Ca2+對酸性硫酸鹽環(huán)境中次生鐵礦物合成的影響

劉奮武，高詩穎，崔春紅，梁劍茹，周立祥*（.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太谷03080；.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，環(huán)境工程系，江蘇 南京 0095）

Ca2+對酸性硫酸鹽環(huán)境中次生鐵礦物合成的影響

劉奮武1，高詩穎1，崔春紅2，梁劍茹2，周立祥2*（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太谷030801；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，環(huán)境工程系，江蘇 南京 210095）

通過搖瓶培養(yǎng)試驗(yàn)，在富鐵酸性硫酸鹽環(huán)境中，探析0、50、100、200或400mg/L Ca2+加入對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌（A. ferrooxidans）生物合成次生鐵礦物過程的影響.分析了體系pH值、氧化還原電位（ORP）、Fe2+氧化率、總Fe沉淀率以及次生鐵礦物礦相等相關(guān)指標(biāo)的變化情況.結(jié)果表明，0～24h培養(yǎng)過程中，各體系pH值、ORP、Fe2+氧化率及總Fe沉淀率變化幅度基本一致.24～108h培養(yǎng)過程中，體系中Ca2+加入量越大，F(xiàn)e2+氧化越迅速，相應(yīng)總Fe沉淀率相對較高.400mg/L Ca2+的加入使得體系Fe2+在72h氧化完全，總Fe沉淀率在108h達(dá)到39.1%.0、50、100或200mg/L Ca2+加入的體系在24～84h培養(yǎng)過程中，體系Fe2+氧化速率隨著Ca2+加入量逐漸增加而依次升高，并在84h Fe2+氧化完全，且在108h，相應(yīng)體系總Fe沉淀率分別為27.0%、29.7%、33.9%或36.9%.不同體系所得次生鐵礦物均為施氏礦物與黃鐵礬的混合物.本研究結(jié)果對明晰富鐵酸性硫酸鹽環(huán)境鈣離子調(diào)控生物成因次生鐵礦物合成的影響機(jī)理有一定指導(dǎo)意義.

鈣離子；氧化亞鐵硫桿菌；次生鐵礦物；鐵沉淀率；礦相

酸性礦山廢水（AMD）是煤礦和各種金屬礦在開采和利用過程中，其中的含硫礦物（主要為硫鐵礦）與地下（表）水接觸，在空氣和微生物的共同作用下，形成的一種酸度極高并含有大量Fe2+、Fe3+、SO42-及（類）重金屬的離子的一類廢水［1-3］.其若未經(jīng)有效處理任意排放， 將會(huì)對礦山周邊地區(qū)的地表水、地下水或土壤環(huán)境造成極大污染，進(jìn)而間接危害動(dòng)植物健康［4-5］.已有較多研究表明，在類似AMD的富鐵酸性硫酸鹽環(huán)境中，氧化亞鐵硫桿菌（A. ferrooxidans）可介導(dǎo)施氏礦物或黃鐵礬等次生鐵礦物的合成［6-7］，相關(guān)方程式如下:

從上述方程式可以得出， 次生鐵礦物合成過程可以有效去除AMD 體系中的Fe2+、Fe3+和SO42-［8-9］.前人研究證實(shí)，黃鐵礬或施氏礦物等次生鐵礦物合成過程亦能夠通過吸附或共沉淀的形式去除酸性硫酸鹽體系中Cr、Cd、As、Pb、Hg等（類）重金屬離子［10-11］，故次生鐵礦物合成過程對酸性礦山廢水中Fe、SO42-及重金屬等污染物的遷移行為具有重要影響.

