鉻取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程及鉻的環(huán)境行為研究

王春，童輝，華健，陳曼佳*，劉承帥,

1.廣東石油化工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；3.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所/環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550001

鉻（Cr）自然環(huán)境中普遍存在的重金屬之一，環(huán)境中鉻的價(jià)態(tài)通常在-2到+6價(jià)之間，而+3價(jià)和+6價(jià)兩種價(jià)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定（Fendorf et al.，2000），且Cr(VI)的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Cr(III)，具有強(qiáng)烈的“三致性”（Han et al.，2004）。隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，Cr及其化合物通過(guò)電鍍、冶金、皮革鞣制、紡織染色等方式排放到環(huán)境中，造成不同程度的土壤Cr污染，危害農(nóng)產(chǎn)品安全及人類的健康（Dotaniya et al.，2014）。已有研究表明，Cr在土壤中的環(huán)境行為與含量豐富的鐵氧化物密切相關(guān)（Stewart et al.，2016），Cr可通過(guò)吸附鐵氧化物表面，形成表面絡(luò)合物或者沉淀物，影響Cr的遷移轉(zhuǎn)化（Singh et al.，2002）。同時(shí)，由于 Cr(III)和 Fe(III)的離子半徑十分接近（61.5 vs 64.5 pm），Cr(III)常與鐵氧化物結(jié)構(gòu)中的 Fe(III)發(fā)生取代進(jìn)入晶格中形成 Cr取代鐵氧化物，顯著影響了Cr(III)的移動(dòng)性，生物可利用性以及 Cr(III)向有毒 Cr(VI)氧化轉(zhuǎn)化過(guò)程（Choppala et al.，2013）。因此，研究鐵Cr取代鐵氧化物的氧化還原、穩(wěn)定性及 Cr的環(huán)境行為具有重要的土壤學(xué)和環(huán)境學(xué)研究意義。

鐵氧化物作為土壤中具有較高地球化學(xué)活性和高含量的重要礦物，其氧化還原循環(huán)過(guò)程需要微生物提供基本驅(qū)動(dòng)力（Borch et al.，2010；Roden，2003）。在厭氧還原條件下，土壤中的鐵還原菌能以有機(jī)碳作為電子供體，以胞外不溶性鐵氧化物為末端電子受體，通過(guò)氧化電子供體耦聯(lián)Fe(III)還原，并從這一過(guò)程貯存能量（Kappler et al.，2005；Roden，2003），這一過(guò)程也稱為異化鐵還原過(guò)程。已有研究表明，土壤異化鐵還原過(guò)程可通過(guò)氧化還原、甲基化以及固定等作用顯著影響重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)變、有效性以及遷移轉(zhuǎn)化等（Bousserrhine et al.，1999；Burton et al.，2019；Zachara et al.，2001；毛暉等，2005；司友斌等，2015）。Burton et al.（2019）對(duì)異化鐵還原過(guò)程中銻的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，結(jié)果表明游離態(tài)的銻可被固定在新生成的鐵氧化物中，從而減少重金屬的危害。毛暉等（2005）研究不同Cr(VI)濃度壓迫下，水稻土的異化鐵還原過(guò)程，結(jié)果表明，Cr(VI)參與水稻土的鐵還原過(guò)程，在該過(guò)程中，Cr(VI)可被鐵氧化物或微生物吸附，降低了Cr的可利用性和生物有效性；且高濃度的Cr(VI)對(duì)土壤中鐵還原微生物具有毒害作用，從而抑制了水稻土的異化鐵還原過(guò)程。反之，金屬取代的鐵氧化物在異化鐵還原過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)態(tài)Fe(III)的還原溶解，鐵氧化物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)中的重金屬可被溶解釋放，提高了重金屬的移動(dòng)性和可利用性（Zachara et al.，2001；張蕊等，2015）。Bousserrhine et al.（1999）研究表明，在Clostridiumbutyricum還原5% mol Cr取代針鐵礦（[Cr]/([Cr]+[Fe])為0.05）時(shí)，針鐵礦發(fā)生還原溶解，固體中約8.46%的Cr釋放到環(huán)境中。

