铁细菌A生物修复铅铜污染土壤

许朝阳,柏庭春,孟　涛,周　锋,吕　惠,庞一山

(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏 扬州　225009)



铁细菌A生物修复铅铜污染土壤

许朝阳,柏庭春,孟涛,周锋,吕惠,庞一山

(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏 扬州225009)

摘要：为改善生物修复重金属污染土壤的方法,利用铁细菌A代谢作用形成的铁基络合物对Pb2+、Cu2+污染土进行生物修复。采用不同灌浆方式研究修复效果;借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FTIR)等方法对铁基络合物的组成和结构进行分析与表征,分析重金属的沉积机理。结果表明:1次生物灌浆后有效态Pb2+、Cu2+含量分别减少64.6%～70.4%和47.6%～49.2%,2次灌浆后分别减少75.1%～85.5%和73.3%～78.9%;微区分析显示,铁基络合物晶形较差,但含有具有优异絮凝效能、较大比表面积的施氏矿物及碱式磷酸铁等物质。铁基络合物通过吸附和共沉作用实现了对污染环境中重金属的固定。

关键词：铁细菌A;重金属污染;Pb2+污染土;Cu2+污染土;生物修复;铁基络合物;吸附作用;共沉作用

土壤重金属污染在世界范围内广泛存在且日趋严重[1],根据《全国土壤污染状况调查公报》,我国土壤总污染物超标率为16.1%,耕地占其中19.4%,主要污染物以无机型为主,铜、铅点位超标率分别为2.1%、1.5%[2],环境质量堪忧,因此治理重金属污染已刻不容缓。

利用传统的物理化学方法处理重金属污染通常存在高能耗、治理规模小且易造成二次污染等缺点,而植物修复技术受环境影响大、生长周期过长和活化重金属能力有限等方面的制约[3]。21世纪以来,微生物修复技术在治理重金属污染方面展示出处理周期短、投资少、效率高、无二次污染等方面的优势。

国内外研究表明,微生物对重金属的修复机理主要有以下2种[4]:(a)生物吸附,微生物通过分泌的多糖、蛋白质或生物多聚体等作为生物吸附剂,将重金属离子富集在细胞内部或表面。Pulsawat等[5]利用胞外聚合物ESP固定Pb2+、Cu2+和Mg2+,得到良好的生物吸附效果。(b)生物转化,包括氧化还原、络合配位等,通过矿化、共价转化、固定等改变重金属的形态，从而降低其生态毒性。利用微生物诱导的碳酸钙矿物修复重金属污染,如铅、铜、锌、铬以及放射性元素锶、钡等已取得明显成效[6-10]。然而微生物修复技术在工业化应用中仍面临着技术要求较高、复合型污染、生态安全等诸多问题,同时修复机理尚未完全探明,仍存在很多问题需要解决。

研究表明,从土壤中分离出的铁细菌A通过自身酶化代谢作用能形成具有较大吸附性和反应活性的铁基络合物[11]。笔者利用铁基络合物吸附、固定污染土壤环境中的Pb2+、Cu2+,使其从有效态转变为稳定态,从而达到修复环境中重金属污染的目的。

1试 验 方 法

1.1　铁细菌A的培养及生长过程监测

铁细菌A培养基每升含有柠檬酸铁铵10 g、硫酸镁0.5 g、硫酸亚铁铵0.5 g、磷酸氢二钾0.5 g、氯化钙0.2 g、硝酸钠0.5 g,pH为6.8～7.0。目标菌株在18～35 ℃环境中发生代谢作用,最终形成具有很大反应活性和吸附性的铁基络合物,具体过程见文献[11]。

图1为30 ℃时利用稀释平板计数法记录的铁细菌A生长曲线,培养3 d后细菌开始大量繁殖,呈几何级数增长,随后经过2 d指数期繁殖后菌株浓度可达1.2×109个/ mL。静置3 d后菌液出现明显分层,铁基络合物逐渐沉积,后期继续提供营养,沉积物数量将持续增加,说明菌株的代谢环境不会因为沉积作用而破坏,该菌的这种生理特点为实现重复灌浆修复重金属污染土壤提供了条件。

1.2　液体沉积试验

为了能清晰观测到铁细菌沉积重金属的过程,便于分析沉积机理,首先进行液体试验。选取300 mL锥形瓶2个,编号为Ⅰ、Ⅱ,Ⅰ号瓶中加入0.024 mol/L Pb(NO3)2溶液50 mL和250 mL培养3 d的菌液,Ⅱ号瓶中加入0.064 mol/L CuSO4溶液50 mL和250 mL培养3 d的菌液。图2为菌液与Pb(NO3)2溶液混合后的变化过程,菌液与CuSO4溶液混合后的变化过程类似。将沉积物过滤、风干,以傅里叶转换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)分析沉积物的物相组成。