酸性礦山廢水是基于地下（表）水環(huán)境而產(chǎn)生的，探索地下（表）水關(guān)鍵離子對生物成因次生鐵礦物合成的影響對揭示酸性礦山廢水中污染物遷移規(guī)律具有重要意義.地下（表）水環(huán)境中普遍存在K+、Na+、Mg2+、Ca2+等主要陽離子［12］.作為參與次生鐵礦物黃鐵礬合成的主要反應(yīng)離子，K+與Na+對酸性硫酸鹽體系次生鐵礦物合成過程的影響被研究人員廣泛關(guān)注［13-14］，且已證實(shí)K+成礬能力約為Na+的200倍［15］.另外， Mg2+含量能夠通過影響酸性硫酸鹽體系初期生物成因次生鐵礦物粘附形態(tài)，進(jìn)而調(diào)控次生鐵礦物合成量.例如，當(dāng)體系Mg2+含量達(dá)到48mg/L時(shí)，體系初期產(chǎn)生的次生鐵礦物緊密粘附于反應(yīng)器底部，前期礦物不能較好的為后期礦物合成提供晶種，進(jìn)而使得礦物合成量降低. 而當(dāng)體系Mg2+含量降低為4.8mg/L時(shí)，體系初期產(chǎn)生的次生鐵礦物卻分散于溶液中，通過良好的晶種刺激作用加速礦物合成［7］.然而，關(guān)于地下（表）水環(huán)境中Ca2+對酸性硫酸鹽體系次生鐵礦物合成影響的相關(guān)研究卻鮮見報(bào)道.鑒于此， 本研究在改進(jìn)型9K液體培養(yǎng)基這一典型酸性硫酸鹽環(huán)境中，采用A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物，探討Ca2+含量對礦物合成體系pH值、氧化還原電位（ORP）、Fe2+氧化率、總Fe沉淀率及次生鐵礦物礦相的影響.本研究結(jié)果可為揭示地下（表）水環(huán)境Ca2+對生物成因次生鐵礦物合成的調(diào)控機(jī)理提供一定的科學(xué)思路.

1 材料與方法

1.1 氧化亞鐵硫桿菌（A. ferrooxidans）接種液的制備

A. ferrooxidans LX5 （CGMCC No.0727）［16］菌株被接種于150mL改進(jìn)型9K液態(tài)培養(yǎng)基［7］中，用H2SO4調(diào)節(jié)體系pH值至2.50，用八層無菌紗布封口后， 將體系置于180r/min往復(fù)式振蕩器（ZD-85A）中28oC培養(yǎng)2～3d至體系Fe2+氧化完全.培養(yǎng)液經(jīng)定性中速濾紙過濾后，將15mL濾液再次接種于135mL改進(jìn)型9K液態(tài)培養(yǎng)基重復(fù)上述微生物培養(yǎng)及培養(yǎng)液過濾過程，所得濾液即為本研究后續(xù)次生鐵礦物合成所需的接種菌液.用雙層平板法［17］對體系微生物進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲知接種液中A. ferrooxidans LX5濃度約為107cells/mL.

1.2 改進(jìn)型無鈣9K液體培養(yǎng)基母液及Ca2+母液的制備

改進(jìn)型無鈣9K液體培養(yǎng)基母液制備:將442.4g FeSO4?7H2O、30g （NH4）2SO4、1.0g KCl、5.0g K2HPO4及5.0g MgSO4?7H2O依次溶于1L去離子水，配制成濃縮10倍的無鈣9K液體培養(yǎng)基母液.Ca2+母液制備:將2.952g Ca（NO3）2?4H2O溶于1L去離子水，配制成Ca2+濃度為500mg/L 的Ca2+母液.

1.3 Ca2+對酸性硫酸鹽體系A(chǔ). ferrooxidans催化合成次生鐵礦物的影響研究

將15mL改進(jìn)型無鈣9K液體培養(yǎng)基母液與15mL A. ferrooxidans LX5接種液分別依次加入15個(gè)250mL錐形瓶.錐形瓶平均分為5組，每組分別加入Ca2+母液0、15、30、60 或120mL，并分別補(bǔ)充120、105、90、60 或0mL的去離子水，使得每個(gè)體系溶液體積均為150mL，而Ca2+濃度卻分別為0、50、100、200和400mg/L，并分別標(biāo)記為“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”、“Ca2+-200mg/L”和“Ca2+-400mg/L”5個(gè)處理.將不同處理體系用H2SO4調(diào)節(jié)初始pH值至2.50，后置于溫度與轉(zhuǎn)速分別為28oC及150r/min的往復(fù)式振蕩器中振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)期間采用稱重法定時(shí)補(bǔ)加因蒸發(fā)而減少的水分.每12h動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系pH值及ORP值，并用移液槍從體系均勻取樣1mL，過0.22μm濾膜［18］，及時(shí)測定濾液Fe2+及總Fe濃度，進(jìn)而計(jì)算不同時(shí)刻Fe2+氧化率及總Fe沉淀率的變化情況.培養(yǎng)108h 后將體系產(chǎn)生的礦物沉淀用定性濾紙收集，用酸化后pH為2.0的去離子水洗滌3次，再用去離子水洗滌2次后，在50℃環(huán)境中烘干［19］.分析次生鐵礦物礦相及其形貌.