盡管重金屬取代鐵氧化物的異化鐵還原過(guò)程對(duì)重金屬的影響已引起廣泛關(guān)注和重視，但已有的研究仍集中在重金屬取代弱晶型的鐵氧化物（如Cr取代的聚合硫酸鐵和Cr取代施氏礦物）(Wan et al.，2018；Li et al.，2016），對(duì)重金屬取代的強(qiáng)晶型鐵氧化物的生物還原溶解過(guò)程中鐵物種和重金屬的環(huán)境行為、礦物結(jié)構(gòu)變化等，仍缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，本研究以土壤中常見的Cr(III)取代的針鐵礦（下文簡(jiǎn)稱Cr取代針鐵礦，Cr-Goe）為研究對(duì)象，將不同 Cr取代比例的針鐵礦作為鐵還原菌的唯一電子受體，探究Cr取代針鐵礦的異化鐵過(guò)程中Fe、Cr以及礦物結(jié)構(gòu)變化特征，為土壤環(huán)境中Cr的遷移轉(zhuǎn)化等行為提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 針鐵礦及鉻取代針鐵礦的制備

針鐵礦和Cr取代針鐵礦的合成主要參考已有文獻(xiàn)報(bào)報(bào)道的方法（Schwertmann et al.，2000）。首先，將150 mL 5 mol·L-1的KOH溶液加入到250 mL 0.5 mol·L-1的 Cr(NO3)3溶液中在燒杯中混合均勻，制得堿性Cr溶液。分別量取0、3.3、8.4、8.4、30.5、75.3 mL上述配好的堿性Cr溶液，均依次加入 50 mL，1 mol·L-1Fe(NO3)3溶液和 5 mol·L-1KOH溶液（使得最終懸浮液中KOH的濃度為0.3 mol·L-1），最后加入超純水定容到1 L。混勻溶液，并在70 ℃下老化30 d。接著，將老化的混勻液取出離心去除上清液，保留固體，用 3 mol·L-1H2SO4，于50 ℃下浸提固體2 h，去除固體中的無(wú)定型雜質(zhì)。同時(shí)，用超純水將固體樣品清洗5次，并在70℃烘箱中干燥過(guò)夜，最后用研缽研磨過(guò)篩，得到所需的不同Cr取代的針鐵礦，根據(jù)開始添加時(shí)[Cr]/([Cr]+[Fe])([Me]: mol·L-1)比例計(jì)算，其理論取代值分別為 0、2%，5%，16%和32%，并最終根據(jù)實(shí)際的Cr取代值，分別命名為Goe、1.4-Cr-Goe、3.5-Cr-Goe、9.03-Cr-Goe 以及10.3-Cr-Goe。

1.2 菌種來(lái)源和活化

本研究所采用的鐵還原菌為Shewanella oneidensisMR-1，ATCC70050。菌體購(gòu)于北京百歐博偉生物技術(shù)有限公司。菌體在30 ℃的LB液體培養(yǎng)基（成分為 10 g·L-1蛋白胨，5 g·L-1酵母粉，10 g·L-1的 NaCl）中培養(yǎng) 16 h，于 4 ℃ 6000 r·min-1條件下離心10 min，用滅菌超純水洗滌重懸浮，重復(fù)3次，最終配成約1010cell·mL-1的菌懸液待用。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)所有用到的實(shí)驗(yàn)器具和溶液進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的高壓滅菌流程后在無(wú)菌超凈臺(tái)進(jìn)行操作。在20.2 mL的西林瓶中依次加入哌嗪-1, 4-雙（2-乙烷磺酸）（PIPEs）緩沖溶液、乳酸鈉（電子供體）和鐵還原菌ShewanellaoneidensisMR-1，混勻之后，加入針鐵礦或不同Cr取代比例的針鐵礦，最終培養(yǎng)溶液的總體積為10 mL，各物種的終濃度分別為 0.02 g 針鐵礦，25 mmol·L-1（PIPEs）、10 mmol·L-1乳酸鈉以及約 108cell·mL-1的Shewanella oneidensisMR-1。實(shí)驗(yàn)同時(shí)設(shè)置不添加鐵還原菌的對(duì)照處理（CK：滅菌針鐵礦+PIPEs+乳酸鈉）。為達(dá)到最優(yōu)的鐵還原效果，本研究通過(guò)PIPES緩沖溶液將pH值控制在7.0左右。高純氮?dú)獬錃?0 min排氧，然后用橡膠塞壓緊，并用鋁蓋密封，置于厭氧培養(yǎng)箱中 (25±1) ℃靜置培養(yǎng)。反應(yīng)進(jìn)行到設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)，在厭氧箱中取樣。首先取適量的樣品用同體積的0.4 mol·L-1HCl進(jìn)行提取浸提90 min，取出在離心機(jī)中10000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min，用針頭過(guò)濾器（0.22 μm）過(guò)濾上清液并收集，用于游離態(tài)物質(zhì)含量分析（He et al.，2008），而固體繼續(xù)用同體積的濃HCl（約11.2 mol·L-1）進(jìn)行溶解，待固體完全溶解之后進(jìn)一步過(guò)濾收集液體，用于結(jié)構(gòu)態(tài)物質(zhì)含量分析（Hua et al.，2018）。上述兩種液體樣品進(jìn)一步用于后續(xù) Fe(II)和 Cr(III)物種的濃度分析。另取適量的樣品，進(jìn)行固液分離，收集固體，用于后續(xù)礦物結(jié)構(gòu)表征分析。

