一株純菌株去除重金屬離子Zn2+的動力學研究

王國剛

(安徽中鐵四局設(shè)計研究院，安徽合肥 230023)

1 背景

目前，酸性礦山廢水的污染是一個世界性的問題，微生物轉(zhuǎn)化法處理AMD在歐美發(fā)達國家倍受關(guān)注，即利用自然界廣泛存在的硫酸鹽還原菌將硫酸根還原為硫化物或單質(zhì)硫并生成金屬硫化物最終固定重金屬離子。人們利用硫酸鹽還原菌具有存在廣泛性、生長能力強、可利用基質(zhì)多等優(yōu)點，治理酸性礦山廢水、重金屬廢水、硫酸鹽廢水及一些難降解的有機廢水。國內(nèi)外一直以來關(guān)注和研究硫酸鹽還原菌的用途。經(jīng)過多方面研究表明，使用以硫酸鹽還原菌為主體微生物的生物法處理廢水具有低成本、安全性、效果理想等優(yōu)點。

Cabrera等人[1]經(jīng)過一系列實驗對兩株 SRB(Desulfovibrio vulgaris，Desulfovibrio sp)進行不同重金屬離子(Cr3+，Cu2+，Mn2+，Ni2+，Zn2+)毒害性影響評價，得出兩株菌株能耐受重金屬離子的最大濃度及其還原率。Desulfovibrio.vulgaris:24.7% －15 mg/L Cr3+，45% －4 mg/L Cu2+，60% －10 mg/L Mn2+，96% －8.5 mg/L Ni2+，9% － 20 mg/L Zn2+;Desulfovibrio sp:25.5% － 15 mg/L Cr3+，71% － 4 mg/L Cu2+，66.2% － 10 mg/L Mn2+，96.1%－8.5 mg/L Ni2+，93% －20 mg/L Zn2+。

在國內(nèi)，易正戟等[2]首次采用天然SRB菌群模擬原位微生物治理地浸采U后殘余的U(Ⅵ)，SO2－4，H+和重金屬離子對地下水造成的污染。結(jié)果顯示，重金屬元素Cu，Pb，Zn和Ni與H2S形成難溶的金屬硫化物并沉淀到底部，去除率均達到98.5%，并且體系中pH值提高了2～3，U(Ⅵ)以難溶的晶質(zhì)鈾礦形式沉淀下來，去除率達97.6%以上。

Jong，Parry[3]在上向流厭氧填充床反應(yīng)器中接種 SRB混合菌，以甲醇作為碳源，進入反應(yīng)器的污水pH=4.5，經(jīng)SRB代謝使出水 pH=7.0，并且污水中 Cu，Zn，Ni的去除率為 97.5%，As 和Fe的去除率分別為77.5%和82%。

這些結(jié)果顯示，純株或混合SRB不僅在處理硫酸鹽酸性廢水中能取得良好效果，而且在不同碳源下去除廢水中重金屬方面也能獲得成果。硫酸鹽還原菌處理重金屬種類比較多，但對各自的耐受程度不同，可廣泛地應(yīng)用到不同類型的礦山進行原位修復。同時也促進了環(huán)境中硫元素的循環(huán)。目前，國內(nèi)外學者對硫酸鹽還原菌仍進行著深入的研究。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗儀器

實驗中使用的儀器:雷磁PHS-3E型pH計、722型分光光度計、FA21045N電子天平、ULTRAMETERⅡ、4-2低速離心機、RM-200型艾科浦有機型超純水機、LRH-150F型生化培養(yǎng)箱、ZHJH-1112C型超凈工作臺、島津A-6300型原子吸收分光光度計、日本D/MAX2500VL/PC型X射線衍射儀。

2.2 菌源

從污水廠厭氧池污泥中分離、純化出一株脫硫弧菌(Desulfovibrio sp)作為此實驗的菌源。

2.3 測試項目和方法

1)pH的測定:反應(yīng)體系的pH值用DEL-32型酸度計對反應(yīng)體系上部液體進行測定。2)ORP的測定:反應(yīng)體系的ORP值用ULTRAMETERⅡ?qū)Ψ磻?yīng)體系上部液體進行測定。3)硫酸根離子的測定[4]:反應(yīng)體系SO2－4濃度的測定根據(jù)《水和廢水監(jiān)測》中鉻酸鋇光度法進行測定。4)COD的測定[4]:反應(yīng)體系COD測試按照《水和廢水監(jiān)測》中K2Cr2O7法進行測定。5)鐵離子濃度的測定[4]:反應(yīng)體系中鐵離子濃度的測定根據(jù)《水和廢水監(jiān)測》中鄰菲啰啉分光光度法進行測定。6)Zn2+的測定方法[4]:反應(yīng)體系中鋅離子濃度的測定根據(jù)《水和廢水監(jiān)測》中直接吸入火焰原子吸收法測定。7)固體底物XRD表征樣品的制備。將反應(yīng)底物吸置5 mL離心管中，在5 000 r/min轉(zhuǎn)速下進行2 min離心后倒去上清液，立刻用無水乙醇加滿，防止樣品直接暴露空氣中發(fā)生氧化，在同樣的轉(zhuǎn)速條件下進行離心后倒去上清液后，重復數(shù)次，盡可能地洗去樣品中的有機雜質(zhì)，避免有機物對衍射峰的影響。最后，用無水乙醇封存樣品，進行XRD表征。

