Citrobacter sp. strain YS1抑制煤矸石产酸及重金属释放的研究*

张 允 冯启言# 陈 迪 王晓青 王彦君

(1.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221116;2.矿山生态修复教育部工程研究中心,江苏 徐州 221116;3.江苏地质矿产设计研究院,江苏 徐州 221006)

1 材料与方法

1.1 实验仪器

电子天平、恒温培养箱、氧化还原电位测试仪、便携式pH计、可见分光光度计、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)结合X射线能量色散谱仪(EDS)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)等。

1.2 实验材料

实验菌种为前期从某长期受煤矸石酸性废水污染的底泥中分离筛选的YS1。研究表明,YS1呈杆状,周生鞭毛,长2.0～2.2 μm,宽0.5～0.6 μm;YS1的生长周期大致分为4个阶段,迟缓期(0～28 h)、对数期(28～68 h)、稳定期(69～76 h)及衰亡期(76 h后)。此外,YS1为兼性厌氧菌,可以在20～40 ℃下生存,最适生长温度为35 ℃;生存pH为6～9,最适pH为7～8[4]。

培养基采用改良的Postgate培养基,成分为KH2PO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、Na2SO43.0 g/L、MgSO4·7H2O 0.06 g/L、酵母浸粉1 g/L、CaCl20.06 g/L、FeSO4·7H2O 0.5 g/L、乳酸钠6 mL/L和柠檬酸钠0.3 g/L,培养基pH为6.5。

煤矸石样品取自山西省太原某矿区,将采集到的煤矸石样品风干破碎,过200目筛后紫外灭菌处理,备用。

1.3 实验方法

1.4 测试方法

2 结果与讨论

2.1 反应体系pH和ORP变化特征

图1 不同反应体系pH及ORP的变化 Fig.1 Variation of pH and ORP in different reaction systems

上述实验结果表明,只接种YS1在一定程度上可以减缓煤矸石氧化产酸,碳源的加入可有效提升反应体系pH,降低ORP,抑制煤矸石的氧化产酸。

2.2 菌株YS1对释放的影响

图2 不同反应体系中质量浓度变化Fig.2 Variation of mass concentration in different reaction systems

2.3 菌株YS1对煤矸石中重金属释放的抑制效应

实验前后不同反应体系煤矸石中重金属含量的变化如表1所示。实验结束后,3个反应体系煤矸石中的重金属含量均低于原煤矸石,表明在浸出过程中煤矸石中的重金属元素均存在一定程度的溶解和释放。SM组、SMR组煤矸石中各重金属含量均高于CK组,表明菌株YS1能够有效减缓煤矸石中各重金属元素的释放和溶出。

表1 实验前后各反应体系煤矸石中重金属质量浓度变化Table 1 Changes of heavy metals mass concentration in coal gangue of different reaction systems before and after experiment

图3 煤矸石浸出液中重金属质量浓度变化Fig.3 Variation of heavy metals mass concentration in coal gangue leachate

2.4 菌株YS1作用机制分析

2.4.1 XRD分析

将实验前后的煤矸石样本冷冻干燥后进行XRD物相分析,结果见图4。煤矸石主要由石英及钙长石组成,同时含有少量的高岭土、黄铁矿及白云母。实验过程中,CK组煤矸石中的黄铁矿被逐渐氧化,黄铁矿衍射峰明显降低。与原煤矸石及CK组煤矸石相比,SM组及SMR组煤矸石的石英衍射峰有所减弱,SMR组煤矸石白云母衍射峰消失,可能是因为菌株YS1利用煤矸石表面的矿物质作为生长所需的能源,从而改变了煤矸石的部分组成[8]。同时,SM组和SMR组煤矸石出现了新的衍射峰,通过Jade 6分析与标准卡片对比,该衍射峰为四方硫铁矿(FeS),可能是菌株YS1代谢产生的S2-与煤矸石所溶出的Fe2+反应产生的硫化物沉淀附着在了煤矸石表面[9]。

图4 实验前后煤矸石的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of coal gangue before and after experiment

2.4.2 SEM及EDS能谱分析

图5 实验前后煤矸石的SEM图Fig.5 SEM images of coal gangue before and after experiment

2.4.3 FTIR分析

将实验前后的煤矸石样本进行FTIR分析,结果见图6。原煤矸石样品的特征峰主要出现在3个波段,分别为500～800、800～1 200、3 600～3 700 cm-1。500～800 cm-1的红外区域主要对应O-H的拉伸振动峰[11];800～1 200 cm-1主要对应C-O、C-H、C-O-C及C-O-P的伸缩振动峰,这些伸缩振动峰主要涉及到微生物细胞膜或者细胞壁表面的多糖、磷脂、多肽等[12]。3 600～3 700 cm-1的宽谱带为氨基的N-H拉伸振动峰及羟基的O-H拉伸振动峰[13]。根据FTIR分析结果,SM组及SMR组煤矸石在各波段的峰值强度与CK组相比均出现了减弱,可能是微生物表面多糖、蛋白以及脂质中的羟基、氨基等基团均参与了对煤矸石及其浸出液中重金属离子的络合作用导致。

图6 实验前后煤矸石的FTIR图谱Fig.6 FTIR spectra of coal gangue before and after experiment

3 结 论

(2) 菌株YS1能够有效减缓煤矸石中重金属的释放,降低反应体系浸出液中重金属的浓度。实验结束时,SM组浸出液Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Fe浓度相比CK组分别降低了30.91%、42.12%、51.50%、56.25%、45.45%及34.02%;SMR组浸出液Zn、Cu、Cd浓度低于仪器检出限,Mn、Ni、Fe浓度相比CK组分别降低99.78%、98.75%及99.95%。