每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)重復(fù)，文中所示數(shù)據(jù)均為數(shù)據(jù)平均值。

1.4 測(cè)試與表征方法

游離態(tài) Fe(II)物種的檢測(cè)采用鄰菲羅啉比色法，測(cè)試方法根據(jù)已有文獻(xiàn)（Tamura et al.，1974）報(bào)道進(jìn)行改進(jìn)，具體步驟如下：取1 mL上清液，先加入50 μL濃鹽酸進(jìn)行酸化，依次加入50 μL 0.1 mol·L-1氟化銨，200 μL 1 g·L-1鄰菲羅啉和 200 μL 5 mol·L-1醋酸緩沖溶液，充分混勻之后顯色15 min，上機(jī)檢測(cè)。分析儀器為紫外可見分光光度計(jì)（TU-1800，北京普析通用）。游離態(tài)和結(jié)構(gòu)態(tài)Cr(III)物種的檢測(cè)采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICPOES，Perkin-Elmer optima 2000，USA）測(cè)定（Hua et al.，2018）。礦物的晶相結(jié)構(gòu)分析，首先將礦物粉末壓片，在X’Pert Pro MPD X射線衍射儀上進(jìn)行衍射分析（XRD）。測(cè)試要求條件：Ni濾波片，Bragg-Brentano幾何衍射，探測(cè)器為L(zhǎng)ynxBye陣列，Cu Ka（λ=0.154059 nm），管壓40 kV，管流40 mA，步長(zhǎng)為 0.02°，掃描速度為 1°·min-1或步長(zhǎng)為 0.04°，每步積分時(shí)間為10 s。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用微生物生長(zhǎng)曲線Logistic方程擬合異化鐵還原過(guò)程（He et al.，2008）。所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，Origin 8.0進(jìn)行做圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Cr取代針鐵礦的性質(zhì)特征

為驗(yàn)證合成不同Cr取代針鐵礦過(guò)程中，Cr(III)離子是否進(jìn)入礦物的晶體結(jié)構(gòu)中，及其 Cr的真實(shí)取代量，對(duì)合成得到的礦物進(jìn)行化學(xué)分析測(cè)試。使用0.4 mol·L-1HCl將吸附在固相表面的洗掉，再用濃鹽酸完全溶解固體，測(cè)定固體中Cr濃度，并計(jì)算實(shí)際[Cr]/([Cr]+[Fe])比例（圖 1）。結(jié)果表明，不同Cr取代針鐵礦中 Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 19.24、47.82、131.61 以及 152.15 mg·g-1，大部分 Cr離子進(jìn)入到礦物結(jié)構(gòu)中；同時(shí)計(jì)算 Cr取代的實(shí)際摩爾比例分別為1.4%，3.5%，9.03%以及10.3%，均小于理論計(jì)算值2%、5%、16%和32%。這是由于實(shí)驗(yàn)合成針鐵礦的老化時(shí)間有限，Cr(III)離子不能全部進(jìn)入固相中（Schwertmann et al.，1989）。

為驗(yàn)證合成的礦物結(jié)構(gòu)為針鐵礦，對(duì)礦物樣品進(jìn)行了XRD結(jié)構(gòu)分析（圖2）。通過(guò)與粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)數(shù)據(jù)庫(kù)中針鐵礦的特征峰進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，本研究所合成的固體礦物均為針鐵礦；且隨著針鐵礦中越來(lái)越多的Fe(III)被Cr(III)取代，礦物XRD圖譜中主峰位置（2θ）向左偏移（2θ值越?。?，晶格參數(shù)和晶胞體積都比純針鐵礦?。℉ua et al.，2018）。Sileo et al.（2004）研究表明，針鐵礦中Fe(III)周圍原先被兩個(gè)獨(dú)立的FeO3(OH)3配體所包圍，而當(dāng)Fe(III)被Cr(III)取代之后，其周圍形成更加對(duì)稱的 Cr(OH0.5)6的多面體，從而縮小金屬離子之間的距離，進(jìn)一步引起晶格和晶胞參數(shù)的變化。

