富里酸和Ca2+共存對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌介導(dǎo)生成次生高鐵礦物的影響*

黃海濤 王 崇 耿康慧 魏彩春# 靳振江

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室,巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;3.桂林理工大學(xué)生態(tài)環(huán)保現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院,廣西 桂林 541004)

酸性礦山廢水(AMD)是煤礦和各種有色金屬礦開采后的殘留礦物經(jīng)過化學(xué)和生物反應(yīng)形成的廢水,具有pH低,鐵、硫及重金屬含量高的特點[1-2]。當(dāng)廢水pH<4時,Fe2+很難被空氣中的氧氣氧化[3],那就需要先進行預(yù)氧化處理[4-5]。嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillusferrooxidans)能夠氧化Fe2+合成次生高鐵礦物,可免去AMD處理中的預(yù)氧化,次生高鐵礦物一般因含有羥基、硫酸根等基團而具有較強的吸附能力,可作為吸附材料[6-7]。

已有研究表明,Ca2+能夠促進各種細菌生物膜形成[8-11]。劉奮武等[12]1145研究表明,Ca2+也有助于提升嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的能力,并可以促進次生高鐵礦物的生成。富里酸在酸和堿中都能溶解,有助于金屬還原時傳遞電子[13-16]。然而,富里酸和Ca2+共存于AMD中時,對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+以及生成次生高鐵礦物的影響會發(fā)生如何變化還鮮有報道。本研究通過對pH、Fe2+氧化率、鐵沉淀率、礦物礦相和基團等指標(biāo)考察,探究了富里酸和Ca2+共存對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+和形成次生高鐵礦物的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

富里酸,分析純,純度98%;Ca(NO3)2·4H2O,分析純,純度99%。9K培養(yǎng)基的配置：(NH4)2SO460.0 g、KCl 2 g、K2HPO410.0 g、Ca(NO3)2·4H2O 0.2 g、MgSO4·7H2O 10.0 g溶于1 L去離子水中,用體積比1∶1的H2SO4調(diào)節(jié)pH為2.5,攪拌至溶液澄清。嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌休止細胞懸浮液的制備：稱11.12 g FeSO4·7H2O,取12.5 mL 9K培養(yǎng)基置于錐形瓶中,將嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(ATCC23270)按總體積的20%接種在9K培養(yǎng)基中,補充去離子水,使錐形瓶中溶液總體積為250 mL,并調(diào)節(jié)pH=2.50±0.02,在28 ℃、180 r/min的恒溫振蕩條件下培養(yǎng)至指數(shù)生長階段后期,抽濾除去沉淀物,將濾液在10 000倍重力加速度(4 ℃)的離心力下離心10 min后收集細菌,用H2SO4配制的pH=1.5的酸性溶液洗滌3次,再在10 000倍重力加速度(4 ℃)的離心力下離心10 min,保存于H2SO4配制的pH=2.5的5 mL酸性溶液中,制備多份嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌休止細胞懸浮液備用。

1.2 試驗設(shè)置

共設(shè)置9組試驗,每組3個平行樣,在250 mL Fe2+摩爾濃度為160 mmol/L的溶液中加入富里酸和Ca2+,分別使得富里酸質(zhì)量濃度為0、0.2、0.4 g/L,Ca2+為0、0.1、0.3 g/L,其中富里酸和Ca2+質(zhì)量濃度均為0 g/L作為空白對照,用1 mol/L的H2SO4調(diào)節(jié)pH=2.50±0.02,最后加入提前制備好的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌休止細胞懸浮液1 mL。置于28 ℃、180 r/min的恒溫振蕩條件下培養(yǎng),分別在12、24、36、48、72、96、120、144、168 h取樣,測定pH、Fe2+和Fe3+。168 h試驗結(jié)束,過濾得到次生高鐵礦物,用H2SO4配制的pH=1.50的酸性溶液沖洗,去除可溶性離子,再用去離子水沖洗至中性,60 ℃下干燥24 h,稱量,備用。

1.3 測定與分析

pH采用pHs-3C酸度計測定;Fe2+和Fe3+采用鄰菲羅啉比色法(UV-5800PC紫外分光光度計)測定[12]1144。

次生高鐵礦物礦相采用X’Pert 3 Powder X射線衍射(XRD)儀測定,測定條件：管電壓50 kV,管電流150 mA,2θ掃描范圍10°～80°(步長0.02°),彎晶單色器Cu靶。次生高鐵礦物基團采用Frontier FT-IR傅立葉紅外光譜(FTIR)儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 富里酸和Ca2+共存對pH的影響

嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌處理AMD過程中pH隨時間的變化如圖1所示,先短暫上升后下降,這是因為嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+消耗H+,而生成的Fe3+水解又會釋放H+[17]。富里酸較低時,共存對pH上升階段影響不大,而富里酸較高時,共存可能對pH的上升產(chǎn)生一定抑制作用,說明高濃度富里酸會抑制嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+。pH下降階段,最終Ca2+濃度越高,pH越低,當(dāng)?shù)蜐舛雀焕锼岽嬖跁r,可以進一步促進Fe3+水解,而高濃度富里酸則抑制。

圖1 富里酸和Ca2+共存對pH的影響Fig.1 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on pH

2.2 富里酸和Ca2+共存對Fe2+氧化率的影響

如圖2所示,無富里酸共存時,Ca2+濃度越高,Fe2+氧化越快,表明Ca2+能夠提高嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的活性,促進Fe2+的氧化;富里酸質(zhì)量濃度為0.2 g/L時,48 h后Fe2+都氧化完全,而富里酸質(zhì)量濃度為0.4 g/L時,高濃度的富里酸反而不利于Fe2+的氧化。由此可見,適量的富里酸與Ca2+共存才有利于促進Fe2+的氧化。

