微生物與生物炭復合修復鉻污染土壤的室內試驗研究

夏夢蓮, 樊 杰, 雷學文*, 董 歡, 陳億軍

(1.武漢科技大學城市建設學院，武漢430065；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢430071)

隨著鉻酸鹽生產、電鍍、制革等工業活動的發展[1]，越來越多的鉻廢棄物、鉻渣排入土壤中，鉻在土壤中常見的為三價和六價，三價鉻易被土壤顆粒吸附，不易遷移；六價鉻由于其強氧化性、高溶解性、高流動性、不易被土壤吸附[2-3],被認為是毒性最強的鉻，且被美國環境保護署(EPA)列為A級人類致癌物[4]。因此，需要對六價鉻污染土壤進行處理。

針對重金屬鉻污染土壤，傳統的物理和化學方法已經被廣泛研究和使用，但這些方法也存在局限性，如成本高、產生二次污染、工程量大等[5]。當重金屬Cr(VI)濃度低于300 mg/kg時，物理和化學還原技術變得無效或昂貴[6]。而微生物具有適應重金屬污染土壤的能力，在污染土壤中可以進行長時間的生物生長，生物修復Cr(VI)污染土壤是一種對環境友好，并且不會造成二次污染的修復方法[7]。目前，許多微生物如枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)[8-9]已被分離出來并發現對Cr(VI)污染土壤有良好的修復效果。Xu等[10]研究巴氏芽孢桿菌(Bacilluscereus)在有氧條件下對鉻的分餾，結果表明巴氏芽孢桿菌是一種耐鉻性菌并且對鉻具有還原和吸附作用。

由于直接將微生物加入污染土壤中可能會導致微生物流失或被吞噬，影響修復效果。王婷[8]將微生物枯草芽孢桿菌先附著于生物炭上，再加入重金屬污染土壤中取得了較好的修復效果。生物炭具有較大的比表面積能夠為微生物提供附著載體，其次也為微生物的生長提供碳源和營養源。基于此，在巴氏芽孢桿菌處理過程中輔以添加生物炭，通過設計不同組試驗，對不同試驗組中的Cr(VI)殘余值含量、浸出濃度、鉻形態分布進行相應的測定，來評價巴氏芽孢桿菌、生物炭及兩者復合對鉻污染土修復的可行性，并通過XPS檢測進一步分析巴氏芽孢桿菌與生物炭復合修復效果。

1 材料與方法

1.1 配制Cr(VI) 污染土壤

供試用土為現場取樣，屬于粉質黏土。試驗前將土壤在40 ℃下烘干至恒重，測得試驗土壤的物理性質如表1所示。為制備摻有Cr(VI)的土壤樣品，通過添加K2Cr2O7溶液得到Cr(VI)污染土壤，直至混合物風干至恒重，粉碎全部過2 mm篩，得到土壤中Cr(VI)濃度為270 mg/kg，浸出濃度為90 mg/L。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested siol

1.2 供試菌株及培養基

采用一種耐鉻性菌巴氏芽孢桿菌作為修復劑，為保證菌的活性與生長，為此需要配置細菌生長所需的液體培養基：胰蛋白胨15 g，蛋白胨5 g，氯化鈉5 g,尿素20 g，去離子水1 L,調節pH至7.3。然后將活化好的菌種接種于此液體培養基，在30 ℃，130 r/min 振蕩培養箱內進行擴大培養24～36 h得到菌液，菌液濃度用OD600表示，試驗所用的菌液濃度OD600為0.6和1.0。

1.3 供試生物炭

該試驗采用熱解溫度500 ℃的玉米秸稈生物炭，測得生物炭理化性質如表2所示，生物炭灰分含量測定參照《木質活性炭灰分含量的測定》(GB/T 12496.3—1999)；采用綜合吸附儀測定生物炭比表面積；采用元素分析儀測定生物炭的基本理化性質。

表2 生物炭理化性質Table 2 Physical-chemical properties of biochar

1.4 試驗方法

在Cr(VI)含量為270 mg/kg-1的鉻污染土中添加不同量的巴氏芽孢桿菌和生物炭進行培養實驗，土水比為1:1，巴氏芽孢桿菌和生物炭與土壤充分混勻，然后置于塑料碗中在30 ℃下培養，并保持田間持水量的70%，分別在第1、5、10、15、20 d時進行取樣測定修復后土壤浸出濃度、土壤中Cr(VI)含量、土壤pH、修復20 d后土壤重金屬Cr的形態分布。試驗設空白對照CK，所有試驗設三組平行試樣，取其平均值，具體試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Table 3 Test scheme

1.5 分析方法

土壤pH按照文獻[11]測定，浸出濃度和 Cr(VI)殘留值試驗均按照美國EPA的測定方法[12-13]，鉻形態提取試驗采用改進(BCR)四步連續提取法(BCR)，將重金屬鉻劃為4種不同形態，即弱酸態、可還原態、可氧化態、殘渣態，具體試驗步驟見文獻[14]，并通過X射線光電子能譜分析(XPS)試驗進一步分析驗證其修復效果。

