半干旱礦區(qū)蒙脫石基人工藻結皮的構建及其固鉛機制

畢玉晶 周克強 夏 令 宋少先 朱 江 胡 勇

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,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)修復的含鉛尾礦迄今仍是一個世界性的問題,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)風險。 尾礦的鉛類化合物組分復雜,其濃度和性質可歸因于礦體及矸石的性質、成分,以及氣候、水文和地球化學等環(huán)境條件[1]。 生物機體攝取鉛后易引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷,多種腦部疾病,且對腎臟、肝臟、造血系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)產生不良影響[2]。 因此,鉛污染的場地修復是亟待解決的環(huán)境問題。

微生物修復技術作為傳統(tǒng)技術的生態(tài)可持續(xù)替代品,具有低成本和生態(tài)友好的修復優(yōu)勢,可用于處理和管理受污染場地和工業(yè)廢物,以保護公眾健康和環(huán)境。 微生物誘導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)修復難度極大。 在這片區(qū)域,風蝕主導著尾礦鉛的浸出,而風力運輸被認為是暴露鉛擴散的重要媒介[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]。 生物結皮作為半干旱區(qū)地表的先驅生物,可顯著抑制地表侵蝕過程。 一項全球薈萃分析表明,與蕪原相比,生物結皮集合了數(shù)量龐大的微生物群落,將土壤有機碳含量提高近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,能高效吸附重金屬離子,避免鉛對細胞產生正面沖擊[4,8-9]。 因此,生物結皮對干旱礦區(qū)地表生態(tài)修復具有天然優(yōu)勢。

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

此前,半干旱礦區(qū)的生物結皮快速構建技術仍處于研究的初步階段,生物結皮對鉛的固定效果及固鉛機理尚不明確。 本研究難點在于構建的人工生物結皮要求耐受極端干旱和鉛的強烈生物毒性。 本研究通過接種藍藻-蒙脫石復合物構建人工藻結皮,解析人工結皮對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)等手段表征了結皮內鉛的分布及形態(tài)變化。 本研究旨在揭示人工藻結皮對鉛污染老土的修復機理,對半干旱礦區(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,通過每天加水攪拌、風干循環(huán)處理,歷時3 個月制得的沙土。 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)藻的生物量設置M0、M100、M300、M500和M7005 個處理組,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)護期(0～14 d)隔天加水5 mL,14 d 后,每4 d 加水5 mL。養(yǎng)護期相當于年平均降雨量28 mm。 藻-蒙脫石層記為人工藻結皮表層,“老土”層記為人工藻結皮下層。

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

1.2 指標測定

葉綠素a 濃度采用優(yōu)化的三色法測定[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-可見分光光度計測定665 nm 處的吸光度,以95%的乙醇作對照。

胞外多糖的濃度采用苯酚-硫酸法測定[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 的氫氧化鈉溶液調至pH=7,并定容至8 mL,設定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,測量485 nm 處的吸光度,以超純水代替提取液設置對照。 吸光值代入標準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比色法測定[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,設定5 000 r/min 離心10 min。 取1 mL 上清液加入5 mL 考馬斯亮藍染液,室溫靜置30 min,測定595 nm 處的吸光度。 吸光值代入標準曲線即得可溶性蛋白的濃度。

人工藻結皮的照片為相機拍攝的原圖。 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)及鉛在結皮中的分布情況。 激光粒度儀(Mastersizer AP2000)用于確定結皮中黏土、沙子、團聚體的粒徑和占比。 Zeta 電位儀(ZEN 3690)用于探究藻-蒙脫石復合材料的表面電荷狀態(tài),輔助論證復合材料的固鉛特性。 傅里葉紅外光譜儀(FTIR,Nexus)標識吸附鉛前后,復合材料表面官能團的變化情況。 X 射線衍射儀(XRD,D8 Advance)用于檢測樣品中的晶體結構,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鍵變化。

因人工藻結皮中生物礦物占比較低,XRD、XPS的待測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 轉速攪拌24 h。

鉛的存在狀態(tài)及含量按照Tessier 五步提取法測得[15]。 第14 d 和第62 d,明晰人工藻結皮中分別以弱酸可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài)形式存在的鉛含量。

