A. ferrooxidans培養過程中Al/Fe(摩爾比)對鐵礦物形成產物的影響

姜艾伶，劉佳欣，熊慧欣，程 琳，齊維毅

(揚州大學 環境科學與工程學院， 江蘇 揚州 225127)

綜上所述，本文通過對含A.ferrooxidans菌、硫酸鹽鐵礦物和磷酸根離子環境中鐵礦物的形成及其物相轉化機理進行探討，研究了外源添加磷酸鹽(AlPO4)的A.ferrooxidansHX3培養液中鐵礦物的形成，并分析了產物的物相與結構形貌。

1 材料和方法

1.1 細菌培養介質及接種物

改進型9 K液體培養基的配制： 稱取(NH4)2SO43.5 g、KCl 0.116 g、K2HPO40.058 g、MgSO4·7 H2O 0.58 g和Ca(NO3)2·4 H2O 0.016 8 g，溶于1 L去離子水中，用9 M H2SO4調節pH值為3.2～3.3，于121℃下濕熱滅菌15 min；上述溶液冷卻后加入FeSO4·7 H2O 44.2 g(細菌所需能源)，經0.22 μm醋酸纖維濾膜過濾滅菌。所有試劑純度均為AR級，購買于上海國藥集團化學試劑有限公司。

接種菌為A.ferrooxidansHX3(基因數據庫登入號為HQ009292)。

1.2 鐵礦物的形成實驗

在500 mL錐形瓶中加入300 mL改進型9 K液體培養液，外源加入一定量的AlPO4溶液以使Al/Fe(摩爾比R)依次為0(即對照組CK)、0.04、0.4和1，然后接種5%的A.ferrooxidansHX3菌液，用1∶1 H2SO4調節初始pH值至2.8，于搖床(28 ℃和180 r/min)中培養。每處理均設置3個平行。

反應時間0～168 h內，每隔12 h拍照記錄A.ferrooxidans培養液顏色和濁度變化情況，并測試其pH值(采用pHS-3C型數字pH計測定)；取2 mL溶液于10 000 r/min離心去沉淀，上清液酸化后于4℃保存，待測Fe2+濃度(采用鄰菲羅啉比色法測定；APHA)。每次取樣前，用稱重法補充因蒸發等損失的水分。同時，另將分別培養至2 d和7 d的A.ferrooxidans培養液中所有沉淀物取出，用去離子水反復洗滌以去雜質離子，40℃烘干后于干燥器皿中保存，待表征分析。

1.3 鐵礦物的表征分析方法

晶型由德國BRUKER公司的D8 ADVANCE型多晶X-ray衍射儀測定(工作條件為CuKα線、40 kV、200 mA，掃描速度4°/min，掃描范圍10°～80°)；對照JCPDS卡片確定測試樣品衍射特征峰對應d值。采用德國BRUKER公司的Tensor 27傅里葉變換紅外光譜儀測定顆粒的表面結構組成及鍵合情況；該儀器配有一個帶KBr分光鏡的DTGS檢波器，測試背景值400 mg KBr， 分辨率為4 cm-1。 形貌結構由Hitachi S-4800場發射掃描電子顯微鏡和Zeiss Supra55場發射掃描電子顯微鏡測定。

2 結果與討論

2.1 細菌培養液顏色的動態變化

不同Al/Fe(摩爾比，R)下，A.ferrooxidans細菌培養液的顏色隨時間的變化情況見圖1。當R為0、0.04、0.4和1時，細菌培養液的顏色在初始48 h內由淡黃色轉變成紅棕色，同時伴隨有紅棕色沉淀物形成。但R為0.4和1時，處理溶液顏色分別在72 h之后逐漸呈現黃色和淡黃色，鐵沉淀物為亮黃色。

圖 1 不同Al/Fe條件下氧化亞鐵硫桿菌培養液顏色隨時間的變化Fig. 1 Color change of A. ferrooxidans cultures with time under various Al/Fe mole rates

2.2 溶液pH值和Fe2+濃度的變化

細菌培養初始階段(48 h內)，所有溶液中Fe2+濃度均由8 g/L迅速下降到0 g/L(圖2a)，可見溶液中的所有Fe2+在該階段均被生物催化氧化成Fe3+，這表明AlPO4加入量對A.ferrooxidansHX3細菌氧化Fe2+的速率無明顯影響。同時，溶液pH值均由2.8快速下降至2.2左右(圖2b)。pH值下降主要是因為培養液中的Fe2+被生物快速催化氧化成Fe3+，Fe3+水解形成鐵沉淀產物時向溶液中釋放一定量的H+所致(Xiong and Guo, 2011)。細菌繼續培養至60 h后，除R為1的培養液pH值已平穩在1.8左右，其余處理均由2.1持續緩慢下降至平穩值1.9或2.0。上述細菌培養液pH值變化呈現的差異，可能與細菌培養過程中鐵礦物相轉化程度不同有關(Xiong and Guo, 2011)。

