酸碱度和铁离子对毒砂生物氧化作用的影响研究*

陈炳辉,王智美,颜 丽,王梦媛 ,李 文

(1．中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275；2. 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 510275；3. 广东药学院公共卫生学院，广东 广州 510310)

硫化物矿物的微生物氧化作用研究被广泛地应用于湿法冶金领域，认为在氧化亚铁硫杆菌(A.f.)的作用下，硫化物矿物的氧化速度会加快。近年来，国内外学者开始重视酸性矿山环境中A.f.对黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、毒砂等硫化物矿物的生物氧化作用的研究[1-9]，发现在pH<4的酸性环境中，硫化物矿物以生物化学氧化过程为主，而且铁离子会加速硫化物矿物的氧化[1-4]。

毒砂(FeAsS)是金属硫化物矿床及尾矿中常见的含砷硫化物矿物，毒砂氧化后释放的砷进入水环境会导致严重的生态污染，引起国内学者的关注。郁云妹等研究了毒砂的化学氧化作用与水溶液pH的关系,获得毒砂氧化释放的溶解As质量浓度随溶液pH升高呈V字形变化,pH值在7～8之间最低[8]；张珊珊等通过生物氧化和化学氧化的对比试验，探讨氧化亚铁硫杆菌与毒砂相互作用的阶段性和氧化机制[9]；朱婷婷等实验研究了毒砂微生物氧化作用形成的次生矿物类型，指出毒砂在A.f.作用下的次生矿物主要为铁的硫酸盐、砷酸盐和亚砷酸盐；分析了微生物作用前后毒砂表面Fe、As和S三种元素的价态变化，探讨了毒砂表面次生矿物成因和As的化学态变化[10]。但不同环境(如pH、Fe2+含量等)对毒砂生物氧化作用的影响还不清楚。

本文利用从大宝山多金属矿酸性矿山废水中培养得到的A.f.菌，研究不同初始pH和Fe离子含量对毒砂微生物氧化作用的影响，这不仅有助于深入了解毒砂的微生物氧化机理，而且对富砷酸性矿山废水的环境治理等方面有参考价值。

1 材料与方法

1.1 9K培养基的配置

准确称取(NH4)2SO43.00 g，KCl 0.10 g，K2HPO40.10 g ，MgSO4·7H2O 0.50 g, Ca(NO3)20.01 g，双蒸水600.0 mL，用1∶1 H2SO4调pH为2.00，在121 ℃灭菌15 min, 配制不含Fe的9K培养基。

另称取FeSO4·7H2O 44.30 g溶于400.0 mL双蒸水,用同样的方法将pH调为2.00，用孔径为0.22 μm过滤器过滤除菌，然后将其与上述不含FeSO4·7H2O的9K培养基混合，配制含Fe的9K培养基。

1.2 氧化亚铁硫杆菌菌悬液

从大宝山尾矿库酸性矿山废水培养得到的A.f.菌株培养液[11]，进行加富培养，用血球计数板计数，实验用A.f.的菌悬液的密度达到1×107个/mL。

1.3 矿物粉末的制备

将毒砂矿样敲碎后，在立体显微镜下除去多余杂物后，粉碎到直径小于0.18 mm(过80目筛)，用无水乙醇浸泡30 min后，再用去离子水清洗3遍，放置于真空干燥箱，设定温度为50 ℃，2 h后取出并封存。

1.4 实验过程

所有浸泡实验均在洁净工作台(洁净等级100级)完成。浸泡实验在250 mL的锥形瓶中进行，矿浆质量浓度为3 g/mL(100 mL溶液中含3 g毒砂粉末)。将毒砂粉末加入到含有Fe2+和不含Fe2+的9K培养基中，接种10%(加入的菌悬液/溶液总体积)的A.f液悬液，用1∶1的H2SO4调节pH，分别为2.00、3.00和3.50，将锥形瓶放置于振荡器(HZQ-C空气浴振荡器)，培养温度为30 ℃，转速为150 r/min，每日振荡20 h。同时进行无菌浸泡的对比实验。定期测定溶液中As离子、Fe2+质量浓度和pH值。

