半干旱礦區(qū)蒙脫石基人工藻結(jié)皮的構(gòu)建及其固鉛機(jī)制

畢玉晶 周克強(qiáng) 夏 令 宋少先 朱 江 胡 勇

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.湖北三鑫金銅股份有限公司,湖北 大冶 435100)

未經(jīng)修復(fù)的含鉛尾礦迄今仍是一個(gè)世界性的問題,含鉛的尾礦在露天堆存、填埋處置和資源化利用過程中均存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 尾礦的鉛類化合物組分復(fù)雜,其濃度和性質(zhì)可歸因于礦體及矸石的性質(zhì)、成分,以及氣候、水文和地球化學(xué)等環(huán)境條件[1]。 生物機(jī)體攝取鉛后易引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷,多種腦部疾病,且對(duì)腎臟、肝臟、造血系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響[2]。 因此,鉛污染的場(chǎng)地修復(fù)是亟待解決的環(huán)境問題。

微生物修復(fù)技術(shù)作為傳統(tǒng)技術(shù)的生態(tài)可持續(xù)替代品,具有低成本和生態(tài)友好的修復(fù)優(yōu)勢(shì),可用于處理和管理受污染場(chǎng)地和工業(yè)廢物,以保護(hù)公眾健康和環(huán)境。 微生物誘導(dǎo)的生物礦化即微生物通過自身代謝,穩(wěn)定礦物晶格或表面的重金屬離子,促進(jìn)重金屬離子形成溶解度低的磷酸鹽礦物、碳酸鹽礦物等,從而減少重金屬的生物可利用度[3-4]。 因此,微生物法被認(rèn)為是一種有效的可持續(xù)治理手段。

半干旱礦區(qū)土地支離破碎,降雨稀少、蒸發(fā)量大,生態(tài)修復(fù)難度極大。 在這片區(qū)域,風(fēng)蝕主導(dǎo)著尾礦鉛的浸出,而風(fēng)力運(yùn)輸被認(rèn)為是暴露鉛擴(kuò)散的重要媒介[5]。 另外,由于水分蒸發(fā)量大,從尾礦中浸出的鉛將隨蒸汽再次流向大氣[6]。 生物結(jié)皮作為半干旱區(qū)地表的先驅(qū)生物,可顯著抑制地表侵蝕過程。 一項(xiàng)全球薈萃分析表明,與蕪原相比,生物結(jié)皮集合了數(shù)量龐大的微生物群落,將土壤有機(jī)碳含量提高近71%[7]。 其中,微生物本體及其分泌的胞外多糖含有豐富的氨基、羥基、羧基等官能團(tuán),能高效吸附重金屬離子,避免鉛對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生正面沖擊[4,8-9]。 因此,生物結(jié)皮對(duì)干旱礦區(qū)地表生態(tài)修復(fù)具有天然優(yōu)勢(shì)。

歷經(jīng)數(shù)十年甚至千年的發(fā)展,生物結(jié)皮不斷捕獲隨大氣沉降的細(xì)粒黏土[10]。 黏土是土壤的主要成分,其對(duì)土壤形成和有機(jī)質(zhì)的積累至關(guān)重要。 黏土的吸附作用及其對(duì)微團(tuán)聚體的保護(hù)作用是維持有機(jī)質(zhì)物理化學(xué)和物理穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。 例如,在富含黏土的微團(tuán)聚體內(nèi)部,微生物代謝或死亡產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)得以長(zhǎng)期保存并緩慢分解[7]。 黏土礦物(含鋁硅酸鹽礦物)由原生巖石風(fēng)化產(chǎn)生,含有表面帶正電的鋁氧化物和鋁氫氧化物成分,可增強(qiáng)陰離子和負(fù)電顆粒的吸附和絮凝,且具有固定鉛、鉻等陽(yáng)離子的復(fù)雜能力[11]。 蒙脫石是最典型的黏土礦物之一,可提供大量可交換陽(yáng)離子,可與微生物細(xì)胞搭建陽(yáng)離子橋接配體,從而降低鉛對(duì)細(xì)菌的毒性[3]。