圖2 富里酸和Ca2+共存對Fe2+氧化率的影響Fig.2 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on Fe2+ oxidation rate

2.3 富里酸和Ca2+共存對鐵沉淀率的影響

如圖3所示,無富里酸共存時,隨著Ca2+濃度的提高,鐵沉淀率逐漸提高且差異明顯,168 h時Ca2+質(zhì)量濃度為0、0.1、0.3 g/L的鐵沉淀率分別為15.4%、23.4%、26.8%;富里酸質(zhì)量濃度為0.2 g/L時,也表現(xiàn)出隨著Ca2+濃度的提高鐵沉淀率相應(yīng)提高的規(guī)律,不過168 h時不同Ca2+濃度的鐵沉淀率相近;富里酸質(zhì)量濃度為0.4 g/L時,72 h后隨著Ca2+濃度增加,鐵沉淀率提高,說明對于高濃度的富里酸可以通過增大Ca2+濃度來減弱其對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的抑制作用。

圖3 富里酸和Ca2+共存對鐵沉淀率的影響Fig.3 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on Fe precipitation rate

2.4 富里酸和Ca2+共存對次生高鐵礦物礦相和基團的影響

XRD圖譜是區(qū)別晶型礦物和非晶型礦物的有效手段,草黃鐵礬(PDF No.031-0650)具有明顯尖銳的衍射特征峰,為晶型礦物;施氏礦物(PDF No.047-1775)特征峰為寬峰,是非晶型礦物[18]。由圖4(a)可見,次生高鐵礦物的XRD圖譜中未觀察到CaSO4·2H2O(PDF No.070-0982)的特征峰,推測在較低的pH下CaSO4·2H2O發(fā)生了溶解。9組試驗得到的次生高鐵礦物均有施氏礦物寬峰,與宋永偉等[19]報道的寬峰一致,但在富里酸質(zhì)量濃度為0.4 g/L的情況下觀察到了草黃鐵礬的弱衍射特征峰,表明高濃度富里酸促成了草黃鐵礬生成。

圖4 富里酸和Ca2+共存對次生高鐵礦物礦相和基團的影響Fig.4 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on secondary ferrate minerals phases and radical groups

圖4(b)對獲得的次生高鐵礦物進行了基團分析,在富里酸質(zhì)量濃度為0.4 g/L時也出現(xiàn)了草黃鐵礬類的1 180 cm-1處的硫酸根基團振動,以及1 024 cm-1處的羥基基團振動,也佐證了高濃度富里酸共存時有草黃鐵礬的生成[20-21]。

3 討 論

3.1 富里酸和Ca2+共存對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+能力的影響

本研究再次證實了Ca2+能夠促進嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+。Ca2+能夠穿梭于細胞內(nèi)外傳遞信息,參與細胞的生命活動[22]。本研究的嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌經(jīng)過高速離心可能受到了一定的損傷,Ca2+與胞外聚合物上的負(fù)電荷基團結(jié)合可以提高細胞膜的穩(wěn)定性,從而對細胞膜起到修復(fù)作用[23]。

本研究中富里酸質(zhì)量濃度為0.2 g/L時對Fe2+的氧化具有顯著的促進效果,這是因為富里酸含有豐富的活性基團,能夠作為電子穿梭體,加快電子傳遞[24]。富里酸質(zhì)量濃度為0.4 g/L時,富里酸反而表現(xiàn)出對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的抑制作用,其中羧基、醛基可能顯示出對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的毒害作用[25]。有報道稱,甲酸、乙酸和丁酸[26],蘋果酸鈉、檸檬酸鈉和草酸鈉[27]濃度高時都能夠抑制細菌對Fe2+的氧化,不過增加Ca2+能夠減弱高濃度富里酸的抑制效應(yīng)。因此,適量富里酸和Ca2+共存才能對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌活性起更好的促進作用。

3.2 富里酸和Ca2+共存對次生高鐵礦物合成的影響

有研究結(jié)果表明,在次生高鐵礦物合成體系中加入活性炭、硅藻土、石英砂及次生高鐵礦物本身等可產(chǎn)生晶種刺激作用[28-31]。本研究中,試驗初期的硫酸鈣起到晶種刺激作用,而伴隨Fe2+的氧化,雖然可促進起晶種刺激作用的次生高鐵礦物形成,但可以推測硫酸鈣的刺激作用比次生高鐵礦物本身更強。富里酸濃度過高時,由于富里酸與Fe2+/Fe3+產(chǎn)生絡(luò)合或者螯合作用[32],使得72 h內(nèi)鐵沉淀率出現(xiàn)起伏,同時Fe2+氧化緩慢,進而抑制次生高鐵礦物合成。

4 結(jié) 論

(1) Ca2+能提升嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+的能力,添加富里酸時,低質(zhì)量濃度(0.2 g/L)的富里酸對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌活性的提高具有促進作用,高質(zhì)量濃度(0.4 g/L)的富里酸具有抑制作用,因此適量的富里酸與Ca2+共存更有利于促進Fe2+的氧化。

(2) 硫酸鈣能夠?qū)Υ紊哞F礦物的形成產(chǎn)生晶種刺激作用,有助于Fe3+水解;適量的富里酸同樣對鐵沉淀率起到促進作用,不過Fe2+氧化完全后,最終鐵沉淀率還是基本一致的。

(3) 高濃度富里酸促進了次生高鐵礦物草黃鐵礬的生成,其原因有待進一步研究。