异化铁还原菌还原分解含As(Ⅴ)水铁矿：矿物生成动力学的制约

1、异化铁还原菌还原分解含 As ( V)水铁矿：矿物生成 动力学的制约1 引言自然界的水体中砷主要是以砷酸盐( As5+)和亚砷酸盐(As3+)的形式存在的。不同价态的砷的毒性差别甚大，如三价 砷的毒性比五价砷的毒性大将近60倍13。砷早已被证明是致癌物质， 导致皮肤癌和内部器官癌， 急性的砷中毒则会导致中 枢神经出现问题、 消化道和呼吸道病变， 甚至直接导致中毒死亡； 慢性砷中毒也会引起神经系统发生紊乱、食欲减退、全身乏力、 恶心及皮肤病变等 47。由于砷中毒情况日益严重，所以早在 1993年，世界卫生组 织( WH)O 修订饮用水水质标准，将地下水砷的最大允许浓度从 50卩g/ L降到10卩

2、g/ L，中国在生活饮水国家卫生标准二 次供水设施卫生规范(B17051-1997)中规定，饮用水中砷含 量必须小于10卩g/ L8。水铁矿(Fe5HO8?4H2)是一种弱结晶的铁氢氧化物，颗粒 尺寸小，通常为26 nm。水铁矿具有极大的比表面积和高表面 活性，可以通过吸附和共沉淀与地表水中的污染物质相互作用， 故可利用合成水铁矿来去除废水中的污染物质， 如砷。研究表明， 水铁矿对As ( V)的去除率可以达到 99.5%9。生物还原分解水铁矿是一种重要 As 释放机制。水铁矿还原分解 除受到微生物种类、环境条件影响之外也受到自身特征的制约， 而其矿物学特征往往受其生成动力学的影响1014。本

3、研究的目的为通过控制水铁矿生成速率，合成不同粒径、 结晶度的含As水铁矿，探讨水铁矿在 DIRB作用下还原分解和 As释放的特征，进而阐明水铁矿生成动力学对其微生物还原分 解的制约。2 材料与方法2.1 含砷水铁矿的制备含砷水铁矿的制备：在25C恒定温度下使用电位滴定仪将 氢氧化钠(2.5mol/L )加入到硝酸铁和As (V)的混合溶液(初 始pH=1.5)中并且不断对溶液进行搅拌来进行水铁矿和As (V)的共淀实验。实验中所使用的铁标准贮备液含有 0.5mol/L 的硝 酸铁和0.5mol/L的硝酸，不同实验中的硝酸铁-As (V)混合溶 液的初始体积均为100mL,其中含有20mL的硝酸

4、铁标准贮备液， 硝酸铁的浓度均为0.1mol/L ,调节As (V)的添加量使得混合 溶液中的 As/Fe 比率分为 0、0.001 、0.01 和 0.1 四个不同的水 平，剩余体积用去离子水补足。控制滴定终点为pH=7.0，通过调节滴定速率来制备不同时间梯度(Oh、3h、5h、8h、10h)的 水铁矿-As (V)共沉淀样品。将滴定之后所得的混合溶液静置 2h以达到吸附平衡，之后使用离心机(LXJ- H)在3000r/min 下离心10min,使用双道原子荧光光度计(AFS-820)测量上清液中的As (V)浓度。用去离子水将所得固体清洗35遍以洗尽其中的盐，之后将样品置于冷冻干燥机中进行

5、干燥，使用 XRD(D/Max-RB分析样品。所得的水铁矿-As (V)固体粉末在冰 箱冷冻室中冷冻保存 15 17 。如图1和图2所示是As/Fe=O时的水铁矿样品的 XRDffl谱， 从图中可以看到该样品无明显衍射峰， 说明其结晶程度低， 这与 Schwert-mann 和 Cornell 所认为的水铁矿为结晶程度低的无定 形氧化物相符 18 。2.2 DIRB 还原分解水铁矿实验DIRB的活化：称取 NaCI 1g、MgCI2 0.02g、CaCI2 0.02g、KCl 0.6g 、 KH2PO4 0.2g、 NH4Cl 0.25g、 NaNO3 0.4g、 CH3COONa 0.4g置