圖1 Cr取代針鐵礦的比例以及針鐵礦中Cr的含量Fig.1 The percentage of mol [Cr]/[Cr+Fe] and the concentration of Cr in the goethite

圖2 合成的針鐵礦及Cr取代針鐵礦XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of the synthesized goethite and Cr substituted goethite

2.2 異化鐵還原動(dòng)力學(xué)

圖3 不同Cr取代針鐵礦的微生物鐵還原動(dòng)力學(xué)及擬合曲線Fig.3 The rate of the total Fe(II) concentration profile for 5 Cr substituted goethite samples using logistic model fitting

體系中不同Cr取代針鐵礦的微生物還原動(dòng)力學(xué)如圖3所示。不加菌的對(duì)照處理（CK）中，基本未檢測(cè)出Fe(II)的存在，說(shuō)明沒(méi)有鐵還原菌Shewanella oneidensisMR-1作用時(shí)，針鐵礦未能發(fā)生還原溶解。在添加ShewanellaoneidensisMR-1（針鐵礦+菌）處理中，體系中游離態(tài)Fe(II)的含量在反應(yīng)前15 d快速增長(zhǎng)，隨后出現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。這可能是由于系統(tǒng)中的乳酸鈉電子供體被消耗，微生物未能持續(xù)快速生長(zhǎng)（He et al.，2008；Liu et al.，2001）。在反應(yīng)40 d 時(shí)，約 3.36 mmol·L-1的 Fe(III)被ShewanellaoneidensisMR-1 還原生成 Fe(II)。Liu et al.（2001）利用鐵還原菌Shewanellaputrefaciensstrain CN32還原針鐵礦發(fā)現(xiàn)，在10 mol·L-1乳酸作為電子供體的情況下，反應(yīng)26 d之后，約11%的針鐵礦被還原，生成約 3.8 mol·L-1的 Fe(II)。與之相比，本研究中ShewanellaoneidensisMR-1鐵還原菌對(duì)針鐵礦具有相類似的還原能力。而隨著針鐵礦中的 Fe(III)被Cr(III)取代，游離態(tài)Fe(II)量受到限制，但不同處理異化鐵還原動(dòng)力學(xué)仍呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后平緩趨勢(shì)（圖3）。在反應(yīng)40 d之后，1.5%、3.4%、9.03%以及10.3% Cr取代的針鐵礦中分別僅有2.71、1.63、1.15和 0.81 mmol·L-1游離態(tài) Fe(II)生成，說(shuō)明鐵還原菌ShewanellaoneidensisMR-1具有還原Cr取代針鐵礦的能力，且鐵還原效率呈現(xiàn) Goe＞1.5-Cr-Goe＞3.4-Cr-Goe＞9.03-Cr-Goe＞10.3-Cr-Goe的規(guī)律。

