Citrobacter sp. strain YS1抑制煤矸石產(chǎn)酸及重金屬釋放的研究*

張 允 馮啟言# 陳 迪 王曉青 王彥君

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心,江蘇 徐州 221116;3.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221006)

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平、恒溫培養(yǎng)箱、氧化還原電位測(cè)試儀、便攜式pH計(jì)、可見(jiàn)分光光度計(jì)、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)合X射線能量色散譜儀(EDS)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)菌種為前期從某長(zhǎng)期受煤矸石酸性廢水污染的底泥中分離篩選的YS1。研究表明,YS1呈桿狀,周生鞭毛,長(zhǎng)2.0～2.2 μm,寬0.5～0.6 μm;YS1的生長(zhǎng)周期大致分為4個(gè)階段,遲緩期(0～28 h)、對(duì)數(shù)期(28～68 h)、穩(wěn)定期(69～76 h)及衰亡期(76 h后)。此外,YS1為兼性厭氧菌,可以在20～40 ℃下生存,最適生長(zhǎng)溫度為35 ℃;生存pH為6～9,最適pH為7～8[4]。

培養(yǎng)基采用改良的Postgate培養(yǎng)基,成分為KH2PO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、Na2SO43.0 g/L、MgSO4·7H2O 0.06 g/L、酵母浸粉1 g/L、CaCl20.06 g/L、FeSO4·7H2O 0.5 g/L、乳酸鈉6 mL/L和檸檬酸鈉0.3 g/L,培養(yǎng)基pH為6.5。

煤矸石樣品取自山西省太原某礦區(qū),將采集到的煤矸石樣品風(fēng)干破碎,過(guò)200目篩后紫外滅菌處理,備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.4 測(cè)試方法

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)體系pH和ORP變化特征

圖1 不同反應(yīng)體系pH及ORP的變化 Fig.1 Variation of pH and ORP in different reaction systems

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只接種YS1在一定程度上可以減緩煤矸石氧化產(chǎn)酸,碳源的加入可有效提升反應(yīng)體系pH,降低ORP,抑制煤矸石的氧化產(chǎn)酸。

2.2 菌株YS1對(duì)釋放的影響

圖2 不同反應(yīng)體系中質(zhì)量濃度變化Fig.2 Variation of mass concentration in different reaction systems

2.3 菌株YS1對(duì)煤矸石中重金屬釋放的抑制效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)前后不同反應(yīng)體系煤矸石中重金屬含量的變化如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,3個(gè)反應(yīng)體系煤矸石中的重金屬含量均低于原煤矸石,表明在浸出過(guò)程中煤矸石中的重金屬元素均存在一定程度的溶解和釋放。SM組、SMR組煤矸石中各重金屬含量均高于CK組,表明菌株YS1能夠有效減緩煤矸石中各重金屬元素的釋放和溶出。

表1 實(shí)驗(yàn)前后各反應(yīng)體系煤矸石中重金屬質(zhì)量濃度變化Table 1 Changes of heavy metals mass concentration in coal gangue of different reaction systems before and after experiment

圖3 煤矸石浸出液中重金屬質(zhì)量濃度變化Fig.3 Variation of heavy metals mass concentration in coal gangue leachate

2.4 菌株YS1作用機(jī)制分析

2.4.1 XRD分析

將實(shí)驗(yàn)前后的煤矸石樣本冷凍干燥后進(jìn)行XRD物相分析,結(jié)果見(jiàn)圖4。煤矸石主要由石英及鈣長(zhǎng)石組成,同時(shí)含有少量的高嶺土、黃鐵礦及白云母。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,CK組煤矸石中的黃鐵礦被逐漸氧化,黃鐵礦衍射峰明顯降低。與原煤矸石及CK組煤矸石相比,SM組及SMR組煤矸石的石英衍射峰有所減弱,SMR組煤矸石白云母衍射峰消失,可能是因?yàn)榫闥S1利用煤矸石表面的礦物質(zhì)作為生長(zhǎng)所需的能源,從而改變了煤矸石的部分組成[8]。同時(shí),SM組和SMR組煤矸石出現(xiàn)了新的衍射峰,通過(guò)Jade 6分析與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比,該衍射峰為四方硫鐵礦(FeS),可能是菌株YS1代謝產(chǎn)生的S2-與煤矸石所溶出的Fe2+反應(yīng)產(chǎn)生的硫化物沉淀附著在了煤矸石表面[9]。

圖4 實(shí)驗(yàn)前后煤矸石的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of coal gangue before and after experiment

2.4.2 SEM及EDS能譜分析

圖5 實(shí)驗(yàn)前后煤矸石的SEM圖Fig.5 SEM images of coal gangue before and after experiment

2.4.3 FTIR分析

將實(shí)驗(yàn)前后的煤矸石樣本進(jìn)行FTIR分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。原煤矸石樣品的特征峰主要出現(xiàn)在3個(gè)波段,分別為500～800、800～1 200、3 600～3 700 cm-1。500～800 cm-1的紅外區(qū)域主要對(duì)應(yīng)O-H的拉伸振動(dòng)峰[11];800～1 200 cm-1主要對(duì)應(yīng)C-O、C-H、C-O-C及C-O-P的伸縮振動(dòng)峰,這些伸縮振動(dòng)峰主要涉及到微生物細(xì)胞膜或者細(xì)胞壁表面的多糖、磷脂、多肽等[12]。3 600～3 700 cm-1的寬譜帶為氨基的N-H拉伸振動(dòng)峰及羥基的O-H拉伸振動(dòng)峰[13]。根據(jù)FTIR分析結(jié)果,SM組及SMR組煤矸石在各波段的峰值強(qiáng)度與CK組相比均出現(xiàn)了減弱,可能是微生物表面多糖、蛋白以及脂質(zhì)中的羥基、氨基等基團(tuán)均參與了對(duì)煤矸石及其浸出液中重金屬離子的絡(luò)合作用導(dǎo)致。

圖6 實(shí)驗(yàn)前后煤矸石的FTIR圖譜Fig.6 FTIR spectra of coal gangue before and after experiment

3 結(jié) 論

(2) 菌株YS1能夠有效減緩煤矸石中重金屬的釋放,降低反應(yīng)體系浸出液中重金屬的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),SM組浸出液Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Fe濃度相比CK組分別降低了30.91%、42.12%、51.50%、56.25%、45.45%及34.02%;SMR組浸出液Zn、Cu、Cd濃度低于儀器檢出限,Mn、Ni、Fe濃度相比CK組分別降低99.78%、98.75%及99.95%。