Cd(II)與As(V)在土壤鐵氧化物和細(xì)菌表面上的共吸附研究

尹雪斐 ，楊蕊嘉 ，劉玉玲 ，鐵柏清 *，聶寧 ，杜輝輝

1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2. 湖南省灌溉水源水質(zhì)污染凈化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方產(chǎn)地污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染尤其是鎘砷復(fù)合污染問題非常突出。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，鎘點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%、砷點(diǎn)位超標(biāo)率為 2.7%（The Ministry of Environmental Protection，2014）。研究發(fā)現(xiàn)，廣東大寶山礦區(qū)周邊存在以鎘砷為主的多金屬?gòu)?fù)合污染，礦區(qū)部分稻田中鎘砷最大超標(biāo)倍數(shù)超出土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值10倍以上（Shan et al.，2017）。此外，周俊馳等（2017）調(diào)查結(jié)果顯示，湖南株洲某縣耕地土壤受鎘砷復(fù)合污染的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積達(dá)23.23 km2。重金屬和類金屬的共存對(duì)生物和生態(tài)安全構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)高于其單一存在（Huang et al.，2009），直接影響土壤和農(nóng)產(chǎn)品安全，威脅人體健康。因此，有必要探究鎘砷在共存條件下的生物地球化學(xué)行為。

在土壤中，鎘通常以陽離子形式存在，具有失電子趨向；砷多以陰離子形式存在，如 AsO43-、AsO33-，有得電子趨向，兩者在土壤中的固定、遷移以及被植物吸收富集等方面均具有相反的特質(zhì)（Li et al.，2018）。土壤中的主要活躍組分如礦物和有機(jī)膠體，通過吸附解吸、氧化還原和沉淀溶解等過程，影響重金屬的形態(tài)、分布和遷移轉(zhuǎn)化（Alessi et al.，2010）。重金屬和類金屬對(duì)不同土壤組分具有不同的親和力。礦物，尤其是金屬氧化物，多攜帶正電荷，表面位點(diǎn)密度高，與陰離子常常通過配位反應(yīng)形成穩(wěn)定的內(nèi)圈絡(luò)合物，因此對(duì)砷有很好的親和性（Gallegos et al.，2012）。例如，有學(xué)者報(bào)道砷主要在鐵氧化物表面形成雙齒共角絡(luò)合物（Goldberg et al.，2001；Ona-Nguema et al.，2005；Sherman et al.，2003）。土壤有機(jī)膠體如微生物、腐殖酸，多攜帶負(fù)電荷，且含有較多含氧官能團(tuán)，吸附絡(luò)合陽離子的能力很強(qiáng)，對(duì)金屬陽離子有較高的親和力（Bradl，2004；Gadd，1990；Reuter et al.，1977）。例如Du et al.（2017）通過分析EXAFS數(shù)據(jù)證明，枯草芽孢桿菌和惡臭假單胞菌的羧基均可與Cd(II)結(jié)合形成單齒和雙齒復(fù)合物。Bai et al.（2019）從FT-IR分析結(jié)果得出，枯草芽孢桿菌細(xì)胞外蛋白酰胺I和II鍵、C-H、羧基等官能團(tuán)幾乎都可以與Cu(II)和 Pb(II)結(jié)合。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤礦物、有機(jī)組分吸附單一金屬或類金屬研究頗多，但較少關(guān)注金屬-類金屬?gòu)?fù)合體系。在單一體系中獲得的吸附規(guī)律無法完全適用于多金屬或類金屬?gòu)?fù)合污染體系，因此進(jìn)一步探究典型土壤礦物、微生物對(duì)金屬-類金屬共吸附特點(diǎn)和機(jī)制十分必要。中國(guó)南方稻田常常存在鎘砷復(fù)合污染，在南方偏酸性土壤中鐵氧化物占固相比例很大?；诖?，本研究擬選取一種代表性鐵氧化物，即針鐵礦和一株土壤細(xì)菌，借助宏觀批吸附試驗(yàn)，結(jié)合X-射線光電子能譜技術(shù)，從宏觀和微觀角度闡釋 Cd(II)-As(V)的共吸附特點(diǎn)和機(jī)制，期望獲得土壤鐵氧化物、微生物對(duì) Cd(II)-As(V)共吸附存在普遍規(guī)律，為調(diào)控其形態(tài)和轉(zhuǎn)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 針鐵礦制備

