欢迎您访问山东淄博源润净水科技有限公司官方网站!

山东淄博源润净水科技有限公司

20年聚合硫酸铁生产经验为您服务 专注水处理药剂技术研发

全国服务热线0533-5559038

热门搜索关键词:
聚合硫酸铁
聚合硫酸铁厂家
聚合硫酸铁生产厂家
液体聚合硫酸铁
固体聚合硫酸铁
源润净水科技
当前位置: 首页 » 新闻动态 » 产品知识 »AQS对Shewanella oneidensis MR-1 还原含Cd聚合硫酸铁絮体的影响

AQS对Shewanella oneidensis MR-1 还原含Cd聚合硫酸铁絮体的影响

    发布时间:2017年7月6日    点击数:1907   【

摘要:考察了一种典型的溶解性腐殖质蒽醌-2-磺酸钠(disodium anthraquinone-2-sulfonate,AQS)存在时,典型异化铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1在厌氧条件下还原含镉聚铁絮体的过程。结果表明:AQS的存在促进了含Cd絮体中Fe(III)的还原,也促进了Cd2+的释放。相比无AQS体系,存在AQS的体系中,Fe2+和Cd2+达到最高浓度的时间均有所缩短,最高浓度也更高;且低浓度AQS的促进效果明显高于高浓度AQS;AQS的存在没有改变二次矿物的种类,仍是针铁矿和磁铁矿,但降低了矿物的结晶度,且AQS浓度越高,改变越明显。存在AQS的体系中,菌体结合的Cd2+更多,且镉的直接释放和间接释放风险均增大,低浓度AQS体系中镉的直接释放风险更大。

0引言

镉是水体、土壤污染中最受关注的重金属元素之一。然而突发性水体镉污染事件时有发生,絮凝是河流镉污染突发事件应急处理的常用手段,如北江镉污染事件中采用的药剂为3000t聚合硫酸铁(polyferricsulphate,PFS)。PFS是一种无机合成高分子物质,在水体中会形成絮体,对重金属有很好的吸附性能。由于絮体的吸附作用,镉从河水中被带离并沉降到底泥中,从而降低水中镉的浓度。但大量镉进入河底沉积物中,其对生态环境的潜在影响亦值得关注。

在底泥等自然厌氧环境中,均广泛分布着异化铁还原菌(dissimilatoryiron-reducingbacteria,DIRB),已有大量研究表明:在淹水等天然厌氧环境中,异化铁还原菌可以还原解构三价铁矿物,从而导致其结合的重金属释放。而KneeboneP等研究使用FeCl3对水库中的As进行原位混凝处理后,发现沉入水底的絮体并不稳定,在沉积物中微生物的作用下,As会释放至上层水体中。

PFS是由人工合成的三价铁高分子物质。但Li等发现PFS以及负载Cd的PFS(简称Cd-PFS)也会被DIRB还原,所以镉污染事故应急处理中,沉入底泥的镉可能会被释放和二次分配。

此外,实际水体沉积物中还存在许多物质,能影响微生物异化含Cd絮体中的Fe(III)还原,如有机物腐殖质等,其分子中含有大量的羧酸、酚羟基、醇羟基、醌基等官能团,能够影响水体中重金属的毒性及其迁移转化。在微生物异化铁还原过程中,腐殖质可作为电子穿梭体,将微生物呼吸产生的电子转移给Fe(III)氧化物或含Fe(III)的矿物。

本文以ShewanellaoneidensisMR-1和含Cd絮体为研究对象,选取一种典型的溶解性腐殖质蒽醌-2-磺酸钠(disodiumanthraquinone-2-sulfonate,AQS),研究不同浓度的AQS对MR-1还原溶解含Cd絮体中Fe(III)和Cd释放及其形态分布的影响,并采用XRD、XPS等表征手段进一步探讨了AQS存在的条件下,S.oneidensisMR-1异化铁还原过程的反应机理。

1实验部分

1.1菌种的培养与富集

S.oneidensisMR-1的活化、传代和富集培养过程使用牛肉膏蛋白胨培养基,在好氧条件下进行,室温条件下活化二次。将S.oneidensisMR-1接种至已灭菌的LB液体培养基中,并置于摇床中(30℃,150r/min)好氧培养18h至对数期;重复上述步骤,进行二次活化。随后,离心收集菌体沉淀(4500r/min,20min,4℃),用已灭菌的DM培养基清洗2次,随后离心将菌体悬浮于DM培养基中,配成1g/L的菌悬液[10]。其中,LB培养基成分为5g/L牛肉膏,10g/L蛋白胨,5g/LNaCl,固体培养基按1.5%~2%的比例加入琼脂粉。DM培养基[11]的成分为0.1g/LKCl,0.1g/LCaCl2·2H2O,1.5g/LNH4Cl,7.02g/LNaClO4,6.05g/L哌嗪-1,4-二乙磺酸(1,4-piperazinediethanesulfonicacid,PIPES),再加入一定量的乳酸钠作为电子供体,使用1mol/LNaOH将培养基pH值调至7.26左右。