此前,半干旱礦區(qū)的生物結(jié)皮快速構(gòu)建技術(shù)仍處于研究的初步階段,生物結(jié)皮對(duì)鉛的固定效果及固鉛機(jī)理尚不明確。 本研究難點(diǎn)在于構(gòu)建的人工生物結(jié)皮要求耐受極端干旱和鉛的強(qiáng)烈生物毒性。 本研究通過接種藍(lán)藻-蒙脫石復(fù)合物構(gòu)建人工藻結(jié)皮,解析人工結(jié)皮對(duì)鉛固定量及可利用程度的影響。 采用掃描電子顯微鏡-能譜聯(lián)用儀(SEM-EDS)、傅里葉紅外變換光譜儀(FTIR)、X 射線衍射儀(XRD)等手段表征了結(jié)皮內(nèi)鉛的分布及形態(tài)變化。 本研究旨在揭示人工藻結(jié)皮對(duì)鉛污染老土的修復(fù)機(jī)理,對(duì)半干旱礦區(qū)地表治理具有深刻啟示和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

藻于BG-11 培養(yǎng)基通氣培養(yǎng)24 d,培養(yǎng)期間保持光暗循環(huán)14、10 h,光照強(qiáng)度40 μE/(m2·s),溫度25±2 ℃。 培養(yǎng)基成分為2.86 g/L 的硼酸、1.86 g/L的四水氯化錳、0.22 g/L 的七水硫酸鋅、0.02 g/L 的鉬酸鈉、0. 08 g/L 的五水硫酸銅、0. 05 g/L 的硝酸鈷、75.00 g/L 的七水硫酸鎂、36.00 g/L 的二水氯化鈣、6. 00 g/L 的檸檬酸、6. 00 g/L 的檸檬酸鐵銨、20.00 g/L 的碳酸鈉、300. 00 g/L 的硝酸鈉、40. 00 g/L 的三水磷酸氫二鉀、1.00 g/L 的乙二胺四乙酸二鈉。 接種前,藍(lán)藻生物量為0.012 g/mL。

“老土”指使用Pb(NO)3溶液和沙子配制含鉛量為125 mg/kg 的濕沙,通過每天加水?dāng)嚢?、風(fēng)干循環(huán)處理,歷時(shí)3 個(gè)月制得的沙土。 干燥的“老土”平鋪于直徑14.3 cm 的培養(yǎng)皿中,用量為每組200.0 g±0.5 g,粒度集中分布于120～200 μm,“老土”層厚度為1.0 cm±0.1 cm。 本研究所用蒙脫石的d50為4.14 μm,d90為12 μm。 蒙脫石基人工藻結(jié)皮是指由Microcoleussteenstruppi、鈉基蒙脫石、BG-11 培養(yǎng)基的混合接種物在沙丘表面形成的土壤硬殼。 根據(jù)藻的生物量設(shè)置M0、M100、M300、M500和M7005 個(gè)處理組,即使用5 mL 濃縮藻液(生物量0.002 4 g/mL)、20 mL水、20 mL BG-11 培養(yǎng)基分別與0 g,1.2 g,3.6 g,6.0 g,8.4 g 蒙脫石均勻混合制得。 加水方式為養(yǎng)護(hù)期(0～14 d)隔天加水5 mL,14 d 后,每4 d 加水5 mL。養(yǎng)護(hù)期相當(dāng)于年平均降雨量28 mm。 藻-蒙脫石層記為人工藻結(jié)皮表層,“老土”層記為人工藻結(jié)皮下層。

人工藻結(jié)皮的取樣時(shí)間為第1 d、第5 d、第9 d、第14 d、第19 d、第36 d、第44 d、第62 d。 待測(cè)樣品均使用直徑7 mm 的環(huán)刀打孔取得。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

葉綠素a 濃度采用優(yōu)化的三色法測(cè)定[12]。 樣品磨碎,加入8 mL 95%的乙醇,4 ℃避光提取24 h。 提取液使用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定665 nm 處的吸光度,以95%的乙醇作對(duì)照。

胞外多糖的濃度采用苯酚-硫酸法測(cè)定[13]。 樣品磨碎,加入2 mL 超純水和1 mL 98%的濃硫酸浸提24 h。 提取液使用6 mol/L 的氫氧化鈉溶液調(diào)至pH=7,并定容至8 mL,設(shè)定5 000 r/min 離心10 min。取1 mL 上清液加入1 mL 9%的苯酚和5 mL 濃硫酸,測(cè)量485 nm 處的吸光度,以超純水代替提取液設(shè)置對(duì)照。 吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線即得胞外多糖的濃度。

可溶性蛋白的濃度采用考馬斯亮藍(lán)比色法測(cè)定[14]。 樣品研磨,于5 mL 50 mmol/L pH=7.8 的磷酸緩沖液中冰浴提取20 min,設(shè)定5 000 r/min 離心10 min。 取1 mL 上清液加入5 mL 考馬斯亮藍(lán)染液,室溫靜置30 min,測(cè)定595 nm 處的吸光度。 吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線即得可溶性蛋白的濃度。