針鐵礦制備參考Atkinson et al.（1967）的方法。在聚乙烯塑料杯中裝入 500 mL 0.1 mol·L-1Fe(NO3)3溶液，在不斷攪拌過程中逐滴加入 3 mol·L-1NaOH溶液直至溶液pH為12，隨后將懸液置于60 ℃油浴鍋中老化24 h。用去離子水不斷洗滌礦物，直至電導(dǎo)率小于20 μS·cm-1，烘干、研磨，過100目（孔徑為0.150 mm）篩備用。

1.2 蠟狀芽孢桿菌懸液（Bacillus cereus）制備

該細(xì)菌為本實(shí)驗(yàn)保存的一株革蘭氏陽性菌，其GenBank登錄號(hào)為 MH 345838（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MH345838.1/）。細(xì)菌培養(yǎng)采用LB 培養(yǎng)基（酵母提取物 5 g·L-1、氯化鈉 5 g·L-1、蛋白胨10 g·L-1）。將配制好的1 L培養(yǎng)基分裝至3個(gè)錐形瓶中，放入高壓滅菌鍋121 ℃滅菌20 min。在無菌操作臺(tái)中挑取平板上菌種一環(huán)于培養(yǎng)基中，30 ℃恒溫?fù)u床培養(yǎng) 24 h。將菌體離心收集，并用0.1 mol·L-1KNO3（實(shí)驗(yàn)中使用的電解質(zhì)溶液）沖洗3次。隨后，將細(xì)菌懸浮在0.1 mol·L-1KNO3溶液中，取0.5 mL菌懸液烘干測(cè)細(xì)菌質(zhì)量，用于計(jì)算菌懸液濃度。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 批吸附實(shí)驗(yàn)

用去離子水配制 1000 mg·L-1的 CdCl2、Na3AsO4母液。在等溫吸附實(shí)驗(yàn)中，向50 mL離心管加入一定體積的金屬母液，再將一定量的礦物或細(xì)菌懸液加入離心管中，用0.1 mol·L-1KNO3溶液定容至30 mL，混合均勻后使用0.1 mol·L-1NaOH和0.1 mol·L-1HNO3調(diào)節(jié)pH至6.5。隨后將離心管放入恒溫培養(yǎng)振蕩器，反應(yīng)12 h后取出，離心、過濾。我們預(yù)實(shí)驗(yàn)顯示吸附實(shí)驗(yàn)可在12 h達(dá)到平衡。鎘砷濃度的測(cè)定使用電感耦合等離子發(fā)射光譜（ICP-OES，PerkinElmer Optima 8300）。在一元及二元吸附體系中金屬濃度均設(shè)置為0、0.01、0.05、0.1、0.15、0.2 mmol·L-1，吸附劑質(zhì)量濃度均為 0.05 g·L-1，設(shè)置兩組平行試驗(yàn)。

1.3.2 樣品表征方法

使用掃描電子顯微鏡（FE-SEM/EDX，Quanta F250）觀察針鐵礦、蠟狀芽孢桿菌細(xì)胞形貌。首先將樣品固定在25 mL·dm-2戊二醛中，進(jìn)行一系列乙醇脫水，再于-53 ℃的冷凍干燥機(jī)中干燥。

使用KRATOS Axis Ultra X射線光電子能譜儀（Thermo Fisher Scientific，USA）對(duì)針鐵礦和蠟狀芽孢桿菌吸附鎘砷前后的樣品進(jìn)行分析。使用C1s峰（284.8 eV）校準(zhǔn)結(jié)合能。用軟件包XPSPEAK 41進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，背景信號(hào)用 Shirley方法扣除，采用Lorentzian-Gaussian方法進(jìn)行分峰擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 SEM結(jié)果