1.3 統(tǒng)計分析

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

2 試驗結果與討論

2.1 人工藻結皮的形貌特征

2.1.1 人工藻結皮的照片

養(yǎng)護期內人工藻結皮的照片直觀反映其生長狀況(圖1)。 接種時,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致接種物粘稠,此時接種物完全覆蓋于沙表,下滲量小。 第9 d,M300、M500、M700的結皮將沙表完全覆蓋,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、擾動等。 第62 d,M0、M100處理表層較完整,顆粒感強,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 人工藻結皮的微觀形貌

第62 d 人工藻結皮的微觀形貌如圖2 所示。 第62 d,M0結構較松散,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、黏土復合層包裹沙粒的狀態(tài)。 M100顯示相鄰片層之間形成“橋梁”結構,說明片層最初是半固態(tài)的可延展性物質。 M300、M500組圖像中,沙粒外部的藻絲密度較M0大大提高,說明蒙脫石可促進藍藻的生長或定殖。 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蒙脫石基人工藻結皮的擾動。

2.2 人工藻結皮的生長情況

2.2.1 人工藻結皮的葉綠素a 含量變化

由于人工藻結皮的組分復雜,常用葉綠素a 含量變化替代生物量變化來反映藻的生長狀態(tài)。 如圖3所示,接種后5 d 內,所有結皮的葉綠素a 近乎下降至零,隨后增長,表明在鉛沙上構建結皮需要約5 d的適應期。 直到第14 d,由于水量減少和鉛毒性沖擊對結皮再次產生脅迫,M0、M100、M700組的葉綠素a 含量明顯下降,而M300、M500組保持穩(wěn)定,說明該比例下的復合材料更耐受干旱的沖擊,同時能緩解鉛離子毒性。 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 含量呈波動式增減,原因或為3 組人工藻結皮中藍藻的數(shù)量達到環(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,可被藻結皮的生物質捕獲,并作為營養(yǎng)源促進藻結皮的發(fā)育[16]。 而且,蒙脫石的保水能力極強,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皮的干旱脅迫[17]。 綜上,接種物中摻入適量蒙脫石能促進結皮藍藻在鉛沙上的增殖。

圖3 M0、M100、M300、M500 和M700 處理組人工藻結皮的葉綠素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 人工藻結皮的胞外多糖含量變化

鑒于官能團豐富,胞外多糖成為生物體抵御環(huán)境脅迫的重要機制[8,18]。 如圖4 所示,5 d 內,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,此時人工藻結皮逐步產生環(huán)境適應性。 第14 d,葉綠素a含量持續(xù)增加,而胞外多糖含量下降,這是由于人工藻結皮的環(huán)境適應性進一步提高。 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,可與蒙脫石組建復合結構,形成附著點或橋梁,從而將礦物顆粒連接在一起。 蒙脫石表面的基團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-礦物顆粒的一般機制。 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養(yǎng)離子,支撐團聚體結構,為微生物提供穩(wěn)定的依附位點,促進形成微生物-胞外聚合物-蒙脫石復合體,改善土壤理化性質[20]。 綜上,M500、M700對應的蒙脫石摻入量能促進生物結皮分泌胞外多糖,促進結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 人工藻結皮的可溶性蛋白含量變化

可溶性蛋白是重要的滲透調節(jié)類物質,反映出微生物應對脅迫時產生抗氧化酶的能力。 如圖5 所示,可溶性蛋白含量猛增,說明蒙脫石刺激藻類產生可溶性蛋白,進而抑制細胞的過氧化反應,維持細胞的滲透壓平衡,破解藍藻增殖的環(huán)境局限。 第19 d,M100、M300、M500、M700基本獲得環(huán)境適應性,而M0需要約44 d 獲得。 源于蛋白質及核酸的胞外聚合物的N 和P 均能吸附在蒙脫石上,且陽離子濃度的增加有利于胞外聚合物對蒙脫石的吸附,但N 和P 的質量分數(shù)及其質量將隨pH 增加而下降[21]。 當pH>8 時,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電荷,排斥力強,導致吸附反應的吸熱量更大[22]。 綜上,最佳處理組為M500。接種初期,蒙脫石調控可溶性蛋白產量規(guī)避部分環(huán)境脅迫,而胞外多糖主導的細胞保護至少需要19 d,胞外多糖和可溶性蛋白協(xié)作保護結皮藍藻的增殖。