文中样品代号的含义：Y-2、Y-3、Y-3.5分别表示初始pH2.00、pH3.00和pH3.50，均为不含Fe2+的9K培养基，接种A.f.浸泡；FeWY-2、FeWY-3、FeWY-3.5分别表示初始pH2.00、pH3.00和pH3.50，均为含Fe2+的9K培养基,无菌浸泡；FeY-2、FeY-3、FeY-3.5分别表示初始pH2.00、pH3.00和pH3.50，均为含Fe2+的9K培养基, 接种A.f.浸泡。

1.5 分析测试方法

实验溶液中的阳离子利用IRIS(HR)等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)分析，pH值利用PHS-25型精密pH计测定。

2 实验结果

2.1 浸泡实验过程溶液变化

在含铁9K培养基有菌氧化实验中，初始pH2.00的溶液，前23 d颜色变化不大，后7 d颜色变化较为明显，至第30天反应结束，溶液变为深绿色；初始pH3.00的溶液，前23天变化微弱，较初始pH2.00溶液颜色稍深，至第30天结束，溶液变为黄绿色；初始pH3.50的溶液变化较为明显，第2天即已变为土黄色，第6天时为黄褐色且有褐色沉淀生成，至反应结束溶液已变为黄色，大量沉淀附着于瓶壁和瓶底。

在含铁9K培养基无菌氧化实验中，初始pH2.00的溶液，与加入菌体同等pH条件下颜色变化类似，前23 d溶液颜色除稍变浑浊外，无其他明显变化，至第30天反应结束，溶液变为深绿色；初始pH3.00的溶液，前23 d变化非常微弱，可见其逐渐变浑浊的过程，后7 d变化明显，实验结束，变为黄绿色，比加入菌体溶液颜色稍浅，偏浑浊；初始pH3.50的溶液变化比较特殊，瓶壁未见沉淀。

在无铁9K培养基有菌氧化的实验溶液,颜色变化不如含铁9K培养基溶液明显。初始pH2.00的溶液颜色变化比初始pH3.00的溶液变化明显，前23 d变化较为微弱，稍浑浊，至第30天，前者颜色为深绿色，色泽鲜艳，后者颜色明显稍浅，混杂灰色；而初始pH3.50的溶液，前23 d溶液颜色时候未见变化，第23天开始稍显浑浊，至第30天溶液完全变为深绿色，且瓶壁有大量沉淀附着。

2.2 浸泡实验过程溶液阳离子质量浓度

浸泡实验过程溶液中As离子和Fe2+离子质量浓度变化如表1所示。

2.3 浸泡实验过程溶液pH变化

浸泡实验过程溶液pH变化如表2所示。

3 讨 论

3.1 不同初始pH值对毒砂生物氧化溶液As离子质量浓度的影响

为了排除Fe2+对毒砂生物氧化作用的影响，利用不同初始pH值含菌不含铁培养基实验溶液As离子质量浓度变化来讨论不同初始pH值对毒砂生物氧化的影响。从图1可以看出，反应前11d，各溶液中As离子质量浓度变化规律较好，呈上升趋势，且初始pH2.00的溶液中As离子的溶出速率较快，初始pH3.00和3.50的溶液As离子质量浓度变化较慢，到第11天，初始pH2.00、3.00和3.50的实验溶液中As离子质量浓度分别为616.5, 80.0和48.6 mg/L(表1)，说明反应开始pH越低，毒砂生物氧化速度越快。

表1 实验溶液中As离子和Fe2+质量浓度1)

1) 分析单位：中山大学测试中心；第1、3、7天测试时稀释5倍，其它测试时稀释50倍；最低检测限: As为0.05 mg/L

从第11-23天，各溶液中As离子质量浓度变化趋势比较复杂，这可能与反应一段时间后毒砂氧化释放出的Fe2+以及溶液变化过程见到的次生矿物的沉淀有关。但到反应第30天，初始pH2.00、3.00和3.50的实验溶液中As离子质量浓度分别为847.5, 239.0和57.0 mg/L，三者比例大约为15∶4∶1。即反应30 d后初始pH2.00比初始pH3.50的溶液中As离子质量浓度要高大约15倍。

