富里酸和Ca2+共存对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌介导生成次生高铁矿物的影响*

黄海涛 王 崇 耿康慧 魏彩春# 靳振江

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室,岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,广西 桂林 541004;2.桂林理工大学环境科学与工程学院,广西 桂林 541004;3.桂林理工大学生态环保现代产业学院,广西 桂林 541004)

酸性矿山废水(AMD)是煤矿和各种有色金属矿开采后的残留矿物经过化学和生物反应形成的废水,具有pH低,铁、硫及重金属含量高的特点[1-2]。当废水pH<4时,Fe2+很难被空气中的氧气氧化[3],那就需要先进行预氧化处理[4-5]。嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)能够氧化Fe2+合成次生高铁矿物,可免去AMD处理中的预氧化,次生高铁矿物一般因含有羟基、硫酸根等基团而具有较强的吸附能力,可作为吸附材料[6-7]。

已有研究表明,Ca2+能够促进各种细菌生物膜形成[8-11]。刘奋武等[12]1145研究表明,Ca2+也有助于提升嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+的能力,并可以促进次生高铁矿物的生成。富里酸在酸和碱中都能溶解,有助于金属还原时传递电子[13-16]。然而,富里酸和Ca2+共存于AMD中时,对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+以及生成次生高铁矿物的影响会发生如何变化还鲜有报道。本研究通过对pH、Fe2+氧化率、铁沉淀率、矿物矿相和基团等指标考察,探究了富里酸和Ca2+共存对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+和形成次生高铁矿物的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

富里酸,分析纯,纯度98%;Ca(NO3)2·4H2O,分析纯,纯度99%。9K培养基的配置：(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去离子水中,用体积比1∶1的H2SO4调节pH为2.5,搅拌至溶液澄清。嗜酸性氧化亚铁硫杆菌休止细胞悬浮液的制备：称11.12 g FeSO4·7H2O,取12.5 mL 9K培养基置于锥形瓶中,将嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(ATCC23270)按总体积的20%接种在9K培养基中,补充去离子水,使锥形瓶中溶液总体积为250 mL,并调节pH=2.50±0.02,在28 ℃、180 r/min的恒温振荡条件下培养至指数生长阶段后期,抽滤除去沉淀物,将滤液在10 000倍重力加速度(4 ℃)的离心力下离心10 min后收集细菌,用H2SO4配制的pH=1.5的酸性溶液洗涤3次,再在10 000倍重力加速度(4 ℃)的离心力下离心10 min,保存于H2SO4配制的pH=2.5的5 mL酸性溶液中,制备多份嗜酸性氧化亚铁硫杆菌休止细胞悬浮液备用。

1.2 试验设置

共设置9组试验,每组3个平行样,在250 mL Fe2+摩尔浓度为160 mmol/L的溶液中加入富里酸和Ca2+,分别使得富里酸质量浓度为0、0.2、0.4 g/L,Ca2+为0、0.1、0.3 g/L,其中富里酸和Ca2+质量浓度均为0 g/L作为空白对照,用1 mol/L的H2SO4调节pH=2.50±0.02,最后加入提前制备好的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌休止细胞悬浮液1 mL。置于28 ℃、180 r/min的恒温振荡条件下培养,分别在12、24、36、48、72、96、120、144、168 h取样,测定pH、Fe2+和Fe3+。168 h试验结束,过滤得到次生高铁矿物,用H2SO4配制的pH=1.50的酸性溶液冲洗,去除可溶性离子,再用去离子水冲洗至中性,60 ℃下干燥24 h,称量,备用。

1.3 测定与分析

pH采用pHs-3C酸度计测定;Fe2+和Fe3+采用邻菲罗啉比色法(UV-5800PC紫外分光光度计)测定[12]1144。

次生高铁矿物矿相采用X’Pert 3 Powder X射线衍射(XRD)仪测定,测定条件：管电压50 kV,管电流150 mA,2θ扫描范围10°～80°(步长0.02°),弯晶单色器Cu靶。次生高铁矿物基团采用Frontier FT-IR傅立叶红外光谱(FTIR)仪测定。

2 结果与分析

2.1 富里酸和Ca2+共存对pH的影响

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌处理AMD过程中pH随时间的变化如图1所示,先短暂上升后下降,这是因为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+消耗H+,而生成的Fe3+水解又会释放H+[17]。富里酸较低时,共存对pH上升阶段影响不大,而富里酸较高时,共存可能对pH的上升产生一定抑制作用,说明高浓度富里酸会抑制嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+。pH下降阶段,最终Ca2+浓度越高,pH越低,当低浓度富里酸存在时,可以进一步促进Fe3+水解,而高浓度富里酸则抑制。

图1 富里酸和Ca2+共存对pH的影响Fig.1 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on pH

2.2 富里酸和Ca2+共存对Fe2+氧化率的影响

如图2所示,无富里酸共存时,Ca2+浓度越高,Fe2+氧化越快,表明Ca2+能够提高嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的活性,促进Fe2+的氧化;富里酸质量浓度为0.2 g/L时,48 h后Fe2+都氧化完全,而富里酸质量浓度为0.4 g/L时,高浓度的富里酸反而不利于Fe2+的氧化。由此可见,适量的富里酸与Ca2+共存才有利于促进Fe2+的氧化。