圖5 M0、M100、M300、M500 和M700 處理組人工藻結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 人工藻結皮的耐鉛機理探究

人工藻結皮的粒徑分布標志著培養(yǎng)期內蒙脫石的遷移和聚集規(guī)律。 如圖6 所示,結皮表層逐步顯示出細顆粒的優(yōu)勢特征,M500中直徑-20 μm 的顆粒最多,而M700細顆粒占比降低歸因于M700的藻-蒙脫石層厚度大,于溶液中產生的水穩(wěn)性團聚體直徑更大。結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入結皮下層。 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。 人工藻結皮的顆粒分布(表1)顯示,結皮表層和下層的土壤質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、粉粒級的顆粒分別為4.91%和33.24%。 綜上,人工藻結皮主要以直徑2～20 μm 的微團聚體存在,M500表層的細顆粒含量最高,M300、M500的下層沙粒與蒙脫石團聚作用更強。

表1 第62 d 人工藻結皮的顆粒分布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。 這些化學形態(tài)的鉛相對穩(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,鉛鹽應形成弱酸不可溶出的化學形態(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 人工藻結皮的電負性

通過Zeta 電位探究蒙脫石加入對復合體系靜電吸附過程的影響,結果如圖8 所示。 分析可知,M0、M100、M300、M500、M700、MT 的Zeta 電位在pH=5～10 范圍內始終為電負性。 當pH>8 時,M300、M500、M700的電位絕對值小于M0、MT。 當pH 較低時,固鉛作用取決于吸附位點上H+的競爭和蒙脫石層間陽離子的靜電力。 pH 上升將導致蒙脫石層間陽離子的靜電力增強,H+的競爭吸附減弱,從而強化復合體系的鉛離子吸附作用。 當pH>6 時,復合體系將產生Pb(OH)2沉淀,導致鉛離子難以交換出蒙脫石的層間陽離子[23]。 當pH=10 時,M500負電位驟降,原因包括藻-蒙脫石復合體表面與鉛離子反應生成沉積礦物更易進行,消耗負電性官能團導致體系電位絕對值下降,或部分鉛離子侵入結皮顆粒的雙電層,使得結皮表面的負電荷減少[24]。 考慮到官能團的豐富性和多元性,人工藻結皮中的含鉛沉淀需進一步驗證。

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 人工藻結皮的元素分布

選區(qū)內的元素分布反映出人工藻結皮的鉛固定位點,M0、M500處理組某一區(qū)域內元素分布情況如圖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)中所示片層同時含有C、N、P 元素,說明藍藻分布其中,Si、O、Al元素點位密集且高度重合,說明片層中負載了大量蒙脫石顆粒。 與圖2 的結果相符,片層為藻-EPS-蒙脫石所組成的復合材料。 因此,鉛離子需要經(jīng)過EPS層、蒙脫石層才能到達藻絲,大大降低鉛離子的生物可利用性。 而且,由于藻、EPS 和蒙脫石均對鉛離子有固定作用,相比M0、M500組,片層中鉛負載量更多。

1.3.1 血壓水平 采用血壓計測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 人工藻結皮中鉛的化學形態(tài)及含量

為進一步明確人工藻結皮中鉛沉積物的類型,以及藻-蒙脫石型人工藻結皮解鉛毒的機理,分析了結皮中5 種形態(tài)的鉛(弱酸可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài)),結果如圖10 所示。 分析可知,鉛以碳酸鹽結合態(tài)為主,表明人工藻結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有機結合態(tài)鉛含量更高。 人工藻結皮促使基質鉛的生物有效性降低,進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生物質含量最高,鉛的生物有效性更低。