人工藻結(jié)皮的照片為相機(jī)拍攝的原圖。 掃描電子顯微鏡-能譜聯(lián)用儀(SEM-EDS,Phenom 6.0)通過掃描指定區(qū)域的元素分布以便觀察藻絲的形態(tài)及鉛在結(jié)皮中的分布情況。 激光粒度儀(Mastersizer AP2000)用于確定結(jié)皮中黏土、沙子、團(tuán)聚體的粒徑和占比。 Zeta 電位儀(ZEN 3690)用于探究藻-蒙脫石復(fù)合材料的表面電荷狀態(tài),輔助論證復(fù)合材料的固鉛特性。 傅里葉紅外光譜儀(FTIR,Nexus)標(biāo)識(shí)吸附鉛前后,復(fù)合材料表面官能團(tuán)的變化情況。 X 射線衍射儀(XRD,D8 Advance)用于檢測(cè)樣品中的晶體結(jié)構(gòu),揭示鉛的賦存形態(tài)變化。 X 光電子能譜儀(XPS,ESCALAB 250Xi)用于確定固鉛前后材料表面的化學(xué)鍵變化。

因人工藻結(jié)皮中生物礦物占比較低,XRD、XPS的待測(cè)樣品另行制備以剔除沙土的影響。 具體制備方法為,在溶液中制備藻(M"0)、藻-蒙脫石(M"500)、蒙脫石(MT)吸附材料,其中藻生物量為0.007 5 g,蒙脫石質(zhì)量3.75 g。 藻使用前用超純水洗滌3 遍,去除母液中的培養(yǎng)基等成分。 上述溶液在150 mL 0.5 mmol/L 的硝酸鉛溶液中,以150 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌24 h。

鉛的存在狀態(tài)及含量按照Tessier 五步提取法測(cè)得[15]。 第14 d 和第62 d,明晰人工藻結(jié)皮中分別以弱酸可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)形式存在的鉛含量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

使用軟件SPSS 13. 0 進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析,根據(jù)Duncan 事后檢驗(yàn)分析P<0.05(n=3)水平的葉綠素a、胞外多糖、可溶性蛋白質(zhì)、鉛含量數(shù)據(jù)的組間顯著性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 人工藻結(jié)皮的形貌特征

2.1.1 人工藻結(jié)皮的照片

養(yǎng)護(hù)期內(nèi)人工藻結(jié)皮的照片直觀反映其生長(zhǎng)狀況(圖1)。 接種時(shí),M0、M100、M300、M500外觀相近,M700表面顏色變淺。 其原因是等體積溶液條件下,蒙脫石摻入量較大導(dǎo)致接種物粘稠,此時(shí)接種物完全覆蓋于沙表,下滲量小。 第9 d,M300、M500、M700的結(jié)皮將沙表完全覆蓋,但M700表面輕微開裂。 第36 d,表面出現(xiàn)了明顯裂紋和起皮現(xiàn)象,原因可能是缺水、擾動(dòng)等。 第62 d,M0、M100處理表層較完整,顆粒感強(qiáng),M300、M500、M700處理表層完整度下降,其中M500開裂、翹邊的程度較輕。

2.1.2 人工藻結(jié)皮的微觀形貌

第62 d 人工藻結(jié)皮的微觀形貌如圖2 所示。 第62 d,M0結(jié)構(gòu)較松散,沙粒間僅有寥寥數(shù)根藻絲,而M100、M300、M500、M700呈現(xiàn)藻、胞外聚合物、黏土復(fù)合層包裹沙粒的狀態(tài)。 M100顯示相鄰片層之間形成“橋梁”結(jié)構(gòu),說明片層最初是半固態(tài)的可延展性物質(zhì)。 M300、M500組圖像中,沙粒外部的藻絲密度較M0大大提高,說明蒙脫石可促進(jìn)藍(lán)藻的生長(zhǎng)或定殖。 本研究通過少量多次加水,有效避免了蒙脫石的加水膨脹對(duì)蒙脫石基人工藻結(jié)皮的擾動(dòng)。