2.3 鐵沉淀產物的表征與分析

2.3.1 XRD與FTIR圖譜

細菌培養介質中形成的2d-和7d-鐵礦物產物(即細菌分別培養至48和168 h時取出鐵沉淀物)的XRD譜線見圖3左。依據文獻(Liaoetal., 2009； Zhangetal., 2013； 張笛等， 2018)中依次報道的施威特曼石(PDF47-1775)、黃鉀鐵礬(PDF36-0427)和磷酸鐵(PDF72-0471)的XRD譜線，可以發現R=0(對照)時，細菌培養至2天時形成鐵沉淀產物的XRD譜線只出現施威特曼石的主要特征峰，其d值為4.86、3.39、2.55、1.95、1.66、1.51，這與本課題組前期研究結果一致(Xuetal., 2014)；持續培養至7天時，介質中形成鐵沉淀產物的XRD譜線出現了黃鉀鐵礬的主要特征峰，其d值為5.67、5.08、3.12、2.83、2.54、2.27、1.96、1.83，這表明溶液中的施威特曼石基本轉變為黃鉀鐵礬。R=0.04時形成的2d-鐵沉淀產物XRD譜線出現施威特曼石和黃鉀鐵礬的主要特征峰；當反應進行到7天時，鐵沉淀產物基本轉變為黃鉀鐵礬。隨著R上升至0.4時，鐵沉淀產物的XRD譜線不僅出現黃鉀鐵礬的特征峰，2d-和7d-鐵沉淀產物的XRD譜線還分別出現了磷酸鐵的特征峰(相應d值為4.55、4.26、2.79、2.50、2.34)和無定型磷酸鐵偏移包峰。最后R=1時，細菌介質中形成的2d-鐵沉淀產物的XRD譜線出現了無定型磷酸鐵偏移包峰，這表明沉淀產物中除了無定型的磷酸鐵，還有黃鉀鐵礬或/和施威特曼石；而7d-鐵沉淀產物的XRD譜線上的磷酸鐵包峰更強，表明隨著反應的進行細菌介質中形成更多的無定型磷酸鐵。2d-和7d-鐵礦物產物的XRD譜線表明AlPO4的加入會加快黃鉀鐵礬的轉變速度，且隨著AlPO4加入量的增加會形成磷酸鐵。

圖 2 細菌培養液中Fe2+濃度(a)和pH值(b)隨時間的變化Fig. 2 Changes of the Fe2+ concentration in bacterial cultures (a) and their pH values (b) with time

圖 3 鐵沉淀產物的X射線衍射圖(左)和紅外譜圖(右)Fig. 3 XRD patterns (left) and FTIR spectra (right) of the iron precipitate productsS， J， P和AP分別代指施威特曼石、黃鉀鐵礬、磷酸鐵和無定型磷酸鐵。圖a為文獻Liao et al.(2009)， Zhang et al.(2013)， Lu et al.(2015)， Xie et al.(2017)，張笛等(2018)中的相應鐵礦物的表征結果；圖b和c分別為本文中2d-和7d-鐵沉淀產物的表征結果S, J, P and AP orderly refer to schwertmannite, jarosite, iron phosphate and amorphous iron phosphate. Fig. a shows the characterization results for the corresponding iron minerals present in the references by Liao et al. (2009), Zhang et al. (2013), Lu et al. (2015), Xie et al. (2017), Zhang Di et al (2018); and Fig. b and c show the characterization results for 2d- and 7d-precipitates of iron mineral products

此外，細菌培養介質中形成的2d-和7d-鐵礦物產物的FTIR譜線見圖3右。與文獻(Luetal., 2015； Xieetal., 2017； 張笛等， 2018)中依次報道的純礦物相施威特曼石、黃鉀鐵礬或磷酸鐵礦的紅外光譜圖比較發現，其中R為0和0.04時2d-鐵沉淀的FTIR譜線與施威特曼石的基本一致，于693 cm-1處出現O—H…SO4的振動峰，于～1 122、981、605 cm-1處出現了典型SO4基團振動峰的吸收峰；反應進行到7 d時，這兩個處理產生的鐵礦物FTIR譜線與黃鉀鐵礬的基本一致，于1 195和630 cm-1處出現了SO4伸縮振動峰，于1 087和1 105 cm-1處出現了黃鉀鐵礬的SO4吸收峰，以及在508 cm-1處出現FeO6正八面體的振動峰。R=0.4和1時，細菌介質中獲得2d-鐵礦物的譜圖在1 300～1 200 cm-1處出現了P—O的伸縮振動吸收帶，于910 cm-1處出現P—O振動峰，表明PO4可能被施威特曼石吸附或參與了磷酸鐵礦的形成(Wangetal., 2017)；獲得的7d-鐵礦物的FTIR譜線與磷酸鐵的基本一致(Luetal., 2015; Wangetal., 2017)，于1 049 cm-1處出現P—O振動峰，于630 cm-1處出現Fe—O—P伸縮振動峰。