2.3 異化鐵還原過(guò)程中Cr的環(huán)境行為

為探究不同 Cr取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中Cr(III)的賦存狀態(tài)，本研究同時(shí)測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中游離態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cr(III)濃度變化（圖4）。由于研究體系的pH值為7.0，在此條件下，Cr（III）未能以溶解態(tài)形態(tài)存在（Beverskog and Puigdomenech,1997）。結(jié)果表明，在反應(yīng)的前15 d，1.5-Cr-Goe、3.4-Cr-Goe、9.03-Cr-Goe和 10.3-Cr-Goe反應(yīng)體系中，游離態(tài)Cr(III)的濃度呈快速上升的趨勢(shì)，分別可達(dá)到1.22、2.28、21.20以及30.42 mg·g-1（圖4a）；隨后趨向相對(duì)穩(wěn)定，并逐漸下降；最終反應(yīng)體系中分別有2.49%、3.10%、12.97%和13.69%的Cr(III)被釋放到環(huán)境中。這表明了在不同 Cr取代針鐵礦的異化鐵還原過(guò)程中，Cr(III)會(huì)隨著 Fe(III)還原溶解而從礦物結(jié)構(gòu)中釋放。然而，不同Cr取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中殘?jiān)鼞B(tài)Cr(III)的濃度呈現(xiàn)相反動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)（圖4b）。在反應(yīng)的前15 d，殘?jiān)鼞B(tài)Cr(III)的濃度快速降低，隨后趨向相對(duì)穩(wěn)定，并逐漸上升趨勢(shì)。前人研究指出，金屬取代的鐵氧化物在鐵還原菌作用下，礦物會(huì)發(fā)生還原溶解從而釋放出重金屬離子（Bousserrhine et al.，1999；Li et al.，2016）；同時(shí)，在礦物進(jìn)一步二次成礦過(guò)程中，游離態(tài)的重金屬會(huì)再次被固定到礦物當(dāng)中（Burton et al.，2019；Li et al.，2016）。近些年研究也表明，游離態(tài)Fe(II)可催化鐵氧化物晶相重組，鐵氧化物晶體結(jié)構(gòu)中取代的重金屬可隨礦物的晶相重組過(guò)程釋放到環(huán)境中，形成游離態(tài)重金屬。同時(shí)，游離態(tài)重金屬離子（如Cd、Al、As、Cr等）在礦物晶相重組過(guò)程中，可通過(guò)化學(xué)鍵形式吸附固定或者是重金屬取代新生成鐵氧化物結(jié)構(gòu)中的部分Fe(III)位，被穩(wěn)定/固定在新生成的礦物結(jié)構(gòu)中（Hua et al.，2018；Liu et al.，2019；劉亞楠等，2018）。而在本研究當(dāng)中，以10.3-Cr-Goe體系為例，可發(fā)現(xiàn)游離態(tài)Cr(III)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到20.84 mg·g-1；而固體中（結(jié)構(gòu)態(tài)）Cr(III)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則從 149.34 mg·g-1降低到 124.55 mg·g-1。其他體系與之類似，其游離態(tài) Cr(III)與結(jié)構(gòu)態(tài)Cr(III)濃度變化動(dòng)力學(xué)呈現(xiàn)相反規(guī)律，且二者之和呈現(xiàn)穩(wěn)定不變的趨勢(shì)（圖4c），即游離態(tài)Cr(III)增加或減少的量約等于結(jié)構(gòu)態(tài)中(III)減少或增加的量。由此可推測(cè)，Shewanella oneidensisMR-1還原不同Cr取代針鐵礦過(guò)程中，結(jié)構(gòu)態(tài)Cr（III）逐漸從針鐵礦結(jié)構(gòu)中釋放，吸附在針鐵礦表面，形成游離態(tài)Cr(III)；隨著異化鐵還原的進(jìn)行，游離態(tài)Fe(II)可催化針鐵礦二次成礦，而釋放出來(lái)的Cr(III)部分可被重新固定在針鐵礦結(jié)構(gòu)中。

圖4 不同Cr 取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中游離態(tài)、結(jié)構(gòu)態(tài)和總Cr(III)濃度變化動(dòng)力學(xué)Fig.4 The concentrations of (a) extracted, (b) solid, and (c) total Cr(III) during microbial reduction of 0.02 Cr-goethite, 0.05 Cr-goethite,0.16 Cr-goethite, and 0.32 Cr-goethite over 40 d

2.4 礦物結(jié)構(gòu)變化

為考察不同 Cr取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中礦物結(jié)構(gòu)的變化，本研究采用 XRD對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間下（10 d和40 d）礦物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征（圖5）。由圖可知，反應(yīng)中期（10 d）和反應(yīng)后期（40 d），Goe、1.5-Cr-Goe、3.4-Cr-Goe、9.03-Cr-Goe和10.3-Cr-Goe反應(yīng)體系中，礦物的XRD圖譜中衍射峰均為針鐵礦的特征衍射峰，具有較高的結(jié)晶度；同時(shí)，并未觀察到新的礦物特征衍射峰出現(xiàn)。Liu et al.（2001）研究表明，針鐵礦在鐵還原菌Shewanella putrefaciensstrain CN32作用下可二次成礦生成菱鐵礦（FeCO3）和針鐵礦。游離態(tài)Fe(II)催化針鐵礦晶相重組過(guò)程，針鐵礦晶相重組新生成的礦物仍為針鐵礦（Handler et al.，2009；Hua et al.，2018）。由此可推測(cè)，本研究中不同 Cr取代針鐵礦在鐵還原菌Shewanella oneidensisMR-1作用下可能發(fā)生二次成礦，新生成的礦物仍為針鐵礦。