2.2 人工藻結(jié)皮的生長(zhǎng)情況

2.2.1 人工藻結(jié)皮的葉綠素a 含量變化

由于人工藻結(jié)皮的組分復(fù)雜,常用葉綠素a 含量變化替代生物量變化來反映藻的生長(zhǎng)狀態(tài)。 如圖3所示,接種后5 d 內(nèi),所有結(jié)皮的葉綠素a 近乎下降至零,隨后增長(zhǎng),表明在鉛沙上構(gòu)建結(jié)皮需要約5 d的適應(yīng)期。 直到第14 d,由于水量減少和鉛毒性沖擊對(duì)結(jié)皮再次產(chǎn)生脅迫,M0、M100、M700組的葉綠素a 含量明顯下降,而M300、M500組保持穩(wěn)定,說明該比例下的復(fù)合材料更耐受干旱的沖擊,同時(shí)能緩解鉛離子毒性。 接種14 d 后,M0、M100、M300的葉綠素a 含量與第62 d 無顯著差異,在此期間,葉綠素a 含量呈波動(dòng)式增減,原因或?yàn)? 組人工藻結(jié)皮中藍(lán)藻的數(shù)量達(dá)到環(huán)境容納量。 接種后第62 d,M500、M700組葉綠素a 含量均顯著高于M0、M100、M300組。 研究發(fā)現(xiàn),蒙脫石作為分布廣泛的黏土礦物,可被藻結(jié)皮的生物質(zhì)捕獲,并作為營(yíng)養(yǎng)源促進(jìn)藻結(jié)皮的發(fā)育[16]。 而且,蒙脫石的保水能力極強(qiáng),在80 ℃,55 MPa、10 MPa 的土壤吸力條件下,密度1 750 kg/m3的蒙脫石的含水量仍可分別保持在15%、22%以上,可用于部分緩解蒙脫石基人工藻結(jié)皮的干旱脅迫[17]。 綜上,接種物中摻入適量蒙脫石能促進(jìn)結(jié)皮藍(lán)藻在鉛沙上的增殖。

圖3 M0、M100、M300、M500 和M700 處理組人工藻結(jié)皮的葉綠素a 含量的變化Fig.3 Changes of chlorophyll a content of artificial algae crusts in M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups

2.2.2 人工藻結(jié)皮的胞外多糖含量變化

鑒于官能團(tuán)豐富,胞外多糖成為生物體抵御環(huán)境脅迫的重要機(jī)制[8,18]。 如圖4 所示,5 d 內(nèi),即使葉綠素a 含量下降,但M100、M300、M500、M700組的胞外多糖含量仍增加,表明蒙脫石可刺激藻類釋放多糖,此時(shí)人工藻結(jié)皮逐步產(chǎn)生環(huán)境適應(yīng)性。 第14 d,葉綠素a含量持續(xù)增加,而胞外多糖含量下降,這是由于人工藻結(jié)皮的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)一步提高。 直到19 d 后,胞外多糖含量激增,其中M500、M700漲幅最大。 包裹沙粒的片層為藻分泌的胞外聚合物,可與蒙脫石組建復(fù)合結(jié)構(gòu),形成附著點(diǎn)或橋梁,從而將礦物顆粒連接在一起。 蒙脫石表面的基團(tuán)與胞外聚合物的主鏈或支鏈的末端相互作用使其絮凝,這是形成有機(jī)-礦物顆粒的一般機(jī)制。 胞外聚合物在蒙脫石上的吸附過程涉及靜電相互作用,能直接與蒙脫石表面的氧原子形成氫鍵或通過水分子間接形成氫鍵,其羥基與陽(yáng)離子相互作用也有助于吸附[19]。 蒙脫石的高吸附能力和大比表面積能截留營(yíng)養(yǎng)離子,支撐團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),為微生物提供穩(wěn)定的依附位點(diǎn),促進(jìn)形成微生物-胞外聚合物-蒙脫石復(fù)合體,改善土壤理化性質(zhì)[20]。 綜上,M500、M700對(duì)應(yīng)的蒙脫石摻入量能促進(jìn)生物結(jié)皮分泌胞外多糖,促進(jìn)結(jié)皮抵御干旱和鉛毒的脅迫,這與葉綠素a 含量的變化規(guī)律吻合。

圖4 M0、M100、M300、M500 和M700 處理組人工藻結(jié)皮的胞外多糖含量的變化Fig.4 Changes of exopolysaccharides content of artificial cyanobacterial biocrusts in M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups

