。將α-Al2O3-細菌復(fù)合體吸附Sb的產(chǎn)物進行SEM能譜面掃描測定，分析碳（C）、氮（N）、氧（O）、鋁（Al）和Sb的分布。

用 XPS 電子光譜儀（Thermo ESCALAB 250XI，美國）記錄 C1s、O1s 和Sb 3d高分辨圖譜，用XPSPEAK41軟件擬合 XPS 光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體形貌特征

圖1 呈現(xiàn)了α-Al2O3及α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體形貌。氧化鋁為納米粒級的細顆粒，但多團聚在一起，形成粒徑較大的團聚體。在α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體中，細菌為桿狀，氧化鋁顆粒緊密吸附在細菌細胞表面。α-Al2O3的等電點大約在pH 8左右[22]，因此在本實驗體系中，α-Al2O3和蠟狀芽孢桿菌之間會有較強的靜電引力，促使它們緊密膠結(jié)在一起。但本研究發(fā)現(xiàn)α-Al2O3并未在細菌表面形成一層緊致的“礦物膜”，這與前人所研究的鐵氧化物-細菌復(fù)合膠體[23]有顯著區(qū)別，因此細菌表面位點未被α-Al2O3完全掩蓋，在隨后銻的吸附反應(yīng)中可能發(fā)揮作用。此外還發(fā)現(xiàn)，在有細菌存在時，α-Al2O3顆粒很少團聚成大團聚體，而多以小顆粒形式吸附在細菌表面，較小的粒徑可能進一步提供更多的吸附點位。

2.2 銻在復(fù)合膠體上的等溫吸附

圖2 為銻在pH 6.5時的等溫吸附結(jié)果，吸附數(shù)據(jù)可較好地用朗格繆爾（Langmuir）方程擬合（擬合度R2≥0.98，表1）。Langmuir方程式為：

式中，Qe代表在銻平衡濃度為Ce時的吸附量，mg·g-1；Qmax為最大吸附容量，mg·g-1；KL代表親和力。

由圖2可知，α-Al2O3對銻的吸附能力要遠大于細菌：α-Al2O3對Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）的最大吸附量分別為52.72和50.64 mg·g-1；而蠟狀芽孢桿菌則為15.46和13.88 mg·g-1（表1）。這主要由于在pH 6.5時，α-Al2O3攜帶較多的正電荷而細菌表面攜帶負電荷，較強的靜電吸引力使α-Al2O3吸附更多的Sb含氧陰離子。銻在α-Al2O3-蠟狀芽孢桿菌復(fù)合體上的吸附量介于單一礦物和細菌之間，且隨著復(fù)合體中α-Al2O3質(zhì)量比的增多，Sb的吸附量增加，即α-Al2O3-細菌_70：30大于α-Al2O3-細菌_30：70。

表1 銻等溫吸附Langmuir擬合Table 1 Fitting of Sb adsorption isotherms with the Langmuir model

在前人的研究中，“組分相加”原則常用來預(yù)測重金屬在復(fù)合膠體上的吸附量[24-26]，即通過計算單一組分上的吸附量，再結(jié)合組分比例，計算得到復(fù)合體的吸附量。在之前的研究中構(gòu)建了基于Langmuir模型的“組分相加”方法[27]，在此，本研究計算得到α-Al2O3-細菌復(fù)合體的理論吸附量（見圖2中虛線）。由圖2可知Sb在α-Al2O3-細菌復(fù)合體上的理論吸附曲線要小于實際擬合線；理論最大吸附量（CA-Qmax，表1）要小于實際吸附量（Qmax，表1），這一結(jié)果表明α-Al2O3和細菌的交互作用促進了Sb的吸附?，F(xiàn)有的研究普遍認為，帶負電荷的組分會抑制As/Sb等含氧陰離子在金屬氧化物表面的吸附[28-29]。本研究中這一不同結(jié)果可能主要因為在復(fù)合膠體中，α-Al2O3顆粒的團聚度低（圖1），因此有更多的礦物吸附點位暴露，從而促進Sb的吸附；此外，也不能忽視可能存在的“橋鍵”作用，Sb含氧陰離子可能以“陰離子橋”形式吸附于氧化鋁和細菌之間；細菌本身吸附量遠少于氧化鋁，細菌表面位點掩蓋效應(yīng)對Sb的吸附影響可能極小。

2.3 銻在復(fù)合膠體中的微觀分布特征

為了進一步研究Sb在α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體上的分布，采集了C、N、O、Al及Sb元素的SEM圖譜（圖3），其中C可代表細菌組分，Al代表礦物組分。由于復(fù)合膠體的不均質(zhì)性，在區(qū)域中選取若干個點進行測定。在圖3的 1點，C、N、O、Al及Sb的含量約為26%、1.5%、46%、24%、0.25%；在2點，對應(yīng)的含量約為46%、8.8%、32%、10.6%和0.02%。本研究發(fā)現(xiàn)，在富含Al元素的點，其吸附Sb的量較Al含量低的點要高很多。用相似的方法對比1、2、3和4處的元素相對含量，推測α-Al2O3在二元復(fù)合膠體吸附銻的過程中起主導(dǎo)作用。

2.4 銻與復(fù)合膠體的微觀結(jié)合機制

X-射線光電子能譜（XPS）技術(shù)廣泛應(yīng)用于元素的定量定性分析，可從分子尺度闡釋微觀結(jié)合機制。本研究中分析了α-Al2O3及蠟狀芽孢桿菌吸附Sb前后的C、O和Sb元素高分辨指紋圖譜，以期獲得參與Sb吸附反應(yīng)的官能團及配位信息。雖然也采集α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體的XPS圖譜，但由于復(fù)合體的異質(zhì)性，很難保證不同XPS測定點礦物：細菌比例是相同的，因此也不能準(zhǔn)確分析其吸附Sb前后的差別，因此本研究僅分析單一組分吸附Sb前后的XPS圖譜。