1.4 測定方法

用PHS-3C型酸度計(jì)測定體系pH及ORP值，采用鄰菲羅啉比色法測定體系中Fe2+與總Fe濃度［16，20］，總Fe與Fe2+濃度差值為Fe3+濃度，某時(shí)刻Fe2+氧化率=（初始體系Fe2+濃度-某時(shí)刻體系Fe2+濃度/初始體系Fe2+濃度）×100%.總Fe沉淀率可用如下公式計(jì)算:（初始溶液體系總Fe濃度-某時(shí)刻溶液體系總Fe濃度）/初始溶液體系總Fe濃度×100%［9］.礦物礦相用X射線衍射儀（XRD，MiniFles II，日本理學(xué)）測定，測試工作條件為:管電壓30kV，管電流15mA，掃描區(qū)間10～70o（2θ），步長0.02o，Cu靶（彎晶單色器）.利用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-7001F），在加速電壓5.0kV，工作距離（樣品表面到物鏡的距離）9.7mm的條件下，直接觀察體系次生鐵礦物的形貌［7］.

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及繪圖軟件

使用Microsoft Excel （2003） 軟件對本文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，本文圖中所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均用平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差表示.使用Origin 7.5軟件制圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 Ca2+對A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系pH與ORP變化的影響

生物合成次生鐵礦物的過程可分為3個(gè)過程:Fe2+在A. ferrooxidans作用下氧化為Fe3+；Fe3+水解生成礦物合成所需的初始晶核；次生鐵礦物在晶核表面逐漸長大［21］.Fe2+氧化成Fe3+過程會(huì)消耗體系中的H+，使得體系pH值上升，而Fe3+水解成礦產(chǎn)生的H+卻會(huì)使得體系pH值呈下降趨勢.體系中H+的相對含量及Fe2+與Fe3+的相互轉(zhuǎn)化對體系pH值與ORP值具有明顯影響［22］.本研究中，Ca2+濃度對次生鐵礦物合成體系中pH值及ORP的影響見圖1.

圖1 Ca2+對次生鐵礦物合成體系pH值與ORP變化的影響Fig.1 Effect of calcium ions on the pH and ORP in secondary iron minerals bio-synthesis systems

由圖1a可見，在A. ferrooxidans培養(yǎng)的前24h，5個(gè)處理體系pH值變化基本一致，均從初始的2.50上升到2.74.36h時(shí)，除“Ca2+-400mg/L”處理的pH保持2.74不變外，其余4個(gè)處理pH值均上升至2.80.

36～108 h培養(yǎng)期間，所有處理的pH值均開始下降，而下降速率卻不盡相同.整體表現(xiàn)在，Ca2+加入量越大，體系pH下降幅度越大.例如，在108h，“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”、“Ca2+-200mg/L”或“Ca2+-400mg/L”的pH值最終分別降低至2.26、2.21、2.16、2.08 或2.02. 另外，劉曉燕等［22］研究表明，A. ferrooxidans 生物合成次生鐵礦物體系中pH值和ORP值的變化趨勢始終呈相反的變化趨勢，這與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相類似.本研究中5個(gè)處理的ORP值在0～24h 內(nèi)均從257mV下降至243mV（圖1b）.36h 時(shí)，除“Ca2+-400mg/L”處理ORP基本保持不變外，其余4個(gè)處理ORP均進(jìn)一步降低至239mV.36～108h培養(yǎng)過程中，Ca2+加入量越大，ORP值上升速率亦越快.可見，在A. ferrooxidans培養(yǎng)前期（0～24h），Ca2+加入并不影響體系pH值及ORP的變化趨勢，其顯著影響主要作用于A. ferrooxidans培養(yǎng)中后期（24～108h），且隨著體系Ca2+加入量增加，體系pH值降低幅度越快，ORP升高速率越明顯.

