異化鐵還原菌還原分解含As（Ⅴ）水鐵礦：礦物生成動力學的制約

殷矯軍++汪華明++張鑫++張勛

摘要：指出了砷早已被證明是一種劇毒的致癌物質，砷中毒情況日益嚴重，三價砷的毒性比五價砷的毒性大將近60倍。水鐵礦是一種弱結晶的鐵氫氧化物，具有極大的比表面積和高表面活性，可以通過吸附和共沉淀與地表水中的污染物質相互作用，故可利用合成水鐵礦來去除廢水中的污染物質。以人工合成的水鐵礦-砷（Ⅴ）為實驗對象，研究了樣品在DIRB作用下Fe和As的釋放情況，并探究其其物象轉移，以期為含砷廢水處理提供參考。結果表明： DIRB能夠有效溶解水鐵礦，并且As含量越多，樣品制備時間越長越不利于Fe和As的釋放。

關鍵詞：水鐵礦；砷礦物生成動力學；異化鐵還原菌；還原分解

中圖分類號： X142

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06023804

1 引言

自然界的水體中砷主要是以砷酸鹽（As5+）和亞砷酸鹽（As3+）的形式存在的。不同價態的砷的毒性差別甚大，如三價砷的毒性比五價砷的毒性大將近60倍[1～3]。砷早已被證明是致癌物質，導致皮膚癌和內部器官癌，急性的砷中毒則會導致中樞神經出現問題、消化道和呼吸道病變，甚至直接導致中毒死亡；慢性砷中毒也會引起神經系統發生紊亂、食欲減退、全身乏力、惡心及皮膚病變等[4～7]。

由于砷中毒情況日益嚴重，所以早在1993年，世界衛生組織（WHO）修訂飲用水水質標準，將地下水砷的最大允許濃度從50 μg/ L降到10 μg/ L，中國在生活飲水國家衛生標準《二次供水設施衛生規范》（B17051-1997）中規定，飲用水中砷含量必須小于10 μg/ L[8]。

水鐵礦（Fe5HO8·4H2O）是一種弱結晶的鐵氫氧化物，顆粒尺寸小，通常為2～6 nm。水鐵礦具有極大的比表面積和高表面活性，可以通過吸附和共沉淀與地表水中的污染物質相互作用，故可利用合成水鐵礦來去除廢水中的污染物質，如砷。研究表明，水鐵礦對As（Ⅴ）的去除率可以達到99.5%[9]。

水鐵礦不穩定，易于轉化和分解并伴隨As的釋放，其中微生物還原分解水鐵礦是一種重要As釋放機制。水鐵礦還原分解除受到微生物種類、環境條件影響之外也受到自身特征的制約，而其礦物學特征往往受其生成動力學的影響[10～14]。

本研究的目的為通過控制水鐵礦生成速率，合成不同粒徑、結晶度的含As水鐵礦，探討水鐵礦在DIRB作用下還原分解和As釋放的特征，進而闡明水鐵礦生成動力學對其微生物還原分解的制約。

2 材料與方法

2.1 含砷水鐵礦的制備

含砷水鐵礦的制備：在25℃恒定溫度下使用電位滴定儀將氫氧化鈉（2.5mol/L）加入到硝酸鐵和As（Ⅴ）的混合溶液（初始pH=1.5）中并且不斷對溶液進行攪拌來進行水鐵礦和As（Ⅴ）的共淀實驗。實驗中所使用的鐵標準貯備液含有0.5mol/L的硝酸鐵和0.5mol/L的硝酸，不同實驗中的硝酸鐵-As（Ⅴ）混合溶液的初始體積均為100mL，其中含有20mL的硝酸鐵標準貯備液，硝酸鐵的濃度均為0.1mol/L，調節As（Ⅴ）的添加量使得混合溶液中的As/Fe比率分為0、0.001、0.01和0.1四個不同的水平，剩余體積用去離子水補足。控制滴定終點為pH=7.0，通過調節滴定速率來制備不同時間梯度（0h、3h、5h、8h、10h）的水鐵礦- As（Ⅴ）共沉淀樣品。將滴定之后所得的混合溶液靜置2h以達到吸附平衡，之后使用離心機（LXJ-Ⅱ）在3000r/min下離心10min，使用雙道原子熒光光度計（AFS-820）測量上清液中的As（Ⅴ）濃度。用去離子水將所得固體清洗3～5遍以洗盡其中的鹽，之后將樣品置于冷凍干燥機中進行干燥，使用XRD（D/Max-RB）分析樣品。所得的水鐵礦-As（Ⅴ）固體粉末在冰箱冷凍室中冷凍保存[15～17]。

如圖1和圖2所示是As/Fe=0時的水鐵礦樣品的XRD圖譜，從圖中可以看到該樣品無明顯衍射峰，說明其結晶程度低，這與Schwert-mann 和Cornell 所認為的水鐵礦為結晶程度低的無定形氧化物相符[18]。