圖10 人工藻結皮固定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 載鉛前后人工藻結皮的官能團變化

載鉛前后,M0、M500的譜峰變化及對應功能性官能團如圖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,代表結皮中蒙脫石的結構水和層間水[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,表明脂質或蛋白質和羧酸鹽的脂肪族基團與鉛離子發(fā)生絡合反應。 1 425 cm-1附近條帶的峰變化表示—COO-基團的C = O 伸縮振動,M500上層相應吸收峰紅移,原因是M0、M500體系的pH從8.49提高至9.99,體系存在CO23-的不對稱拉伸振動,這也印證了上述人工藻結皮生成碳酸鉛類沉淀的結果[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的P—O,結合M0中O、P、Pb 分布,表明人工藻結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構[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(藻結皮)、CG2(藻-蒙脫石結皮)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 人工藻結皮的礦物組成

為了進一步明確體系的礦物種類,使用XRD 分析樣品粉末,結果見圖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,對應2θ=20.8°、26.7°的特征峰,與FTIR 光譜中1 425 cm-1處C=O 伸縮振動的結果吻合[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,對應FTIR 結果1 167 cm-1處較弱但可識別的P—O 振動吸收峰[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 人工藻結皮的固鉛優(yōu)勢

藻和蒙脫石已被公認為吸附重金屬的高性能材料。 藻表面豐富的有機官能團(如—OH、—COOH)能通過離子交換和表面絡合有效吸附重金屬陽離子[28]。 隨后,藻類通過自身礦化作用將重金屬陽離子轉化為更穩(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,即碳酸鹽還原態(tài)鉛逐漸轉化為鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài),遏制了鉛離子的生物可利用性,這可能是人工結皮在鉛污染地表復植的關鍵機制。 研究發(fā)現(xiàn),蒙脫石營造的堿性環(huán)境會促進鉛離子水解,有利于鉛離子生成碳酸鹽沉淀或金屬氫氧化物沉淀,同時加強胞外聚合物、鐵錳氧化物與鉛離子結合[24]。 鉛離子與羧基等官能團的作用,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,碳酸鉛更易被有機酸溶解產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而促進堿式碳酸鉛的形成,同時長期促進生物礦物轉移至蒙脫石表面[3]。 堿式磷酸鉛(Pb5(PO4)3OH)被認為是廣泛pH 和Eh 范圍內高度穩(wěn)定的鉛化合物。 堿式磷酸鉛的成核過程可能發(fā)生在藻的細胞壁中,磷酸鹽可能來源于培養(yǎng)基、裂解細菌DNA 的磷酸基團、細胞膜等[4]。 因此,蒙脫石促進鉛離子轉化為碳酸鹽,藻類進一步加強鉛的固定。

3.2 人工藻結皮的環(huán)境影響

由于半干旱礦區(qū)氣候惡劣,土壤退化嚴重,還伴有極端pH、重金屬污染等生態(tài)問題,傳統(tǒng)的植物修復技術難以勝任礦區(qū)復墾任務。 生物結皮作為退化地表復植的先驅,其生理特性契合區(qū)域氣候條件。 人工藻結皮結合了絲狀藍藻和蒙脫石,有較好的pH 緩沖能力,能將鉛離子轉化為非弱酸結合態(tài)沉積巖,從而有效避免鉛離子污染地下水。 結皮藍藻能通過光合作用固定多元營養(yǎng),并通過蒙脫石吸附實現(xiàn)緩慢釋放,保持土壤長期生產力[16]。 因此,人工藻結皮可作為未來工程實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 論

(1)蒙脫石可促進人工藻結皮的形成,加快藻的生長和繁殖,同時釋放胞外多糖和可溶性蛋白,2 種保護性物質可黏附蒙脫石顆粒,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,但人工藻結皮的主要組分(藻和蒙脫石)均可將鉛轉化為生物可利用度更低的鉛鹽,并降低人工藻結皮中弱酸可交換態(tài)鉛的含量,同時增加固鉛總量。 由于弱堿性環(huán)境中蒙脫石難以交換蒙脫石的層間陽離子,固鉛過程和鉛穩(wěn)定化過程主要依靠生物質的作用。

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