從掃描電鏡照片可以看出（圖1），針鐵礦是一種納米級(jí)別的針狀礦物，主要由針狀晶體構(gòu)成。蠟狀芽孢桿菌呈桿狀，長(zhǎng)約為2 μm，直徑約為0.5—1 μm，有蓬松的表面紋理，表明存在胞外聚合物。因此，形貌及尺寸結(jié)果顯示，針鐵礦和細(xì)菌可代表土壤中典型的活性膠體組分（＜2 μm）。

圖1 針鐵礦（a）、蠟狀芽孢桿菌（b）掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 1 Scanning electron micrograph of goethite (a) and Bacillus cereus (b)

2.2 等溫吸附結(jié)果

Langmuir模型已被廣泛應(yīng)用于描述金屬在礦物和細(xì)菌表面的吸附過程（Komarek et al.，2015）。表1中的擬合度（R2＞0.95）表明，該吸附模型適用于描述Cd(II)、As(V)在針鐵礦和蠟狀芽孢桿菌上的吸附。Langmuir吸附模型（Langmuir，1918）公式如下：

表1 針鐵礦和蠟狀芽孢桿菌對(duì)Cd(II)、As(V)吸附的Langmuir模型參數(shù)Table 1 Langmuir parameters for the adsorption of Cd(II)/As(V)on goethite and Bacillus cereus

其中：Ce為平衡濃度（mmol·L-1）；Qe為平衡濃度下的吸附量（mg·g-1）；Qmax為最大吸附容量（mg·g-1）；KL為吸附親和力常數(shù)（L·g-1）。

圖2為針鐵礦和蠟狀芽孢桿菌對(duì)Cd(II)、As(V)的等溫吸附結(jié)果。在一元體系中，針鐵礦和蠟狀芽孢桿菌對(duì)Cd(II)、As(V)的吸附都是隨平衡濃度的增加而增加，并在一定范圍內(nèi)增加較快，隨后趨于平緩達(dá)到吸附平衡。其中，針鐵礦對(duì)Cd(II)的吸附是在 Cd(II)平衡濃度在 0.02—0.04 mmol·L-1間增加最快，對(duì) As(V)的吸附在 0.014—0.021 mmol·L-1間增加最快；蠟狀芽孢桿菌對(duì)Cd(II)的吸附是在平衡濃度 0.02—0.053 mmol·L-1間快速增大，對(duì) As(V)的吸附在0.01—0.03 mmol·L-1間快速增加。針鐵礦對(duì) Cd(II)、As(V)的最大吸附量分別為 305.00、1259.82 mmol·kg-1，蠟狀芽孢桿菌對(duì) Cd(II)、As(V)的最大吸附量分別為 1291.64、120.22 mmol·kg-1（表1）。由此可知，針鐵礦對(duì)As(V)的吸附能力大于Cd(II)，而蠟狀芽孢桿菌對(duì)于Cd(II)的吸附能力大于As(V)。

圖2 針鐵礦和蠟狀芽孢桿菌對(duì)Cd(II)、As(V)的等溫吸附圖譜，實(shí)線為L(zhǎng)angmuir擬合線Fig. 2 Isothermal adsorption of Cd(II)/As(V) on goethite and Bacillus cereus Solid lines are the Langmuir fits

在二元吸附體系中，針鐵礦對(duì)Cd(II)、As(V)的吸附量均大于單一體系，這表明在針鐵礦表面，Cd(II)-As(V)的吸附存在協(xié)同效應(yīng)；此外，As(V)對(duì)Cd(II)的促進(jìn)率為38.4%，而Cd(II)對(duì)As(V)的促進(jìn)率只有 16.5%。在蠟狀芽孢桿菌表面，As(V)對(duì)Cd(II)的吸附幾乎無影響，Cd(II)對(duì)As(V)則存在抑制作用（表1）。