图2 富里酸和Ca2+共存对Fe2+氧化率的影响Fig.2 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on Fe2+ oxidation rate

2.3 富里酸和Ca2+共存对铁沉淀率的影响

如图3所示,无富里酸共存时,随着Ca2+浓度的提高,铁沉淀率逐渐提高且差异明显,168 h时Ca2+质量浓度为0、0.1、0.3 g/L的铁沉淀率分别为15.4%、23.4%、26.8%;富里酸质量浓度为0.2 g/L时,也表现出随着Ca2+浓度的提高铁沉淀率相应提高的规律,不过168 h时不同Ca2+浓度的铁沉淀率相近;富里酸质量浓度为0.4 g/L时,72 h后随着Ca2+浓度增加,铁沉淀率提高,说明对于高浓度的富里酸可以通过增大Ca2+浓度来减弱其对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的抑制作用。

图3 富里酸和Ca2+共存对铁沉淀率的影响Fig.3 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on Fe precipitation rate

2.4 富里酸和Ca2+共存对次生高铁矿物矿相和基团的影响

XRD图谱是区别晶型矿物和非晶型矿物的有效手段,草黄铁矾(PDF No.031-0650)具有明显尖锐的衍射特征峰,为晶型矿物;施氏矿物(PDF No.047-1775)特征峰为宽峰,是非晶型矿物[18]。由图4(a)可见,次生高铁矿物的XRD图谱中未观察到CaSO4·2H2O(PDF No.070-0982)的特征峰,推测在较低的pH下CaSO4·2H2O发生了溶解。9组试验得到的次生高铁矿物均有施氏矿物宽峰,与宋永伟等[19]报道的宽峰一致,但在富里酸质量浓度为0.4 g/L的情况下观察到了草黄铁矾的弱衍射特征峰,表明高浓度富里酸促成了草黄铁矾生成。

图4 富里酸和Ca2+共存对次生高铁矿物矿相和基团的影响Fig.4 Effect of fulvic acid and Ca2+ coexistence on secondary ferrate minerals phases and radical groups

图4(b)对获得的次生高铁矿物进行了基团分析,在富里酸质量浓度为0.4 g/L时也出现了草黄铁矾类的1 180 cm-1处的硫酸根基团振动,以及1 024 cm-1处的羟基基团振动,也佐证了高浓度富里酸共存时有草黄铁矾的生成[20-21]。

3 讨 论

3.1 富里酸和Ca2+共存对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+能力的影响

本研究再次证实了Ca2+能够促进嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+。Ca2+能够穿梭于细胞内外传递信息,参与细胞的生命活动[22]。本研究的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌经过高速离心可能受到了一定的损伤,Ca2+与胞外聚合物上的负电荷基团结合可以提高细胞膜的稳定性,从而对细胞膜起到修复作用[23]。

本研究中富里酸质量浓度为0.2 g/L时对Fe2+的氧化具有显著的促进效果,这是因为富里酸含有丰富的活性基团,能够作为电子穿梭体,加快电子传递[24]。富里酸质量浓度为0.4 g/L时,富里酸反而表现出对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的抑制作用,其中羧基、醛基可能显示出对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的毒害作用[25]。有报道称,甲酸、乙酸和丁酸[26],苹果酸钠、柠檬酸钠和草酸钠[27]浓度高时都能够抑制细菌对Fe2+的氧化,不过增加Ca2+能够减弱高浓度富里酸的抑制效应。因此,适量富里酸和Ca2+共存才能对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌活性起更好的促进作用。

3.2 富里酸和Ca2+共存对次生高铁矿物合成的影响

有研究结果表明,在次生高铁矿物合成体系中加入活性炭、硅藻土、石英砂及次生高铁矿物本身等可产生晶种刺激作用[28-31]。本研究中,试验初期的硫酸钙起到晶种刺激作用,而伴随Fe2+的氧化,虽然可促进起晶种刺激作用的次生高铁矿物形成,但可以推测硫酸钙的刺激作用比次生高铁矿物本身更强。富里酸浓度过高时,由于富里酸与Fe2+/Fe3+产生络合或者螯合作用[32],使得72 h内铁沉淀率出现起伏,同时Fe2+氧化缓慢,进而抑制次生高铁矿物合成。

4 结 论

(1) Ca2+能提升嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+的能力,添加富里酸时,低质量浓度(0.2 g/L)的富里酸对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌活性的提高具有促进作用,高质量浓度(0.4 g/L)的富里酸具有抑制作用,因此适量的富里酸与Ca2+共存更有利于促进Fe2+的氧化。

(2) 硫酸钙能够对次生高铁矿物的形成产生晶种刺激作用,有助于Fe3+水解;适量的富里酸同样对铁沉淀率起到促进作用,不过Fe2+氧化完全后,最终铁沉淀率还是基本一致的。

(3) 高浓度富里酸促进了次生高铁矿物草黄铁矾的生成,其原因有待进一步研究。