2.2 Ca2+對A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系Fe2+氧化率及總Fe沉淀率的影響

Fe2+有效氧化是次生鐵礦物合成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，總Fe沉淀率能夠間接表征次生鐵礦物的合成量.故探究次生鐵礦物合成過程中Fe2+氧化率及總Fe沉淀率顯得尤為必要.本研究中，Ca2+濃度對生物合成次生鐵礦物體系Fe2+氧化率及總Fe沉淀率的影響情況如圖2與圖3所示.

由圖2可見，體系的Fe2+在培養(yǎng)初期就表現(xiàn)出逐漸氧化的趨勢.前人研究表明，pH＜4.0的體系中，F(xiàn)e2+難以被O2進(jìn)行化學(xué)氧化［8］.本研究體系初始pH值為2.50，故可以證實(shí)，體系初期即表現(xiàn)出的Fe2+氧化行為是A. ferrooxidans 生物氧化所致.從圖2a可以得出，在0～24h A. ferrooxidans培養(yǎng)期間，5個(gè)處理體系Fe2+氧化率變化情況幾乎一致，培養(yǎng)至24h，體系Fe2+氧化率均增加至25.0%.24～84h培養(yǎng)過程中，隨著Ca2+加入量增加，任意時(shí)刻Fe2+氧化率亦相對提高.例如，在60h時(shí)，“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”、“Ca2+-200mg/L”或“Ca2+-400mg/L”處理體系Fe2+氧化率分別為69.7 %、76.8 %、83.3 %、89.7 % 或96.3 %，即此時(shí)“Ca2+-400mg/L”處理體系Fe2+氧化率分別為“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”或“Ca2+- 200mg/L”處理體系的1.38、1.25、1.16或1.07倍.“Ca2+-400mg/L”處理體系中的Fe2+在72h完全氧化.其余處理體系中Fe2+實(shí)現(xiàn)完全氧化氧化的時(shí)間要比“Ca2+-400mg/L”處理體系滯后12h.

圖2 Ca2+對次生鐵礦物合成過程Fe2+氧化率的影響Fig.2 Effect of calcium ions on the Fe2+oxidation efficiency in secondary iron minerals biosynthesis systems

由圖3可知，0～24h所有處理體系總Fe沉淀均十分緩慢，24h時(shí)僅為3%.36h后，各處理體系總Fe沉淀率開始迅速增加，同時(shí)，任意時(shí)刻總Fe沉淀率均與體系Ca2+加入量有顯著的正相關(guān)關(guān)系.例如，在108h培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”、“Ca2+-200mg/L”或“Ca2+-400mg/L”處理體系總Fe沉淀率分別達(dá)到了27.0%、29.7%、33.9%、36.9% 或39.1%，即此時(shí)“Ca2+-400mg/L”處理體系總Fe沉淀量分別為“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”或“Ca2+-200mg/L”處理體系的1.45、1.32、1.15或1.06倍.可見，Ca2+的加入能夠顯著提高酸性硫酸鹽體系中Fe2+氧化率和總Fe的沉淀率.然而從A. ferrooxidans培養(yǎng)前期（0～24h）Fe2+氧化率相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出，Ca2+并不能直接提高體系的Fe2+氧化能力.

綜合分析圖1、圖2與圖3相關(guān)數(shù)據(jù)可以獲知并推斷出，“Ca2+-0mg/L”、“Ca2+-50mg/L”、“Ca2+-100mg/L”、“Ca2+-200mg/L”或“Ca2+-400mg/L”各處理體系，在前24h A. ferrooxidans培養(yǎng)過程中，各體系pH值、ORP、Fe2+氧化率和總Fe沉淀率的變化幅度基本一致.在24～108h期間，Ca2+加入量顯著改變了次生鐵礦物合成體系pH值、ORP、Fe2+氧化率或總Fe沉淀率等指標(biāo)的變化.