2.2.3 人工藻結(jié)皮的可溶性蛋白含量變化

可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)類物質(zhì),反映出微生物應(yīng)對(duì)脅迫時(shí)產(chǎn)生抗氧化酶的能力。 如圖5 所示,可溶性蛋白含量猛增,說明蒙脫石刺激藻類產(chǎn)生可溶性蛋白,進(jìn)而抑制細(xì)胞的過氧化反應(yīng),維持細(xì)胞的滲透壓平衡,破解藍(lán)藻增殖的環(huán)境局限。 第19 d,M100、M300、M500、M700基本獲得環(huán)境適應(yīng)性,而M0需要約44 d 獲得。 源于蛋白質(zhì)及核酸的胞外聚合物的N 和P 均能吸附在蒙脫石上,且陽(yáng)離子濃度的增加有利于胞外聚合物對(duì)蒙脫石的吸附,但N 和P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其質(zhì)量將隨pH 增加而下降[21]。 當(dāng)pH>8 時(shí),胞外聚合物中有20%左右的C 和12%左右的N、P 吸附在蒙脫石上。 從熱力學(xué)角度講,在較高的pH 下,胞外聚合物與蒙脫石的吸附過程放熱量較少,原因是胞外聚合物和蒙脫石帶有大量負(fù)電荷,排斥力強(qiáng),導(dǎo)致吸附反應(yīng)的吸熱量更大[22]。 綜上,最佳處理組為M500。接種初期,蒙脫石調(diào)控可溶性蛋白產(chǎn)量規(guī)避部分環(huán)境脅迫,而胞外多糖主導(dǎo)的細(xì)胞保護(hù)至少需要19 d,胞外多糖和可溶性蛋白協(xié)作保護(hù)結(jié)皮藍(lán)藻的增殖。

圖5 M0、M100、M300、M500 和M700 處理組人工藻結(jié)皮的可溶性蛋白含量的變化Fig.5 Changes of soluble protein content of artificial cyanobacterial biocrusts in M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups

2.3 人工藻結(jié)皮的耐鉛機(jī)理探究

人工藻結(jié)皮的粒徑分布標(biāo)志著培養(yǎng)期內(nèi)蒙脫石的遷移和聚集規(guī)律。 如圖6 所示,結(jié)皮表層逐步顯示出細(xì)顆粒的優(yōu)勢(shì)特征,M500中直徑-20 μm 的顆粒最多,而M700細(xì)顆粒占比降低歸因于M700的藻-蒙脫石層厚度大,于溶液中產(chǎn)生的水穩(wěn)性團(tuán)聚體直徑更大。結(jié)皮下層的粒度分布顯示,M300有近10%的土壤顆粒粒徑小于50 μm,原因可能是,M300給水流速過快,水流夾帶著少量蒙脫石進(jìn)入結(jié)皮下層。 M100、M700下層粒度的分布規(guī)律相似,而M300、M500下層的顆粒粒徑更大。 人工藻結(jié)皮的顆粒分布(表1)顯示,結(jié)皮表層和下層的土壤質(zhì)地占比由大到小均為沙子、粉粒、黏土,其中M500表層含有的黏土級(jí)、粉粒級(jí)的顆粒分別為4.91%和33.24%。 綜上,人工藻結(jié)皮主要以直徑2～20 μm 的微團(tuán)聚體存在,M500表層的細(xì)顆粒含量最高,M300、M500的下層沙粒與蒙脫石團(tuán)聚作用更強(qiáng)。

表1 第62 d 人工藻結(jié)皮的顆粒分布Table 1 The particle distribution of artificial cyanobacterial biocrusts at day 62

圖6 第62 d 人工藻結(jié)皮的粒度累積分布Fig.6 The accumulation distribution of artificial cyanobacterial biocrusts at day 62

2.3.2 人工藻結(jié)皮的pH

第62 d,M0、M100、M300、M500、M700處理組的pH 如圖7 所示。 分析可知,人工藻結(jié)皮的pH 均顯堿性,且pH 隨著蒙脫石加入量的增加而提高。 在該pH 條件下,Pb 通常以氫氧化物或碳酸鹽的形式存在。 這些化學(xué)形態(tài)的鉛相對(duì)穩(wěn)定,生物可利用度較低。 考慮到鉛礦開采伴有酸性廢水的生成,鉛鹽應(yīng)形成弱酸不可溶出的化學(xué)形態(tài)方可避免鉛污染。

圖7 M0、M100、M300、M500、M700 處理組的pH(62 d)Fig.7 The pH of M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups at day 62