图1　铁细菌A生长曲线Fig. 1　Growth curve of iron bacteria A

图2　菌液与Pb(NO3)2溶液混合后的变化过程Fig. 2　Changing process of bacteria solution after mixing with Pb(NO3)2 solution

1.3　Pb2+、Cu2+污染土壤的修复

1.3.1污染土模拟

原土样采自长江中下游常见粉土,其基本理化性质:pH(1∶2.5土水比)为6.3～6.5,阳离子交换量为17.54 cmol/kg,有机质、全氮、Pb2+、Cu2+的质量比分别为10.89 g/kg、0.67 g/kg、2.37 mg/kg、5.89 mg/kg。污染土采用土中均匀掺入重金属溶液制得,土中重金属的含量根据GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[12]三级标准放大约2倍,并考虑菌株对该重金属的耐受性取值。含Pb2+污染土和含Cu2+污染土是采用原土样中分别掺入Pb(NO3)2和CuSO4溶液制备而成,其中Pb2+污染土中有效态Pb2+总质量比为1 003.28 mg/kg,Cu2+污染土中Cu2+总质量比为825.95 mg/kg。

1.3.2污染土的修复

制取Pb2+、 Cu2+污染土若干,平均分为3组,拟采用3种不同方法进行修复:F-1,将250 mL培养3 d的菌液一次性均匀加入到250 g污染土中,30 ℃条件下静置10 d;F-2,方法同F-1,待土样风干后,再次添加250 mL菌液进行二次修复;F-3,将250 mL灭菌后的培养基直接倒入250 g污染土。

将上述3种方法处理下的土样风干,分别称取10 g,再加入20 mL DTPA 提取剂,放入调速多用振荡器中,振荡2 h后过0.45 μm滤膜过滤。利用KIIM6型原子吸收分光光度计,与Pb、Cu的标准曲线对照,检测滤液中Pb2+、Cu2+浓度,分析处理前后污染土壤中有效态Pb2+、Cu2+含量。

2试验结果与分析

2.1　Pb2+、Cu2+污染修复评价

表1为5个批次3种方法处理前后土壤有效态Pb2+、Cu2+含量测定结果。经F-2处理后Pb2+污染土pH最终在7.3～7.7范围内,Cu2+污染土pH最终在6.9～7.4范围内。由表1可以看出,修复前实测的Pb2+、Cu2+有效态含量比理论计算值有所减少,Pb2+、Cu2+分别减少12.84%、9.75%,这与土壤本身可以固定适量重金属有关,在修复评价中以修复前实测值为依据,计算F-1、F-2、F-3对Pb2+、Cu2+的去除效果。

表1　土壤有效态Pb2+和Cu2+测定结果Table 1　Test results of available Pb2+ and Cu2+ in soil

污染土经过1次修复后,有效态Pb2+、Cu2+去除率分别为64.6%～70.4%和47.6%～49.2%,经过2次修复,土中有效态重金属的残留进一步减少,与未处理土壤相比有效态Pb2+减少了75.1%～85.5%、Cu2+减少了73.3%～78.9%,因此实践中可采用多次灌浆来逐步降低污染环境中重金属有效态含量,使其达到环境排放标准。F-3处理效果远不如F-1和F-2,说明重金属有效态含量的减少主要与铁细菌A代谢过程及产物的吸附作用相关。

2.2　机理分析

2.2.1XRD分析

由图3中菌株代谢产物的XRD图可见,代谢产物晶形较差，以无定形物质为主,但在26°和 28°时也出现2个弱峰,说明沉积物中含有部分晶型矿物;与对谱软件标准库中PDF卡进行比对,谱图的出峰位置和碱式磷酸铁(Fe5(PO4)4(OH)3·2H2O)的XRD图中出峰位置一致。碱式磷酸铁具有优异的絮凝效能,可吸附土中的游离阳离子及菌丝等多糖产物,形成团聚结合体下沉。由图3中代谢产物与Pb2+共沉物(代谢产物与Cu2+共沉物与其类似)的XRD图谱可见,菌液与重金属共沉作用的产物晶形较差,均以无定形物质为主。