上述2d-或7d-鐵礦物產物的FTIR與XRD結果一致表明，對照處理或AlPO4加入量較少(Al/Fe不高于0.04)時，培養液中初始形成的施威特曼石會逐漸轉化為黃鉀鐵礬；而當AlPO4加入量使Al/Fe高于0.4時，形成鐵沉淀產物中有磷酸鐵出現。據相關文獻(Gahanetal., 2009； Xiong and Guo, 2011)報道，上述鐵礦物形成過程主要包括Fe2+氧化水解過程(反應式1和2)及施威特曼石、黃鉀鐵礬或磷酸鐵礦的形成過程(分別為反應式3、4和5)。

Fe8O8(OH)8-2x(SO4)x+(24-2x)H+(3)

AlPO4含量較高時，發生反應：

由上述結果和相關反應方程可得出，氧化亞鐵硫桿菌HX3培養溶液中的Fe2+可被快速生物催化氧化成Fe3+，且Fe3+易水解形成鐵沉淀時有H+釋放出來。當加入AlPO4至Al/Fe為0.04時主要出現鐵沉淀的形成反應(施威特曼石)和轉化形成反應(黃鉀鐵礬)；R=0.4和1時出現磷酸鐵礦形成反應。

2.3.2 FESEM形貌圖

形成的2d-鐵礦物的FESEM形貌結構如圖4所

示(圖像c2、d2分別為c1、d1存在顆粒的高倍圖)，對照(即R=0)中形成鐵礦物施威特曼石為直徑約為5～10 μm的“針墊”類球體的聚集體(圖像a)；R為0.04細菌溶液中鐵礦物除含有聚集球顆粒形貌外，還觀察到部分施威特曼石球體表面呈現有少量菱形狀黃鉀鐵礬顆粒(圖像b)。相比較，R增加至0.4時，覆蓋在施威特曼石顆粒表面的菱形黃鉀鐵礬顆粒尺寸增大、數量增多，還額外觀察到少許磷酸鐵球狀顆粒(圖像c2)；而當R為1時，磷酸鐵球狀顆粒數量明顯增多(圖像d2)。另一FESEM圖(圖5，其中圖像a2、d2分別為a1、d1中存在顆粒的高倍圖)為7d-鐵沉淀產物的形貌結構，其中對照中形成鐵礦物為少量施威特曼石和大量菱形狀黃鉀鐵礬顆粒(圖像a2)，R為0.04處理中形成的鐵沉淀為黃鉀鐵礬(圖像b)，而當R為0.4和1時鐵礦物為磷酸鐵球狀聚集體顆粒(圖像c和d2)。顯然，細菌培養至7 d時，含較低量AlPO4的溶液中沉淀主要為施威特曼石和黃鉀鐵礬的混合物；而含較高量AlPO4的溶液中沉淀為黃鉀鐵礬和磷酸鐵礦的混合礦相。

圖 4 2d-鐵礦物沉淀的FESEM形貌圖Fig. 4 FESEM morphology images for the 2d-precipitates of iron minerals

圖 5 7d-鐵礦物沉淀的FESEM形貌圖Fig. 5 FESEM morphology images for the 7d-precipitates of iron minerals

3 結論

(1) 氧化亞鐵硫桿菌HX3培養初始2天內，溶液中Fe2+可快速生物催化氧化成Fe3+，Fe3+水解形成鐵沉淀產物，同時向溶液中釋放H+而使pH值下降。

(2) AlPO4的加入對細菌氧化Fe2+的進程基本無影響，但可促進Fe3+水解形成或轉化形成不同物相的“針墊”類球狀施威特曼石、菱形黃鉀鐵礬和球形磷鐵礦3種鐵礦物產物。

(3) AlPO4加入可促進黃鉀鐵礬的轉化形成；較高的Al/Fe(摩爾比)值和磷酸根含量利于磷酸鐵礦的形成。