2.3 XPS結(jié)果

圖3是針鐵礦吸附Cd(II)、As(V)前后的O1s高分辨光譜。對(duì)于純針鐵礦，529 eV處的峰歸屬于Fe-O-Fe，531 eV處的峰歸屬于Fe-O-H（Zhu et al.，2019），圖中標(biāo)注的百分比為每個(gè)組分的面積所占總面積的比值。針鐵礦吸附 Cd(II)、As(V)前后的O1s光譜存在明顯差異，吸附金屬后在531 eV處的峰變寬且峰面積增大。在純針鐵礦中，F(xiàn)e-O-H所占面積比為69.06%，在單一Cd(II)、單一As(V)以及Cd(II)-As(V)復(fù)合體系中該組分分別增加3.67%、17.77%、6.32%。這一結(jié)果表明，針鐵礦表面Fe-OH與鎘砷發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)，可能進(jìn)一步形成Fe-OCd(As)絡(luò)合物。有學(xué)者（Lakshmipathiraj et al.，2006）研究發(fā)現(xiàn)砷酸鹽可與 Fe-O鍵結(jié)合生成 Fe-O-As，而O’ Reilly et al.（2001）研究表明砷酸鹽主要以針狀雙核絡(luò)合物的形式吸附在針鐵礦上。此外，針鐵礦在吸附 As(V)后 531 eV處的峰強(qiáng)度增加更加明顯，表明吸附的 As(V)比 Cd(II)更多，這與等溫吸附結(jié)果一致。

圖3 針鐵礦吸附Cd(II)、As(V)前后的高分辨率O1s XPS光譜Fig. 3 High-resolution O1s XPS spectra of goethite before and after the sorption of Cd(II)/As(V)

圖4是蠟狀芽孢桿菌吸附Cd(II)、As(V)前后的C1s高分辨光譜。對(duì)于蠟狀芽孢桿菌，其碳峰可分解為3個(gè)部分：288 eV處的峰歸屬于碳與氧形成單鍵或雙鍵（C=O、C-O-C），包括羧酸鹽；286 eV處的峰歸屬于C-(O, H)；285 eV處歸屬于C-(O, N)，這兩部分主要包括醚，醇，胺和酰胺（Lei et al.，2019）。分析C1s光譜發(fā)現(xiàn)，吸附Cd(II)、As(V)前后的蠟狀芽孢桿菌存在明顯差異，即吸附金屬后的蠟狀芽孢桿菌在285 eV處的峰變寬且峰面積增大。在純蠟狀芽孢桿菌中，C=O、C-O-C所占面積比為4.80%，在單一Cd(II)、單一As(V)以及Cd(II)-As(V)復(fù)合體系中該組分分別增加9.5%、7.83%、11.91%。Oh et al.（2009）研究表明，施氏假單胞菌吸附金屬的原因是金屬與細(xì)菌表面的C=O結(jié)合，而Uluozlu et al.（2010）的結(jié)果表明，金屬離子與微生物的羧基、羥基和酰胺基的氫原子之間的離子交換主要參與生物吸附。本實(shí)驗(yàn) XPS結(jié)果分析可得到類似的結(jié)論，蠟狀芽孢桿菌對(duì)Cd(II)、As(V)的吸附主要是與細(xì)菌的羧基和酰胺/胺基結(jié)合。而且蠟狀芽孢桿菌在吸附Cd(II)后288 eV處的峰強(qiáng)度增加更加明顯，表明吸附的 Cd(II)比 As(V)更多，這與等溫吸附結(jié)果一致。

圖4 蠟狀芽孢桿菌吸附Cd(II)、As(V)前后的高分辨率C1s XPS光譜Fig. 4 High-resolution C1s XPS spectra of Bacillus cereus before and after the sorption of Cd(II)/As(V)