6、于500L锥形瓶中，加入200mL去离子水制成 DIRB的培 养基。待完全溶解之后用纱布、 锡箔纸和牛皮纸封住瓶口置于消 毒箱中在120C下消毒30min19。之后将锥形瓶置于无菌操作 台下用紫外线杀菌20min，待溶液冷却至室温时，移除图 1 As/Fe=0 时不同反应时间得到的水铁矿 -砷(五价)样 品的XRD图像图2制备时间=10h时不同As/Fe比率的样品的XRD图像20mL再加入20mL DIRB菌液置于35.5 C恒温培养箱中培养35d,带溶液中出现浑浊现象时进行扩培实验。DIRB的扩培：称取 NaCI 2.5g、MgCl2 0.05g、CaCl2 0.05g、KCI 1.5g、

7、KH2PO40.5g 、 NH4CI0.625g、 NaNO31g、 CH3COON1ag置于500L锥形瓶中，加入500mL去离子水待完全溶解之后用纱 布、锡箔纸和牛皮纸封住瓶口置于消毒箱中在120C下消毒30mi n。之后将锥形瓶置于无菌操作台下用紫外线杀菌20min,待溶液冷却至室温时，移除 50mL再加入50mL DIRB活化实验所 得的菌液置于35.5 C恒温培养箱中培养35d,带溶液中出现浑 浊现象时进行接种。取前述实验所得的不同 As/Fe 比率和不同时间梯度的水铁矿-As (V)样品(As/Fe=O、0.001、0.01、0.1 ;时间为 Oh、 5h、10h)各1g置于250

8、mL盐水瓶中。取12个250mL盐水瓶， 用去离子水洗净烘干待用，配置2000mL DIRB培养基，往12个盐水瓶中各加入180mL培养基，再各加入20mL扩培得到DIRB菌 液，封住瓶口置于35.5 C恒温培养箱中培养。每隔一定时间取 其中2mL溶液离心后1mL测砷含量、1mL测铁含量，待实验结束 后取底部水铁矿-As (V)样品测量其 XRD TEM和SEM以探究 其物象变化情况 20 。3 结果与讨论图35所示是制备时间为 0h、5h和10h下不同As/Fe比率 的样品在DIRB作用下Fe和As的释放曲线。从图中可以看到在 相同的制备时间下 As/Fe=0.1的样品的As释放量远远高于

9、As/Fe=0.01和0.001的样品，这是因为其初始 As含量就远远高 于其他两个样品， 并且随着时间的推移， 释放量呈逐渐上升趋势。 As/Fe=0.01 和 0.001 的样品的变化趋势不明显，这可能与其本 身含有的As的含量很有限有关；在相同的制备时间下 As/Fe=0.1的样品的 Fe 的释放量也低于其他 As/Fe 比率的样品，这是因为 As 的存在阻碍了 Fe 的释放；在相同的 As/Fe 比率的条件下，制 备时间越短， 释放量越多， 这是由于水铁矿的结晶程度与反应的 时间有着密切的关系。时间越短，水铁矿生长的时间就越短，其 结晶程度就越低， As 与水铁矿的结合程度就越弱；相反

10、，时间 越长，水铁矿的生长时间就越长，其结晶程度就越高，As 和水铁矿的结合程度就越高。因此，制备时间越短， As 的释放量越 多；制备时间越长，As的释放量越少。As的含量对Fe的释放有 影响，As含量越少，Fe的释放量越多；As含量越高，Fe的释放 量越少。这也与相关文献中关于 As的含量对Fe释放的影响相一 致。时间为Oh的样品的释放量明显高于制备时间为 5h和10h的 样品，当反应进行到14d的时候，制备时间Oh的样品的Fe含量 达到28mg/L，同样地，As的释放也表现出相同的状况。这是因 为制备时间越长，水铁矿的结晶度就越高，其Fe的释放就越难进行， As 的释放也随之难以进行；相反，制备时间越短，水铁 矿的结晶程度就越低，其 Fe和As的释放就越易进行。4 结论本实验结果表明：（1）DIRB能够有效溶解水铁矿，当水铁矿表面的吸附