圖3 Ca2+對次生鐵礦物合成過程總Fe沉淀率的影響Fig.3 Effect of calcium ions on the total Fe precipitation efficiency in secondary iron minerals biosynthesis systems

2.3 Ca2+對A. ferrooxidans催化合成次生鐵礦物體系次生鐵礦物礦相的影響

伴隨總Fe沉淀率的逐漸升高，次生鐵礦物在不同體系均有所合成.X射線衍射圖譜（XRD）是鑒別礦物礦相的主要手段［11，23］.本研究中，不同研究體系合成的次生鐵礦物的X衍射圖譜如圖4所示.由圖4可見，5個(gè)體系所合成的次生鐵礦物X射線衍射圖譜中各衍射峰的出峰位置及相對強(qiáng)度近似一致.將本研究不同體系所得礦物出峰特征與JCPDS［24］所提供的晶型黃鐵礬類物質(zhì)（黃鉀鐵礬:No.22-0827；黃銨鐵礬:No.26-1014）與非晶型施氏礦物（No.47-1775）的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜進(jìn)行比對，可以得出，本研究5個(gè)次生鐵礦物合成體系所得礦物衍射圖譜中均包含黃鐵礬的特征尖銳衍射強(qiáng)峰（2θ=17.41°、29.55°、39.37°、45.86° 及49.93°）［25］及相對微弱的施氏礦物特征衍射峰（2θ=35.16°）［26］.由此推斷，所有體系產(chǎn)生的次生鐵礦物均應(yīng)為黃鐵礬與施氏礦物共存的混合物，且這一結(jié)果在次生鐵礦物SEM照片（以“Ca2+-400mg/L”處理體系所得礦物形貌為例）中可得到較好的證實(shí)（圖4b）.此外，從本研究所獲次生鐵礦物形貌中可直觀看出，黃鐵礬類物質(zhì)為結(jié)晶度較好的假立方體“枕狀”結(jié)構(gòu)，而嵌套于黃鐵礬晶體間絮狀無定型物質(zhì)為結(jié)晶度很差的施氏礦物，類似形貌在前人相關(guān)研究結(jié)果中亦見報(bào)道［11，27］.可見，0～400mg/L Ca2+的加入不會(huì)改變酸性硫酸鹽體系合成次生鐵礦物的礦相.

圖4 不同處理體系所得次生鐵礦物X射線衍射圖譜及其形貌Fig.4 XRD patterns and SEM of secondary iron minerals harvested from different treatment systems

在研究過程中，在有Ca2+加入的不同處理體系在初始時(shí)刻（0h）有不同程度的白色沉淀產(chǎn)生.此類沉淀物應(yīng)為Ca2+與體系SO42-結(jié)合而產(chǎn)生的難溶于水的沉淀.前人研究結(jié)果表明，如礦物本身、活性炭、石英砂、硅藻土等物質(zhì)，均能夠通過“晶種”作用刺激促進(jìn)次生鐵礦物的合成［8，28-30］.鑒于此，筆者猜想，隨著Ca2+的加入，體系產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)均勻分散于A. ferrooxidans培養(yǎng)體系中，能夠?yàn)榇紊F礦物的生物合成提供“晶種”刺激.進(jìn)而提高了體系總Fe的沉淀效率.為了驗(yàn)證這一猜想，重新配置“Ca2+-400mg/L”處理體系，用定性濾紙對體系初始時(shí)刻溶液進(jìn)行過濾而獲得體系初始時(shí)刻產(chǎn)生的沉淀物，且用X射線衍射技術(shù)對其進(jìn)行礦相鑒別，相應(yīng)X射線衍射圖譜如圖5所示.

圖5 Ca2+加入酸性硫酸鹽體系初始時(shí)刻沉淀物質(zhì)的X射線衍射圖譜Fig.5 XRD patterns of sediment harvested from sulfate-rich acidic system with Ca2+addition

