Citrobacter sp. strain YS1抑制煤矸石產酸及重金屬釋放的研究*

張 允 馮啟言# 陳 迪 王曉青 王彥君

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116;2.礦山生態(tài)修復教育部工程研究中心,江蘇 徐州 221116;3.江蘇地質礦產設計研究院,江蘇 徐州 221006)

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

電子天平、恒溫培養(yǎng)箱、氧化還原電位測試儀、便攜式pH計、可見分光光度計、激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)結合X射線能量色散譜儀(EDS)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)等。

1.2 實驗材料

實驗菌種為前期從某長期受煤矸石酸性廢水污染的底泥中分離篩選的YS1。研究表明,YS1呈桿狀,周生鞭毛,長2.0～2.2 μm,寬0.5～0.6 μm;YS1的生長周期大致分為4個階段,遲緩期(0～28 h)、對數期(28～68 h)、穩(wěn)定期(69～76 h)及衰亡期(76 h后)。此外,YS1為兼性厭氧菌,可以在20～40 ℃下生存,最適生長溫度為35 ℃;生存pH為6～9,最適pH為7～8[4]。

培養(yǎng)基采用改良的Postgate培養(yǎng)基,成分為KH2PO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、Na2SO43.0 g/L、MgSO4·7H2O 0.06 g/L、酵母浸粉1 g/L、CaCl20.06 g/L、FeSO4·7H2O 0.5 g/L、乳酸鈉6 mL/L和檸檬酸鈉0.3 g/L,培養(yǎng)基pH為6.5。

煤矸石樣品取自山西省太原某礦區(qū),將采集到的煤矸石樣品風干破碎,過200目篩后紫外滅菌處理,備用。

1.3 實驗方法

1.4 測試方法

2 結果與討論

2.1 反應體系pH和ORP變化特征

圖1 不同反應體系pH及ORP的變化 Fig.1 Variation of pH and ORP in different reaction systems

上述實驗結果表明,只接種YS1在一定程度上可以減緩煤矸石氧化產酸,碳源的加入可有效提升反應體系pH,降低ORP,抑制煤矸石的氧化產酸。

2.2 菌株YS1對釋放的影響

圖2 不同反應體系中質量濃度變化Fig.2 Variation of mass concentration in different reaction systems

2.3 菌株YS1對煤矸石中重金屬釋放的抑制效應

實驗前后不同反應體系煤矸石中重金屬含量的變化如表1所示。實驗結束后,3個反應體系煤矸石中的重金屬含量均低于原煤矸石,表明在浸出過程中煤矸石中的重金屬元素均存在一定程度的溶解和釋放。SM組、SMR組煤矸石中各重金屬含量均高于CK組,表明菌株YS1能夠有效減緩煤矸石中各重金屬元素的釋放和溶出。

表1 實驗前后各反應體系煤矸石中重金屬質量濃度變化Table 1 Changes of heavy metals mass concentration in coal gangue of different reaction systems before and after experiment

圖3 煤矸石浸出液中重金屬質量濃度變化Fig.3 Variation of heavy metals mass concentration in coal gangue leachate

2.4 菌株YS1作用機制分析

2.4.1 XRD分析

將實驗前后的煤矸石樣本冷凍干燥后進行XRD物相分析,結果見圖4。煤矸石主要由石英及鈣長石組成,同時含有少量的高嶺土、黃鐵礦及白云母。實驗過程中,CK組煤矸石中的黃鐵礦被逐漸氧化,黃鐵礦衍射峰明顯降低。與原煤矸石及CK組煤矸石相比,SM組及SMR組煤矸石的石英衍射峰有所減弱,SMR組煤矸石白云母衍射峰消失,可能是因為菌株YS1利用煤矸石表面的礦物質作為生長所需的能源,從而改變了煤矸石的部分組成[8]。同時,SM組和SMR組煤矸石出現(xiàn)了新的衍射峰,通過Jade 6分析與標準卡片對比,該衍射峰為四方硫鐵礦(FeS),可能是菌株YS1代謝產生的S2-與煤矸石所溶出的Fe2+反應產生的硫化物沉淀附著在了煤矸石表面[9]。

圖4 實驗前后煤矸石的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of coal gangue before and after experiment

2.4.2 SEM及EDS能譜分析

圖5 實驗前后煤矸石的SEM圖Fig.5 SEM images of coal gangue before and after experiment

2.4.3 FTIR分析

將實驗前后的煤矸石樣本進行FTIR分析,結果見圖6。原煤矸石樣品的特征峰主要出現(xiàn)在3個波段,分別為500～800、800～1 200、3 600～3 700 cm-1。500～800 cm-1的紅外區(qū)域主要對應O-H的拉伸振動峰[11];800～1 200 cm-1主要對應C-O、C-H、C-O-C及C-O-P的伸縮振動峰,這些伸縮振動峰主要涉及到微生物細胞膜或者細胞壁表面的多糖、磷脂、多肽等[12]。3 600～3 700 cm-1的寬譜帶為氨基的N-H拉伸振動峰及羥基的O-H拉伸振動峰[13]。根據FTIR分析結果,SM組及SMR組煤矸石在各波段的峰值強度與CK組相比均出現(xiàn)了減弱,可能是微生物表面多糖、蛋白以及脂質中的羥基、氨基等基團均參與了對煤矸石及其浸出液中重金屬離子的絡合作用導致。

圖6 實驗前后煤矸石的FTIR圖譜Fig.6 FTIR spectra of coal gangue before and after experiment

3 結 論

(2) 菌株YS1能夠有效減緩煤矸石中重金屬的釋放,降低反應體系浸出液中重金屬的濃度。實驗結束時,SM組浸出液Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Fe濃度相比CK組分別降低了30.91%、42.12%、51.50%、56.25%、45.45%及34.02%;SMR組浸出液Zn、Cu、Cd濃度低于儀器檢出限,Mn、Ni、Fe濃度相比CK組分別降低99.78%、98.75%及99.95%。