表2 浸泡实验过程溶液pH值

图1 不同初始pH值含菌不含铁培养基实验溶液As离子质量浓度变化

3.2 Fe2+对毒砂生物氧化作用的影响

图2分别对比了初始pH2.00、3.00和3.50的不含铁和含铁培养基的含菌实验结果，可以明显看出，相同初始pH的含铁培养基比不含铁培养基的实验溶液As离子质量浓度要高得多，实验30 d后，初始pH2.00, 3.00和3.50的含铁培养基溶液中As离子质量浓度(分别为1 564.5, 1 419.0和2 550.5 mg/L)比不含铁培养基溶液中As离子质量浓度(分别为847.5, 239.0和57.0 mg/L)分别高出约2、6和45倍。

参照实验结果中实验过程溶液变化情况，含铁培养基比不含铁培养基实验系列中溶液颜色变化和沉淀情况要复杂，溶液中As离子质量浓度变化未必真正反映毒砂的氧化速率，但结果还是可以说明Fe2+对毒砂生物氧化有明显的促进作用。

3.3 Fe2+对毒砂氧化作用过程溶液pH的影响

从表2可以看出有铁培养基无菌(FeWY2、FeWY3、FeWY3.5)和有铁培养基有菌(FeY2、FeY3、FeY3.5)相同初始pH的溶液，在氧化过程中pH变化类似，并且始终保持pH在4.00以下。

图2 不同初始pH的含铁培养基和不含铁培养基的含菌实验溶液As离子质量浓度变化

图3 不同初始pH的无铁有菌和有铁有菌实验溶液pH值变化

对比无铁培养基有菌(Y2、Y3、Y3.5)和有铁培养基有菌(FeY2、FeY3、FeY3.5)实验结果(图3)，初始pH2.00的溶液在整个实验过程中，始终保持pH<4.0的酸性环境，Fe2+对溶液pH变化影响不大。但初始pH3.00和3.50的溶液，无铁培养基实验溶液第1天后，pH迅速上升到7.0以上，之后有缓慢下降，但保持在较高的pH5.0～8.0之间；而含铁培养基实验溶液中却始终保持pH在4.0以下，结果说明Fe2+对毒砂氧化过程保持低pH溶液起重要作用。

3.4 氧化亚铁硫杆菌对毒砂氧化溶液As离子质量浓度的影响

图4分别表示出了初始pH2.00、3.00和3.50的含铁无菌和含铁含菌实验结果，可见反应的前11 d，含菌与不含菌实验溶液As离子质量浓度和变化趋势基本一致，但第11天后，无菌实验溶液As离子质量浓度变化比较复杂，含菌实验液As离子质量浓度稳步上升，而且30 d后总体上(除了初始pH3.00第30天的数据之外)含菌实验溶液As离子质量浓度比不含菌实验溶液As离子质量浓度要高。但从实验阶段的结果来看，无菌和含菌氧化实验溶液As离子质量浓度差别不是很大，这可能说明Fe2+的加入，改变的溶液的pH值(保持低pH值)，对毒砂氧化起更重要的作用。

图4 不同初始pH的无菌和含菌含铁培养基实验溶液As离子质量浓度变化

4 结 论

在初始pH为2.00、3.00和3.50的酸性条件下，利用A.f对毒砂进行为期30 d的氧化模拟实验，获得如下结论：

1)在pH值为2.00～3.50的极端酸性环境下，低pH可促进毒砂的微生物氧化作用。

2)Fe2+会使毒砂生物氧化过程pH保持在4.0以下进行，促进毒砂氧化，提高释放的As离子质量浓度。

致谢：感谢中山大学地球科学与地质工程学院张恩副教授为本文提供毒砂样品。

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