圖4 （左）為氧化鋁吸附Sb（Ⅲ/Ⅴ）前后的O 1s圖譜，其中O主要包括532.1 eV處的表面氧（Al-O-H）以及530.7 eV處的晶體氧（Al-O-Al）。當(dāng)吸附Sb（Ⅲ）后，Al-OH特征峰的面積由27.16%增加至32.7%；吸附Sb（Ⅴ）后增至33.64%。這一現(xiàn)象表明α-Al2O3表面的鋁羥基參與了銻的絡(luò)合，可能形成Al-O-Sb內(nèi)圈絡(luò)合物[5]。前人利用X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）發(fā)現(xiàn)銻在非晶形水鋁礦表面主要形成了雙齒共角絡(luò)合物[30]，但本研究僅基于XPS的數(shù)據(jù)很難區(qū)分在α-Al2O3表面Sb的精細配位結(jié)構(gòu)。

圖4 （右）為細菌的C 1s圖譜，可分為三個主要組分：約288.0 eV為C=O/O=C=O，主要包括羧基、酯基；286.2 eV處為C-（O，N），為醇、胺、酰胺；285 eV處為C-（C，H），猜測為脂質(zhì)或者氨基酸的側(cè)鏈[20]。當(dāng)細菌吸附 Sb（Ⅲ）后，其C=O/O=C=O組分由25%降低至22%，C-（C，H）組分由51%降低至36%；當(dāng)細菌結(jié)合Sb（Ⅴ）后，這兩個組分分別降至17%和45%。上述結(jié)果表明羧基和氨基參與了細菌表面銻的絡(luò)合反應(yīng)[31]。

雖然無法直接分析α-Al2O3-細菌復(fù)合膠體XPS圖譜，但通過對單一組分的分析可知，Al-OH、COOH和NH2為復(fù)合膠體表面銻的主要結(jié)合點位，且形成了內(nèi)圈絡(luò)合物。

前人研究發(fā)現(xiàn)Sb（Ⅲ）可在鐵/錳氧化物表面發(fā)生氧化反應(yīng)[7-9，32]，但尚未有研究報道Sb能否在α-Al2O3上發(fā)生相似的反應(yīng)。因此本研究對Sb 3d3/2XPS光譜進行擬合，如圖5所示，Sb（Ⅲ）的峰位于低能量處（～539.4 eV）而Sb（Ⅴ）位于高能量處（～540.2 eV）。當(dāng)Sb（Ⅲ）吸附在α-Al2O3表面，有50%的Sb（Ⅲ）被氧化成Sb（Ⅴ）。由于Al為非變價元素，因此在氧化過程中，真正參與電子傳遞的是O2，α-Al2O3可能僅發(fā)揮導(dǎo)體或催化作用。

此外發(fā)現(xiàn)，α-Al2O3-細菌復(fù)合體吸附Sb（Ⅲ）后主要還是以Sb（Ⅲ）的形式存在，幾乎不存在Sb（Ⅴ），這一現(xiàn)象表明細菌抑制了Sb（Ⅲ）在氧化鋁表面的氧化反應(yīng)。起初作者推測蠟狀芽孢桿菌本身可以還原Sb（Ⅴ），從而使部分氧化的Sb（Ⅴ）重新轉(zhuǎn)變?yōu)镾b（Ⅲ）。因此檢測了純細菌吸附Sb（Ⅲ）的產(chǎn)物，但由于Sb在細菌表面的吸附量極少，達不到XPS的檢測限，因此未能直接證明。但通過文獻不難發(fā)現(xiàn)，大部分研究報道細菌可以氧化Sb（Ⅲ），如假單胞菌屬[33]、叢毛單胞菌屬[34]以及農(nóng)桿菌屬[35]，卻很少有研究報道可還原Sb（Ⅴ）的微生物，特別是芽孢桿菌屬。因此作者推測，細菌是通過間接作用影響Sb（Ⅲ）的還原，可能的原因推測如下：1）單一氧化鋁可作為導(dǎo)體（介質(zhì)）傳遞Sb（Ⅲ）與溶解O2之間的電子，而細菌由于表面官能團的質(zhì)子化，負電荷較多，電子傳導(dǎo)可能不通暢，因此，復(fù)合體中細菌表面絡(luò)合的Sb（Ⅲ）很難被氧化；2）氧化鋁可能會與細菌表面官能團如羧基、含磷官能團發(fā)生內(nèi)圈絡(luò)合反應(yīng)[36]，進一步影響參與氧化反應(yīng)的官能團和電子傳遞。

3 結(jié) 論

由于攜帶電荷的不同，氧化鋁可緊密吸附在蠟狀芽孢桿菌表面，形成較緊致的礦物-細菌復(fù)合體。銻在α-Al2O3上的吸附量顯著高于細菌；銻在礦物-細菌復(fù)合膠體上的吸附不符合“組分相加”原則，存在顯著的促進效應(yīng)。在復(fù)合膠體中，氧化鋁對銻的吸附起主導(dǎo)作用。鋁羥基、羧基和氨基參與了銻在復(fù)合膠體上的絡(luò)合反應(yīng)。細菌的存在抑制Sb（Ⅲ）在氧化鋁表面的氧化反應(yīng)。因此，在研究銻在土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)時必須考慮礦物-有機物相互作用。