2.2 DIRB還原分解水鐵礦實驗

DIRB的活化：稱取NaCl 1g、MgCl2 0.02g、CaCl2 0.02g、KCl 0.6g、KH2PO4 0.2g、NH4Cl 0.25g、NaNO3 0.4g、CH3COONa 0.4g置于500L錐形瓶中，加入200mL去離子水制成DIRB的培養基。待完全溶解之后用紗布、錫箔紙和牛皮紙封住瓶口置于消毒箱中在120℃下消毒30min[19]。之后將錐形瓶置于無菌操作臺下用紫外線殺菌20min，待溶液冷卻至室溫時，移除

圖1 As/Fe=0時不同反應時間得到的水鐵礦-砷（五價）樣品的XRD圖像

圖2 制備時間=10h時不同As/Fe比率的樣品的XRD圖像

20mL 再加入20mL DIRB菌液置于35.5℃恒溫培養箱中培養3～5d，帶溶液中出現渾濁現象時進行擴培實驗。

DIRB的擴培：稱取NaCl 2.5g、MgCl2 0.05g、CaCl2 0.05g、KCl 1.5g、KH2PO4 0.5g、NH4Cl 0.625g、NaNO3 1g、CH3COONa 1g置于500L錐形瓶中，加入500mL去離子水待完全溶解之后用紗布、錫箔紙和牛皮紙封住瓶口置于消毒箱中在120℃下消毒30min。之后將錐形瓶置于無菌操作臺下用紫外線殺菌20min，待溶液冷卻至室溫時，移除50mL 再加入50mL DIRB活化實驗所得的菌液置于35.5℃恒溫培養箱中培養3～5d，帶溶液中出現渾濁現象時進行接種。

取前述實驗所得的不同As/Fe比率和不同時間梯度的水鐵礦- As（Ⅴ）樣品（As/Fe=0、0.001、0.01、0.1；時間為0h、5h、10h）各1g置于250mL鹽水瓶中。取12個250mL鹽水瓶，用去離子水洗凈烘干待用，配置2000mL DIRB培養基，往12個鹽水瓶中各加入180mL培養基，再各加入20mL擴培得到DIRB菌液，封住瓶口置于35.5℃恒溫培養箱中培養。每隔一定時間取其中2mL溶液離心后1mL測砷含量、1mL測鐵含量，待實驗結束后取底部水鐵礦- As（Ⅴ）樣品測量其XRD、TEM和SEM以探究其物象變化情況[20]。

3 結果與討論

圖3～5所示是制備時間為0h、5h和10h下不同As/Fe比率的樣品在DIRB作用下Fe和As的釋放曲線。從圖中可以看到在相同的制備時間下As/Fe=0.1的樣品的As釋放量遠遠高于As/Fe=0.01和0.001的樣品，這是因為其初始As含量就遠遠高于其他兩個樣品，并且隨著時間的推移，釋放量呈逐漸上升趨勢。As/Fe=0.01和0.001的樣品的變化趨勢不明顯，這可能與其本身含有的As的含量很有限有關；在相同的制備時間下As/Fe=0.1的樣品的Fe的釋放量也低于其他As/Fe比率的樣品，這是因為As的存在阻礙了Fe的釋放；在相同的As/Fe比率的條件下，制備時間越短，釋放量越多，這是由于水鐵礦的結晶程度與反應的時間有著密切的關系。時間越短，水鐵礦生長的時間就越短，其結晶程度就越低，As與水鐵礦的結合程度就越弱；相反，時間越長，水鐵礦的生長時間就越長，其結晶程度就越高，As和水鐵礦的結合程度就越高。因此，制備時間越短，As的釋放量越多；制備時間越長，As的釋放量越少。As的含量對Fe的釋放有影響，As含量越少，Fe的釋放量越多；As含量越高，Fe的釋放量越少。這也與相關文獻中關于As的含量對Fe釋放的影響相一致。

時間為0h的樣品的釋放量明顯高于制備時間為5h和10h的樣品，當反應進行到14d的時候，制備時間0h的樣品的Fe含量達到28mg/L，同樣地，As的釋放也表現出相同的狀況。這是因為制備時間越長，水鐵礦的結晶度就越高，其Fe的釋放就越難進行，As的釋放也隨之難以進行；相反，制備時間越短，水鐵礦的結晶程度就越低，其Fe和As的釋放就越易進行。

4 結論

本實驗結果表明：

（1）DIRB能夠有效溶解水鐵礦，當水鐵礦表面的吸附節點不足以固持As時，As就會釋放進入溶液中；

（2）制備時間對水鐵礦的結晶程度影響很大，時間越長水鐵礦的結晶度越高，越不利于DIRB溶解水鐵礦；

（3）As含量對水鐵礦的影響很大，As含量越高，越不利于水鐵礦的結晶越不利于DIRB溶解水鐵礦；

（4）在DIRB作用下水鐵礦會向結晶度更高的產物轉化，如磁鐵礦。

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