2.5 Cr取代量對(duì)針鐵礦穩(wěn)定性影響

圖5 不同Cr取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中礦物結(jié)構(gòu)XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the Cr substituted goethite during microbial reduction

前人研究表明，土壤的微生物鐵還原過(guò)程符合微生物生長(zhǎng)曲線，常采用 Logistic方程（Nt=a/(1+be-kt)）進(jìn)行模擬，以便更準(zhǔn)備計(jì)算異化鐵還原速率等信息（Chen et al.，2014；He et al.，2008）。本研究采用 Logistic方程對(duì)鐵還原菌Shewanella oneidensisMR-1還原不同Cr取代針鐵礦過(guò)程進(jìn)行擬合分析（圖3），其中a代表游離態(tài)Fe(II)的最大生成量，b是一個(gè)擬合參數(shù)，k是異化鐵還原速率，Nt代表體系中t時(shí)刻體系中游離態(tài)Fe(II)的含量。擬合數(shù)據(jù)表明，Goe、1.5-Cr-Goe、3.4-Cr-Goe、9.03-Cr-Goe和10.3-Cr-Goe反應(yīng)體系中異化鐵還原速率k分別為 0.3596、0.3135、0.2866、0.2638以及0.2637 d-1（圖6）。與無(wú)Cr取代針鐵礦相比較，Cr取代針鐵礦的鐵還原速率顯著降低（P＜0.05），其生物穩(wěn)定性提高。對(duì)鐵還原速率與 Cr的取代量進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同 Cr取代針鐵礦的異化鐵還原速率與 Cr的摩爾取代量呈指數(shù)關(guān)系（R2=0.9995，P＜0.001）（圖 6）。Sileo et al.（2004）對(duì)人工合成的 Cr取代針鐵礦進(jìn)行熱力學(xué)性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，隨著Cr取代量的增加，礦物會(huì)形成更加穩(wěn)定的團(tuán)聚體，使得針鐵礦的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，難以向赤鐵礦轉(zhuǎn)化。Wan et al.（2018）利用Shewanella oneidensisMR-1對(duì)Cr(VI)-施氏礦物進(jìn)行還原表明，礦物中附載的Cr(VI)量增高時(shí)，施氏礦物表面由原本的粗糙云狀變成刺猬狀，顆粒團(tuán)聚變大，從而提高了礦物的生物穩(wěn)定性。由此推測(cè)，在本研究中，隨著Fe(III)被Cr(III)取代，針鐵礦的結(jié)構(gòu)越來(lái)越穩(wěn)定，其生物穩(wěn)定性也大大提高。當(dāng)Cr(III)離子的取代量達(dá)到9.03%時(shí)，微生物還原Cr取代針鐵礦生成Fe(II)的速率趨向穩(wěn)定，可達(dá)0.26 d-1。在不同Cr取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中，隨著 Cr取代量的增加，礦物生物穩(wěn)定性更高，釋放到環(huán)境中Cr(III)的濃度將會(huì)達(dá)到一個(gè)最大平衡值。

圖6 鐵還原速率與針鐵礦中Cr取代量的關(guān)系Fig.6 The relation between iron reduction rate and the mol ratio of Cr substituted in goethite

3 結(jié)論

本研究以不同 Cr取代針鐵礦為電子受體，以乳酸鈉為電子供體，研究鐵還原菌Shewanella oneidensisMR-1對(duì)不同Cr取代針鐵礦的還原作用及過(guò)程中Cr(III)的釋放固定行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ShewanellaoneidensisMR-1對(duì)純針鐵礦或Cr取代針鐵礦菌均具有還原能力，且隨著針鐵礦中Cr(III)的取代量增加，還原作用效果越來(lái)越弱。在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，不同Cr取代針鐵礦反應(yīng)體系中，游離態(tài)Fe(II)含量呈快速增長(zhǎng)后平穩(wěn)的趨勢(shì)，且鐵還原速率k的大小順序?yàn)?Goe＞1.5-Cr-Goe＞3.4-Cr-Goe＞9.03-Cr-Goe＞10.3-Cr-Goe。同時(shí)，游離態(tài)Cr(III)的含量則呈快速增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；殘?jiān)鼞B(tài)中Cr(III)的含量則與游離態(tài) Cr(III)呈相反規(guī)律，說(shuō)明不同 Cr取代針鐵礦異化鐵還原過(guò)程中，礦物結(jié)構(gòu)中的Cr(III)可被釋放并重新固定到礦物中。