图3　沉积物的XRD图谱Fig. 3　XRD pattern of sediments

2.2.2FTIR分析

利用FTIR分析菌株代谢物组成,对其结构进行表征。图4为铁基络合物红外光谱图,按照文献[13]对谱图的主要吸收峰进行解读,图4在3 391.9 cm-1处有一个较强、宽的吸收峰,归属于O—H的伸缩振动吸收峰,说明铁基络合物中含大量—OH官能团。由表2可知,铁基络合物大部分的吸收峰位置和特征与施氏矿物具有较高的吻合性[14-15],迄今为止,自然界发现或人工合成的施氏矿物都是无定形或晶形较差,这与XRD分析结果一致。

图4　铁基络合物红外光谱图Fig. 4　FTIR spectrum of iron-based complexes

表2　铁基络合物与标准施氏矿物红外光谱吸收峰对比Table 2　Comparison of infrared spectrum absorbance peaks of iron-based complexes with standard schwertmannitecm-1

2.2.3SEM分析

图5为沉积物的SEM图。由图5(a)可以看出,沉积物呈片状分布,结构较松散,无明显的晶体形貌特征;由图5(b)(c)铁基络合物与重金属离子共沉产物的SEM图片可见,其表观与图5(a)铁基络合物差别较大,大量团聚状态良好且结合紧密的纳米级细小颗粒吸附在片状大颗粒表面,填充了铁基络合物的表面和孔隙,是原铁基络合物和重金属离子团聚结合体。这证实了利用铁细菌A的代谢作用及其产物吸附固定游离态Pb2+、Cu2+的可行性。

图5　沉积物的SEM图Fig. 5　SEM image of sediments

2.2.4重金属修复机理分析

重金属的减少可以用吸附、共沉机制来解释。铁细菌A可通过自身代谢及酶化作用分解营养物质,产生施氏矿物、碱式磷酸铁等物质,其具有优异的絮凝效能及较大的比表面积(100～200 m2/g),使得菌株代谢物具有较强的表面化学活性和生物吸附性,且其含有的羟基、硫酸根等基团对重金属具有很强的吸持能力[15-17]。随着菌株代谢过程的进行,代谢物不断吸附重金属，形成稳定的团聚结合体,但营养物质的消耗及重金属的毒性作用加强,导致菌株逐渐死亡,最终通过共沉作用实现对污染环境中重金属的固定。故重金属离子的减少可以解释为铁细菌代谢物与重金属吸附、共沉共同作用的结果。

3结论

a. 模拟污染土壤修复试验表明，采用铁基灌浆可有效降低土中重金属有效态的含量,2次灌浆修复效果优于1次灌浆,因此可通过增加灌浆次数进一步提高重金属处理效果。

b. XRD、FTIR以及SEM分析结果表明,铁细菌A代谢作用形成的铁基络合物晶形较差,含有优异絮凝效能、比表面积较大的施氏矿物和碱式磷酸铁等物质。

c. 铁基灌浆是通过铁基络合物有效固定土中重金属,并共同沉积为稳定的团聚结合体,使重金属从有效态转变为稳定态。

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Bioremediation of soil contaminated by Pb2+or Cu2+using iron bacteria A

XU Zhaoyang, BAI Tingchun, MENG Tao, ZHOU Feng, LYU Hui, PANG Yishan

(CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)

Abstract:In order to improve the method for bioremediation of soil contaminated by heavy metals, iron-based complexes produced by the metabolism of iron bacteria A were used to remediate soil contaminated by Pb2+or Cu2+. The effects of bioremediation through different grouting methods were investigated. Methods including scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were used to identify the composition and structure of iron-based complexes and to analyze the deposition mechanism of heavy metals. Results showed that the concentrations of available Pb2+and Cu2+in soil decreased by 64.6% to 70.4% and 47.6% to 49.2%, respectively, after one round of bio-grouting, and decreased by 75.1% to 85.5% and 73.3% to 78.9%, respectively, after two rounds of bio-grouting. Microscopy analyses showed that the iron-based complexes, which contained schwertmannite and Ferrum oxydatum phosphate, as well as other substances with excellent flocculation efficiency and large specific surface area, had poor crystalline form, but could fix heavy metals in a contaminated environment through adsorption and co-precipitation.

Key words:iron bacteria A; heavy metal pollution; soil contaminated by Pb2+; soil contaminated by Cu2+; bioremediation; iron-based complexes; adsorption; co-precipitation

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1000-1980(2015)06-0569-005

作者简介：许朝阳(1971—)，女, 江苏扬州人，副教授，博士, 主要从事岩土工程地基处理、数值计算等研究。E-mail：zhaoyangxu@aliyun.com

基金项目：国家自然科学基金 (51278446)

收稿日期：2014-12-12

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2015.06.011