2.4 實驗設(shè)計

1)液體培養(yǎng)基:K2HPO40.5 g;NH4Cl 1.0 g;Na2SO40.5 g;MgSO4·H2O 2.0 g;70%乳酸納5.0 mL;CaCl2·6H2O 0.1 g;蒸餾水1 000 mL;pH=7.0 ±0.2。2)(NH4)2Fe(SO4)2·7H2O 1.2 g和抗壞血酸 0.4 g分別溶于121℃，0.1 MPa蒸汽滅30 min的40 mL蒸餾水中，實驗前每100 mL培養(yǎng)基中加1 mL。3)配置不同濃度的重金屬液體培養(yǎng)基。4)將準備好的純株菌液(菌群處在對數(shù)期)作為接種源，接種量為1 mL/150 mL培養(yǎng)基，密封，放入32℃生化培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 研究該菌株對Zn2+的耐受程度

在培養(yǎng)中，每個濃度都同時使用3個平行樣作參照，32℃培養(yǎng)條件下培養(yǎng)，持續(xù)時間為7 d，不斷提高重金屬濃度作為馴化條件，找到該菌株能夠耐受重金屬離子濃度最大值，如表1所示。

3.2 純菌株去除鋅離子的動力學

本實驗是在營養(yǎng)物質(zhì)都相同和接種量、接種源相同的條件下，只是加入不同的鋅金屬離子濃度。培養(yǎng)基中COD=3 050 mg/L;c(SO2－4)=1 507 mg/L。硫酸鹽還原作用形成的HS－存在著潛在的危害，因為它可以結(jié)合細胞中細胞色素的鐵和其他含鐵的必需化合物。在培養(yǎng)基中增加二價鐵離子，一方面降低HS－對硫酸鹽還原菌毒害性。另一方面為了明顯地觀察各錐形瓶中的反應(yīng)情況，硫鐵化合物的顏色呈黑色，在每個錐形瓶中加入等量的鐵離子 c(Fe2+)=28.56 mg/L。

表1 純菌株在含不同金屬離子體系中生長狀況

接種、恒溫培養(yǎng)后，可以看出體系中產(chǎn)生大量硫鐵化合物，間接說明菌株大量繁殖和具有很強的還原能力。每天都檢測體系中pH，ORP，(SO2－4)，COD，(Fe2+)，(Zn2+)的變化。

圖1 菌株去除鋅離子的代謝動力學（c（Zn2+=28.75 mg/L））

當微生物接種到含有重金屬的培養(yǎng)液中，菌株一開始無法適應(yīng)環(huán)境，就會消耗有機物完成自身的新陳代謝，產(chǎn)生大量的有機酸，致使溶液中pH值開始有下降的趨勢，一旦菌落能夠適應(yīng)環(huán)境，大量繁殖并且能夠還原硫酸鹽，消耗溶液中的H+，使環(huán)境中pH值增大，如圖1a)所示:培養(yǎng)時間75 h后，溶液的pH值接近中性，如圖1b)所示，培養(yǎng)體系中ORP開始都有上升的趨勢。待75 h后pH值開始上升，氧化還原電位在－100 mV～－150 mV，是硫酸鹽還原菌的生長的對數(shù)期。隨著不斷地培養(yǎng)，體系中的氧化還原電位逐漸減小，100 h后ORP達到平衡狀態(tài)－300 mV～－350 mV。如圖1c)體系中SO2－4在培養(yǎng)50 h～75 h去除效率最大，大約在100 h后被完全去除;如圖1d)所示:隨著體系中微生物的生長，不斷消耗體系中的COD，100 h后COD的去除率明顯降低，說明SRB菌群生長受到抑制。COD的最終去除率為50%～60%;如圖1f)所示:80 h后鋅離子幾乎被完全去除，在后面的培養(yǎng)過程中，硫鋅化合物并沒有被溶解的跡象。

3.3 反應(yīng)底物的XRD圖譜

為了明確表征硫鋅化合物，在培養(yǎng)基中不加硫酸亞鐵銨避免黑色的硫鐵化合物的影響。底物含有大量的有機物，在很大程度上影響金屬硫化物的結(jié)晶程度，在X衍射過程中采取方法:掃描速度為2°/min，步進掃描1 h。從XRD圖譜可看出在圖2中只有明顯的閃鋅礦三個主衍射峰，有可能是重金屬離子影響了硫酸鹽還原的進程，在一定濃度Zn2+存在的環(huán)境下，硫酸鹽直接被還原成H2S。

圖2 底物的XRD圖譜

3.4 結(jié)語

該菌株能夠耐受最大鋅離子濃度為75 mg/L，從XRD圖譜可知硫鋅化合物衍射峰比較明顯，而且特征明顯。說明該菌株能夠?qū)⒘蛩猁}還原成硫離子，并且能與體系中的鋅離子生成沉淀物硫鋅化合物。

[1] Cabrera G，Pérez R，Gomez J M，et al.Toxic effects of dissolved heavy metals on Desulfovibriovulgaris and Desulfovibriosp.strains[J].Hazard Mater，2006(135):40-46.

[2] 易正戟，譚凱旋，澹愛麗，等.硫酸鹽還原菌及其在工業(yè)和礦山廢水治理中的應(yīng)用[J].云南師范大學學報，2006，26(3):39-45.

[3] Jong T，Parry D L.Removal of sulfate and heavy metals by sulfate reducing Bacteria in short-term bench scale up flow anaerobic packed bed reactor runs[J].Water Res，2003(37):3379-3389.

[4] 王心芳.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學出版社，2002:386-419.