2 結果與討論

2.1 修復前后土壤 pH的變化

圖1 添加劑隨養護時間對土壤pH的影響Fig.1 Effect of additives on soil pH with curing time

2.2 添加劑對Cr(VI)浸出濃度的影響

不同添加劑對Cr(VI)浸出濃度的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，未經處理的土，Cr(VI)浸出濃度為90 mg/L ，而經不同添加劑處理下Cr(VI)的浸出濃度隨著養護時間的增加均降低。由圖2(a)可知，添加菌液濃度OD600為1.0，培養至5 d時，Cr(VI)浸出濃度降低為12.54 mg/L，后隨著養護時間緩慢降低趨于穩定，在培養至20 d時達到最低值為8.42 mg/L，這是因為巴氏芽孢桿菌具有還原和吸附Cr(VI)的能力，降低了Cr(VI)的浸出濃度，這與Xu等[10]的研究結果一致；由圖2(b)可知，添加生物炭濃度為40 g/kg時，Cr(VI)浸出濃度隨著培養時間的增加逐漸降低，培養至20 d時，降低為22.46 mg/L，這是因為該生物炭高的灰分含量和比表面積具有吸附鉻的能力；由圖2(c)可知，當菌液濃度OD600為1.0和生物炭濃度為40 g/kg復合時，Cr(VI)浸出濃度降低至1.08 mg/L，修復效果最好，這可能是因為生物炭和巴氏芽孢桿菌修復鉻污染土壤具有協同作用；同時，由圖2可知，提高添加劑濃度Cr(VI)浸出濃度降低效果越好。

圖2 添加劑隨養護時間對浸出濃度的影響Fig.2 Effects of additives on leaching concentration with curing time

2.3 添加劑對土壤中Cr(VI)含量的影響

不同添加劑對土壤中Cr(VI)含量的影響如圖3 所示。從圖3可以發現，在整個培養過程中，原污染土壤中Cr(VI)含量為270 mg/kg,而經不同添加劑處理后土壤中Cr(VI)含量均降低。由圖3(a)可知，添加菌液后，在培養前期土壤中Cr(VI)含量降低明顯，后期隨著培養時間土壤中Cr(VI)含量緩慢降低至穩定。當菌液濃度OD600為1.0，經 20 d 修復后，土壤中Cr(VI)含量從270 mg/kg 下降為19.67 mg/kg，降低幅度為對照組的92.71%；由圖3(b)可知,添加生物炭后，土壤中Cr(VI)含量隨著培養時間的增加逐漸降低，當生物炭濃度為 40 g/kg時，土壤中Cr(VI)含量從270 mg/kg降低為 79.68 mg/kg，降低為對照組的70.49%；由圖3(c)可知，同時添加巴氏芽孢桿菌和生物炭時，其菌液濃度和生物炭濃度越高情況下土壤中Cr(VI)含量降低越顯著，當菌液濃度OD600為1.0和生物炭濃度為40 g/kg時，土壤中Cr(VI)含量從270 mg/kg降低至5.14 mg/kg，降低為對照組的98.09%。由此可以得出，巴氏芽孢桿菌與生物炭復合效果優于巴氏芽孢桿菌和生物炭，巴氏芽孢桿菌效果優于生物炭。在整個培養過程中，提高菌液和生物炭的濃度同樣有利于降低土壤中Cr(VI)含量。

圖3 添加劑隨養護時間對土壤中Cr(VI)含量的影響Fig.3 Effect of additives on Cr (VI) content in soil with curing time

2.4 修復前后鉻的形態分布

添加菌液濃度OD600為1.0(T6)、生物炭濃度為40 g/kg(T2)及兩者復合處理(T8)修復20 d后對鉻形態分布的影響如圖4所示。從圖4可以發現，對照組土壤弱酸態鉻所占比例最高，高達66.03%，經3種添加劑處理后土壤弱酸態鉻均下降明顯，并促使向殘渣態和可還原態轉化，而可氧化態還鉻無明顯變化，這可能是因為在整個過程中反應體系土壤pH迅速升高，降低了Cr的溶解度，促使Cr形成氫氧化物、碳酸鹽的形式沉淀下來；而兩者復合修復后弱酸態鉻最低，這可能是因為向含鹽含量的培養基中添加生物炭后，芽孢桿菌繁殖率增加，生物炭吸附了培養基中的鹽分，使其有利于芽孢桿菌的生長[16]。

圖4 修復后土壤中鉻的形態分布Fig.4 Distribution of Chromium in soil after remediation

2.5 XPS檢測分析

圖5 復合修復前后Cr(VI)污染土壤的XPS圖Fig.5 XPS diagram of Cr(VI) contaminated soil before and after composite repair

3 結論

(1)相較于對照組，經巴氏芽孢桿菌、生物炭及巴氏芽孢桿菌與生物炭復合三種不同處理后，Cr(VI)浸出濃度和土壤中Cr(VI)含量均顯著降低，其中，菌液濃度1.0、生物炭40 g/kg復合時，土壤中的浸出濃度和土壤中Cr(VI)含量最低，浸出濃度和土壤中Cr(VI)含量分別降低至1.08 mg/L、5.14 mg/kg。因此，不同處理對修復鉻污染土的效果為巴氏芽孢桿菌與生物炭復合優于巴氏芽孢桿菌和生物炭，巴氏芽孢桿菌優于生物炭。

(2)菌液濃度OD600為1.0、生物炭濃度為40 g/kg及兩者復合處理20 d后，可促使鉻從弱酸態向可還原態和殘渣態轉化，而對可氧化態的鉻影響不大，其中巴氏芽孢桿菌與生物炭復合修復后弱酸態鉻降低幅度最大。

(3)由XPS檢測分析可得，巴氏芽孢桿菌與生物炭復合修復污染土壤為混合還原和吸附的過程。