2.3.3 人工藻結(jié)皮的電負(fù)性

通過Zeta 電位探究蒙脫石加入對(duì)復(fù)合體系靜電吸附過程的影響,結(jié)果如圖8 所示。 分析可知,M0、M100、M300、M500、M700、MT 的Zeta 電位在pH=5～10 范圍內(nèi)始終為電負(fù)性。 當(dāng)pH>8 時(shí),M300、M500、M700的電位絕對(duì)值小于M0、MT。 當(dāng)pH 較低時(shí),固鉛作用取決于吸附位點(diǎn)上H+的競(jìng)爭(zhēng)和蒙脫石層間陽(yáng)離子的靜電力。 pH 上升將導(dǎo)致蒙脫石層間陽(yáng)離子的靜電力增強(qiáng),H+的競(jìng)爭(zhēng)吸附減弱,從而強(qiáng)化復(fù)合體系的鉛離子吸附作用。 當(dāng)pH>6 時(shí),復(fù)合體系將產(chǎn)生Pb(OH)2沉淀,導(dǎo)致鉛離子難以交換出蒙脫石的層間陽(yáng)離子[23]。 當(dāng)pH=10 時(shí),M500負(fù)電位驟降,原因包括藻-蒙脫石復(fù)合體表面與鉛離子反應(yīng)生成沉積礦物更易進(jìn)行,消耗負(fù)電性官能團(tuán)導(dǎo)致體系電位絕對(duì)值下降,或部分鉛離子侵入結(jié)皮顆粒的雙電層,使得結(jié)皮表面的負(fù)電荷減少[24]。 考慮到官能團(tuán)的豐富性和多元性,人工藻結(jié)皮中的含鉛沉淀需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖8 M0、M100、M300、M500 和M700 處理組及純蒙脫石組(MT)的Zeta 電位(62 d)Fig.8 The Zeta potential value of M0,M100,M300,M500 and M700 treatment groups and pure montmorillonite group (MT) at day 62

2.3.4 人工藻結(jié)皮的元素分布

選區(qū)內(nèi)的元素分布反映出人工藻結(jié)皮的鉛固定位點(diǎn),M0、M500處理組某一區(qū)域內(nèi)元素分布情況如圖9 所示。 圖9(a)顯示,沙子由Si、O、Al 元素組成,藻絲含有C、N、O、P、Ca、Pb 且元素點(diǎn)位重合度高。 M0組的藻絲表面觀察到明顯的礦物沉積(圖2),說明藻絲吸附了鉛離子并可能形成碳酸鉛類和磷酸鉛類礦物。 非藻絲部分的P、Pb 區(qū)域證明“片層”由胞外多糖組成,片層中鉛高度富集[9]。 圖9(b)中所示片層同時(shí)含有C、N、P 元素,說明藍(lán)藻分布其中,Si、O、Al元素點(diǎn)位密集且高度重合,說明片層中負(fù)載了大量蒙脫石顆粒。 與圖2 的結(jié)果相符,片層為藻-EPS-蒙脫石所組成的復(fù)合材料。 因此,鉛離子需要經(jīng)過EPS層、蒙脫石層才能到達(dá)藻絲,大大降低鉛離子的生物可利用性。 而且,由于藻、EPS 和蒙脫石均對(duì)鉛離子有固定作用,相比M0、M500組,片層中鉛負(fù)載量更多。

1.3.1 血壓水平 采用血壓計(jì)測(cè)量治療前后兩組妊娠期高血壓疾病患者的收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)。

圖9 M0、M500 處理組某一區(qū)域內(nèi)元素分布(62 d)Fig.9 The elemental mapping of certain area in M0 and M500 treatment groups at day 62

2.3.5 人工藻結(jié)皮中鉛的化學(xué)形態(tài)及含量

為進(jìn)一步明確人工藻結(jié)皮中鉛沉積物的類型,以及藻-蒙脫石型人工藻結(jié)皮解鉛毒的機(jī)理,分析了結(jié)皮中5 種形態(tài)的鉛(弱酸可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)),結(jié)果如圖10 所示。 分析可知,鉛以碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主,表明人工藻結(jié)皮中含有碳酸鉛類沉淀。 第14 d,M100的鉛固定量最大,原因可能是接種物黏度較小,與表層鉛沙的接觸面積更大。 第62 d,M0、M100的鉛固定總量、弱酸可交換態(tài)鉛含量基本不變,說明M0、M100的固鉛效率較高,最大固鉛量分別為190. 67 μg/cm2和227.04 μg/cm2。 而M500總固鉛量提高了27. 89 μg/cm2,弱酸可交換態(tài)鉛減少8.92 μg/cm2。 由于富含胞外多糖,M500、M700有機(jī)結(jié)合態(tài)鉛含量更高。 人工藻結(jié)皮促使基質(zhì)鉛的生物有效性降低,進(jìn)而降低鉛的浸出率和生物毒性。 綜上,M100的固鉛效率更高,M500的固鉛總量最大,且由于M500生物質(zhì)含量最高,鉛的生物有效性更低。