1.2含Cd絮体的制备

准确称取一定量的聚合硫酸铁(PFS)至干净烧杯中,搅拌溶解后转移至容量瓶中定容,配成一定浓度PFS溶液。然后取20mLPFS溶液加入至500mL的Cd(NO3)2溶液中,用磁力搅拌器快速搅拌混凝,同时向溶液中缓慢滴加5mol/LNaOH溶液,将pH调至7.0左右;等有絮体生成时,将转速调低至300r/min,以防止絮体结构遭到破坏。搅拌结束后,将絮体静置,直至絮体沉降至200mL左右,倒掉上清液,保存絮体备用。

1.3实验设计

实验在操作箱中采用振荡批处理进行。准确量取2mL含Cd絮体和20mL细菌悬液分装至100mL血清瓶中,再添加不同浓度AQS,血清瓶中AQS终浓度分别为0.1mmol/L和1mmol/L;对照组则添加同体积的无菌蒸馏水。同时向血清瓶中不断充入N2,以去除血清瓶顶部的氧气,然后快速将血清瓶用含有丁基硅胶的铝盖密封,最后放置于摇床中(30℃,150r/min)。分别于0,6,24,32,48,72,120,192,312h取样,每个时间点设置3个平行样。

1.4分析方法

Fe2+:从血清瓶中取出部分溶液,经0.22μm滤膜过滤后,采用邻菲罗啉分光光度法测定。Cd2+:从血清瓶中取出部分溶液,经0.22μm滤膜过滤后,再用2%硝酸酸化保存。采用原子吸收分光光度计检测。

固相表征:将血清瓶中样品溶液离心,离心后的固体沉淀用磷酸盐缓冲溶液清洗1次,以去除残留的培养基,然后将离心后的沉淀真空冷冻干燥,分别进行X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱分析(XPS)测试。

Cd形态的提取:在特定时间点将血清瓶中的样品溶液离心,保存上清液测溶液中Cd2+,为F1态;再将离心得到的固体沉淀进行真空冷冻干燥得到固体粉末,采用连续提取法对体系固相中的Cd化学形态进行提取。具体提取步骤如下:

1)F2:可交换态,加20mL0.1mol/LMgCl2溶液(pH=7)至装有固体沉淀的离心管中,振荡提取1h,离心过滤上清液,用2%硝酸保存;再用蒸馏水清洗1次,离心得到的沉淀用于下一步提取。

2)F3:铁氧化物表面结合态,加20mL0.1mol/LHCl振荡提取0.5h,离心过滤上清液,用2%硝酸保存;蒸馏水清洗1次,离心得到的沉淀用于下一步提取。

3)F4:无定形铁氧化物结合态,加20mL0.2mol/L草酸铵避光振荡提取4h,离心过滤上清液,用2%的硝酸保存;蒸馏水清洗1次,离心得到的沉淀用于下一步提取。

4)F5:残渣态,加10mLHNO3-HF-HClO4混合酸微波消解30min,再将消解罐转移至电热板上(180℃)赶酸至近干,定容后过滤上清液,用2%硝酸保存。

为确保提取过程的准确度和精确性,将测得的溶液中Cd2+含量和固相中各形态的Cd含量进行加和,与血清瓶中消解得到的初始Cd总量进行比较。在0.1,1mmol/LAQS体系中,Cd回收率分别为90.07%~109.58%和88.01%~108.32%,证明该提取结果有效。

2结果与讨论

2.1不同浓度的AQS对絮体中微生物Fe(III)还原及Cd释放的影响

图1是溶液中Fe2+浓度随时间的变化曲线。可知:3组实验溶液中Fe2+浓度都是先增大后减小最后基本不变。在无AQS体系中,Fe2+浓度在48h达到最大,为80.52mg/L;而在0.1,1mmol/LAQS体系中,Fe2+浓度分别在24,32h达到最大,依次为145.83,104.27mg/L,分别是无AQS组的1.81,1.29倍;反应至192h,Fe2+浓度基本保持不变,此时还原过程基本结束。同时,在MR-1还原含Cd絮体Fe(III)的过程中,有大量的Cd2+释放至溶液中,说明AQS的添加也促进了Cd2+的释放(图2),且变化趋势与溶液中Fe2+浓度变化趋势相似。在无AQS体系中,反应至48h溶液中Cd2+浓度最大;而在0.1,1mmol/LAQS体系中,Cd2+浓度达到最高所需的时间分别为6,32h。说明体系中AQS的添加能明显促进含Cd絮体中的Fe(III)还原,从而增大了溶液中Fe2+浓度和Cd2+浓度。原因是AQS中含有醌基官能团,醌基可作为电子受体被MR-1还原成半醌氢醌,氢醌可将电子转移给含Cd絮体而被氧化成醌基。但1mmol/LAQS体系溶液中Fe2+和Cd2+的浓度反而比0.1mmol/LAQS的体系要低,原因是1mmol/LAQS超出了MR-1的耐受范围,抑制了菌体的酶活性、代谢活动弱。而随着反应的进行,3组体系溶液中的Fe2+浓度均有降低,可能是部分生成的Fe2+被吸附或者参与了二次矿物的形成,且细菌表面被生成的二次矿物包裹,菌体活性降低,进一步阻止了微生物对絮体的还原。

图1

图2

将XRD图谱(图3)与标准卡PDF及相关文献对照可知:3组实验生成的二次矿物均为针铁矿和磁铁矿;对比无AQS体系,0.1mmol/LAQS体系磁铁矿和针铁