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在針鐵礦體系，Cd(II)-As(V)的吸附存在協(xié)同效應(yīng)，而在細(xì)菌體系，As(V)的存在對(duì)Cd(II)的吸附影響不大，Cd(II)卻能在一定程度上抑制 As(V)的吸附。分析總結(jié)出現(xiàn)這一現(xiàn)象的可能原因如下：針鐵礦在pH 6.5時(shí)表面帶正電荷（Wang et al.，2020），有研究表明，Cd(II)、As(V)均可在鐵氧化物表面形成內(nèi)圈化合物（Collinos et al.，1999；Catalano et al.，2008），當(dāng) As(V)絡(luò)合在針鐵礦表面，增加了表面負(fù)電勢(shì)，促進(jìn)了Cd(II)的靜電吸附，此外吸附態(tài)As(V)可能與Cd(II)形成三元絡(luò)合物（FeO-As-Cd），進(jìn)一步促進(jìn) Cd(II)的吸附，Jiang et al.（2013）的研究同樣發(fā)現(xiàn)針鐵礦表面生成了Cd-As-針鐵礦三元復(fù)合物；同理，當(dāng)Cd(II)通過表面絡(luò)合吸附在針鐵礦表面，增加了表面正電勢(shì)，進(jìn)一步為 As(V)創(chuàng)造了更多新的吸附位點(diǎn)，所以 Cd(II)也促進(jìn) As(V)在針鐵礦上的吸附。細(xì)菌在pH 6.5時(shí)表面帶負(fù)電荷（Wang et al.，2016），與As(V)存在電荷斥力，因此在細(xì)菌體系，表面電勢(shì)改變對(duì)吸附的影響可能不顯著。由于Cd(II)、As(V)在細(xì)菌表面吸附的官能團(tuán)一致（XPS結(jié)果），而細(xì)菌對(duì)Cd(II)的親和力遠(yuǎn)強(qiáng)于As(V)（上文顯示Cd(II)吸附量是As(V)的10倍），因此As(V)對(duì) Cd(II)吸附幾乎沒影響，而 Cd(II)會(huì)顯著抑制As(V)吸附。

在中國(guó)南方鎘砷復(fù)合污染酸性土壤中（pH＜6.5），鐵氧化物占固相組分的比例很大（Indika et al.，2017；Du et al.，2016），Cd(II)、As(V)在土壤固相界面的吸附存在顯著協(xié)同效應(yīng)，因此在應(yīng)用單一體系的吸附規(guī)律去預(yù)估復(fù)合污染體系時(shí)，將大大低估土壤膠體對(duì)Cd(II)、As(V)的截留。而在土壤微區(qū)，如根際界面，微生物含量較多，Cd(II)對(duì)As(V)的吸附存在抑制作用，這也表明，運(yùn)用單一體系吸附規(guī)律時(shí)將在一定程度上高估了根際土壤對(duì)As(V)的截留與固定。Cd(II)與As(V)的共吸附規(guī)律在土壤礦物和微生物上存在區(qū)別，這也意味著在土壤根際土壤與非根際土壤中有較大差異。因此在預(yù)測(cè)土壤Cd(II)、As(V)共存規(guī)律時(shí)也要考慮土壤組成，特別是有機(jī)物的含量等因素。綜上，本研究結(jié)果可為預(yù)測(cè)鎘、砷在土壤組分上的遷移轉(zhuǎn)化行為提供參考，為調(diào)控鎘砷形態(tài)，對(duì)預(yù)測(cè)鎘、砷在土壤中的生物地球化學(xué)循環(huán)有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）在等溫吸附中，針鐵礦對(duì)As(V)的吸附強(qiáng)于 Cd(II)，蠟狀芽孢桿菌對(duì) Cd(II)的吸附強(qiáng)于As(V)；

（2）在針鐵礦中，Cd(II)-As(V)的吸附存在協(xié)同效應(yīng)，且 As(V)對(duì) Cd(II)的促進(jìn)作用強(qiáng)于 Cd(II)對(duì)As(V)；在細(xì)菌體系中，As(V)對(duì)Cd(II)的吸附幾乎無影響，Cd(II)對(duì)As(V)則存在抑制作用；

（3）針鐵礦通過表面鐵羥基吸附絡(luò)合Cd(II)、As(V)，形成內(nèi)圈Fe-O-Cd(As)化合物，而蠟狀芽孢桿菌對(duì)于金屬的吸附主要通過表面羧基和酰胺/胺基；在 Cd(II)-As(V)復(fù)合體中，可能進(jìn)一步形成了吸附劑-Cd-As或吸附劑-As-Cd三元絡(luò)合物。