圖10 人工藻結(jié)皮固定Pb(Ⅱ)的能力及其存在形態(tài)Fig.10 The immobilization capacity and state of Pb(Ⅱ)in artificial cyanobacterial biocrusts

2.3.6 載鉛前后人工藻結(jié)皮的官能團(tuán)變化

載鉛前后,M0、M500的譜峰變化及對(duì)應(yīng)功能性官能團(tuán)如圖11 和表2 所示。 3 618 cm-1和3 440 cm-1附近的特征峰表示Al—OH 和H—OH 的拉伸振動(dòng),代表結(jié)皮中蒙脫石的結(jié)構(gòu)水和層間水[9]。 M500上層1 626 cm-1紅移至1 644 cm-1,1 430 cm-1紅移至1 457 cm-1,歸因于N—H、C—O、C = O、—COO-伸縮振動(dòng),表明脂質(zhì)或蛋白質(zhì)和羧酸鹽的脂肪族基團(tuán)與鉛離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。 1 425 cm-1附近條帶的峰變化表示—COO-基團(tuán)的C = O 伸縮振動(dòng),M500上層相應(yīng)吸收峰紅移,原因是M0、M500體系的pH從8.49提高至9.99,體系存在CO23-的不對(duì)稱拉伸振動(dòng),這也印證了上述人工藻結(jié)皮生成碳酸鉛類沉淀的結(jié)果[3,25]。 觀察到M0的1 167 cm-1的吸收峰屬于磷酸酯和磷脂中磷酸基團(tuán)的P—O,結(jié)合M0中O、P、Pb 分布,表明人工藻結(jié)皮可能形成磷酸鉛類沉淀[26]。M500表層844 cm-1處的弱峰,代表蒙脫石中Al—OH—Mg 的特征峰。 821 cm-1處吸收峰藍(lán)移至795 cm-1附近,可能是鉛和含氮生物配體形成鉛配位化合物。 647 cm-1的吸收峰偏移至624 cm-1,可能生物礦物沉積的過程改變了蒙脫石的表面結(jié)構(gòu)[3]。

表2 載Pb(Ⅱ)前后M0、M500 處理組的表層和下層組分的FTIR 光譜特征峰及波數(shù)變化Table 2 List of changes in the FTIR spectra of the components in surface layer and lower layer of M0 and M500 treatment groups before and after Pb(Ⅱ) loaded

圖11 CG1(藻結(jié)皮)、CG2(藻-蒙脫石結(jié)皮)及M0、M500處理組表層和下層的FTIR 圖譜(62 d)Fig.11 FTIR spectra of CG1 (cyanobacterial biocrust),CG2 (cyanobacteria-montmorillonite biocrust),and surface layer and lower layer of M0 and M500 treatment groups at day 62

2.3.7 人工藻結(jié)皮的礦物組成

為了進(jìn)一步明確體系的礦物種類,使用XRD 分析樣品粉末,結(jié)果見圖12。 藻組(M"0)、藻-蒙脫石組(M"500)、蒙脫石組(MT)的XRD 光譜顯示,所有處理組均存在堿式碳酸鉛,對(duì)應(yīng)2θ=20.8°、26.7°的特征峰,與FTIR 光譜中1 425 cm-1處C=O 伸縮振動(dòng)的結(jié)果吻合[3]。 由于XRD 分析手段要求礦物相超過總礦物含量的5%,且堿式磷酸鉛2θ=30.6°的特征峰與蒙脫石的特征峰部分重合,M"500組呈現(xiàn)微弱的譜峰右移(2θ=0. 2°),M"0存在特征峰,對(duì)應(yīng)FTIR 結(jié)果1 167 cm-1處較弱但可識(shí)別的P—O 振動(dòng)吸收峰[27]。

圖12 載Pb(Ⅱ)前后M"0 、M"500、MT 處理組的XRD 圖譜Fig.12 XRD spectra of M"0 ,M"500,and MT treatment groups before and after Pb(Ⅱ) loaded

3 討 論

3.1 人工藻結(jié)皮的固鉛優(yōu)勢(shì)