由圖5可見，Ca2+加入酸性硫酸鹽體系產(chǎn)生沉淀的X射線衍射圖譜在11.60°、20.78°、23.44° 及29.16°處具有明顯的衍射強(qiáng)峰，且在11.60°處衍射峰相對強(qiáng)度最大.通過比對JCPDS［24］所提供的礦物標(biāo)準(zhǔn)圖譜，可以發(fā)現(xiàn)所獲沉淀出峰特征與CaSO4?2H2O標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜特征（No.33-0311）相吻合.同時(shí)，本研究得到的此衍射圖譜與前人通過化學(xué)反應(yīng)過程所制備的CaSO4?2H2O衍射圖譜相一致［31］.為了進(jìn)一步證實(shí)CaSO4?2H2O可在次生鐵礦物合成過程中扮演“晶種”角色這一觀點(diǎn)，將獲得的0.5g CaSO4?2H2O 沉淀加入本研究相應(yīng)的無鈣改進(jìn)型9K培養(yǎng)基中，在相同條件下培養(yǎng)72h后，體系Fe2+氧化完全，總Fe去除率高達(dá)46%.綜上所述，體系0～400mg/L Ca2+的加入雖不能改變酸性硫酸鹽體系合成次生鐵礦物的礦相，卻可以明顯影響體系pH值、ORP、Fe2+氧化率或總Fe沉淀率等相關(guān)指標(biāo)的變化.Ca2+加入酸性硫酸鹽體系產(chǎn)生CaSO4?2H2O晶型沉淀物質(zhì)，其在后期次生鐵礦物合成過程中充當(dāng)“晶種”角色，促進(jìn)次生鐵礦物的合成，進(jìn)而加速了體系酸化進(jìn)程.前已述及，F(xiàn)e2+氧化為Fe3+過程如下:

可見，體系H+濃度增加及Fe3+快速沉淀生成次生鐵礦物，均易使得A. ferrooxidans介導(dǎo)下Fe2+氧化過程正反應(yīng)方向移動(dòng)，進(jìn)而在一定程度上促進(jìn)體系Fe2+氧化.

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，在酸性硫酸鹽體系，Ca2+的存在能夠與SO42-結(jié)合生成CaSO4?2H2O.其能夠在生物成因次生鐵礦物合成過程中充當(dāng)“晶種”角色，有效促進(jìn)次生鐵礦物合成，進(jìn)而使得次生鐵礦物合成體系酸化速率明顯、ORP升高顯著、Fe2+氧化加速.由此可以推測，地下（表）水中Ca2+的存在可在一定程度上加速基于此環(huán)境形成的酸性礦山廢水中總Fe沉淀效率，利于體系次生鐵礦物的合成.

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Effect of calcium ions on secondary iron minerals formation in sulfate-rich acidic environment.

LIU Fen-wu1， GAO Shi-ying1， CUI Chun-hong2， Liang Jian-ru2， ZHOU Li-xiang2*（1.Environmental Engineering Laboratory， College of Resource and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， China；2.Departments of Environmental Engineering， College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1142～1148

Secondary iron minerals were synthesized by A. ferrooxidans in the iron- and sulfate-rich acidic environment through shake flask incubation experiment in this study. The effect of 0， 50， 100， 200， or 400mg/L Ca2+on pH， oxidation reduction potential （ORP）， Fe2+oxidation efficiency， total Fe precipitation efficiency， and secondary iron minerals phase in A. ferrooxidans incubation systems were investigated. The results showed that variation of pH， ORP， Fe2+oxidation efficiency， and total Fe precipitation efficiency were similar during 0～24h incubation for all treatments. In the period of 24～108h， the more Ca2+added in systems， the faster Fe2+oxidation rate and the higher total Fe precipitation efficiency. When Ca2+was added at 0， 50， 100， and 200mg/L， Fe2+oxidation efficiency reached 100% at 84h and the corresponding total Fe precipitation efficiency was 27.0%， 29.7%， 33.9%， and 36.9%， respectively. While a complete oxidation was achieved in the presence of 400mg/L Ca2+at 72h and total Fe precipitation efficiency reached up to 39.1 % at 108h. In this study， secondary iron minerals harvested from different systems were the mixture of schwertmannite and jarosite. The data obtained from this study will offer constructive meanings for understanding the secondary iron minerals bio-synthesis mechanism in the iron- and sulfate-rich acidic environment with Ca2+existing.

calcium ions；A.ferrooxidans；secondary iron minerals；Fe precipitation efficiency；mineral phase

X523

A

1000-6923（2015）04-1142-07

劉奮武（1984-），男，山西大同人，副教授，博士，主要從事固體廢物處理、處置與資源化，酸性礦山廢水治理等方面的研究.發(fā)表論文24篇.

2014-08-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371476，21407102）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2012YJ06）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（201301）

*責(zé)任作者， 教授， lxzhou@njau.edu.cn