藻和蒙脫石已被公認(rèn)為吸附重金屬的高性能材料。 藻表面豐富的有機(jī)官能團(tuán)(如—OH、—COOH)能通過離子交換和表面絡(luò)合有效吸附重金屬陽(yáng)離子[28]。 隨后,藻類通過自身礦化作用將重金屬陽(yáng)離子轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的鉛礦物沉淀。 本研究中,M500中約90%的鉛離子穩(wěn)定化程度增強(qiáng),即碳酸鹽還原態(tài)鉛逐漸轉(zhuǎn)化為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài),遏制了鉛離子的生物可利用性,這可能是人工結(jié)皮在鉛污染地表復(fù)植的關(guān)鍵機(jī)制。 研究發(fā)現(xiàn),蒙脫石營(yíng)造的堿性環(huán)境會(huì)促進(jìn)鉛離子水解,有利于鉛離子生成碳酸鹽沉淀或金屬氫氧化物沉淀,同時(shí)加強(qiáng)胞外聚合物、鐵錳氧化物與鉛離子結(jié)合[24]。 鉛離子與羧基等官能團(tuán)的作用,使碳酸鹽優(yōu)先形成于藻絲表面。 由于碳酸鉛、磷酸鉛、堿式碳酸鉛、堿式磷酸鉛的溶解度分別為10-13、10-42.1、10-45.5、10-60～10-85,碳酸鉛更易被有機(jī)酸溶解產(chǎn)生溶解度更小的生物礦物。 蒙脫石可加快藻類光合作用和尿素水解代謝過程進(jìn)而促進(jìn)堿式碳酸鉛的形成,同時(shí)長(zhǎng)期促進(jìn)生物礦物轉(zhuǎn)移至蒙脫石表面[3]。 堿式磷酸鉛(Pb5(PO4)3OH)被認(rèn)為是廣泛pH 和Eh 范圍內(nèi)高度穩(wěn)定的鉛化合物。 堿式磷酸鉛的成核過程可能發(fā)生在藻的細(xì)胞壁中,磷酸鹽可能來源于培養(yǎng)基、裂解細(xì)菌DNA 的磷酸基團(tuán)、細(xì)胞膜等[4]。 因此,蒙脫石促進(jìn)鉛離子轉(zhuǎn)化為碳酸鹽,藻類進(jìn)一步加強(qiáng)鉛的固定。

3.2 人工藻結(jié)皮的環(huán)境影響

由于半干旱礦區(qū)氣候惡劣,土壤退化嚴(yán)重,還伴有極端pH、重金屬污染等生態(tài)問題,傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)難以勝任礦區(qū)復(fù)墾任務(wù)。 生物結(jié)皮作為退化地表復(fù)植的先驅(qū),其生理特性契合區(qū)域氣候條件。 人工藻結(jié)皮結(jié)合了絲狀藍(lán)藻和蒙脫石,有較好的pH 緩沖能力,能將鉛離子轉(zhuǎn)化為非弱酸結(jié)合態(tài)沉積巖,從而有效避免鉛離子污染地下水。 結(jié)皮藍(lán)藻能通過光合作用固定多元營(yíng)養(yǎng),并通過蒙脫石吸附實(shí)現(xiàn)緩慢釋放,保持土壤長(zhǎng)期生產(chǎn)力[16]。 因此,人工藻結(jié)皮可作為未來工程實(shí)踐中理想的生物過濾器,用于礦區(qū)重金屬的固定和地表生態(tài)環(huán)境的改善。

4 結(jié) 論

(1)蒙脫石可促進(jìn)人工藻結(jié)皮的形成,加快藻的生長(zhǎng)和繁殖,同時(shí)釋放胞外多糖和可溶性蛋白,2 種保護(hù)性物質(zhì)可黏附蒙脫石顆粒,形成藻-蒙脫石片層固定鉛,有效避免鉛對(duì)藻絲的侵害作用。

(2)弱堿性環(huán)境下鉛主要以氫氧化物和碳酸鹽形式存在,但人工藻結(jié)皮的主要組分(藻和蒙脫石)均可將鉛轉(zhuǎn)化為生物可利用度更低的鉛鹽,并降低人工藻結(jié)皮中弱酸可交換態(tài)鉛的含量,同時(shí)增加固鉛總量。 由于弱堿性環(huán)境中蒙脫石難以交換蒙脫石的層間陽(yáng)離子,固鉛過程和鉛穩(wěn)定化過程主要依靠生物質(zhì)的作用。

(3)最佳生長(zhǎng)組和最佳固鉛組均為M500,經(jīng)檢測(cè),蒙脫石基人工藻結(jié)皮的酯基和磷酸基參與反應(yīng),使鉛主要轉(zhuǎn)化為 Pb3( CO3)2( OH)2和 Pb5(PO4)3OH。